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1.2 计算机控制系统内容简介

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计算机控制技术课程综述

计算机控制技术课程综述

微型计算机控制技术课程综述专业： 10自动化(2)班姓名：孙修才学号： 1005075044 授课老师：丁健目录一、计算机控制技术简介 (2)二、计算机控制课程简介 (2)第1章绪论 (2)1.1 计算机控制系统概述 (2)1.2 计算机控制系统的组成 (2)1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势 (2)第二章计算机控制系统的硬件设计技术 (3)2.1数字量输入输出接口与过程通道 (3)2.3模拟量输入输出接口与过程通道 (3)第三章数字控制技术 (3)3.1逐点比较法插补原理 (3)3.2多轴步进驱动控制技术 (3)常规及复杂控制技术 (4)4.1数字控制器的连续化设计技术 (4)4.2数字控制器的离散化设计技术 (4)4.3纯滞后控制技术 (4)4.4解耦控制技术 (4)第五章现代控制技术 (5)第六章应用程序设计与实现技术 (5)第七章人机接口技术与监控组态软件 (5)7.1人机接口(HML/SCADA)技术 (5)7.2监控组态软件 (5)第八章分布式测控网络技术 (6)8.1工业网络技术 (6)8.2分布式控制系统(DCS) (6)第九章计算机控制系统设计与实现 (6)9.1系统设计的原则与步骤 (6)9.2系统的工程设计与实现 (6)三、课程学习总结 (7)一、计算机控制技术简介工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

微型计算机控制技术是一门跨学科以及应用性、技术性、综合性都很强的专业技术课程，要求具备较强的自动控制理论、微型计算机原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业基础知识。

通过学习，要求掌握计算机控制系统的控制原理和分析设计方法，具备基本的设计技能，能够设计出简单的计算机控制系统。

计算机控制技术这门课程是自动化、测控技术与仪器专业以及相关专业的一门专业课，主要讲述计算机控制系统的基本结构、基本原理，计算机控制系统的数学描述及设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径。

计算机控制技术(曹立学)1-4章 (1)

计算机控制技术(曹立学)1-4章 (1)

第1章 绪论
2. (1) 串级调节。 在简单调节回路中， 选取干扰影响特别 明显的一个中间变量， 附加一个调节器， 组成内调节回路 (或副调节回路) ， 用来初步克服干扰的影响， 同时用原回 路(称主回路) 中的调节器(主调节器) 的输出作为副调节器的 给定值， 使副调节器跟随此值达到进一步的精细调节。 这是 用一个内回路对主要干扰影响进行初调的控制系统。
第1章 绪论
3. 设备管理系统可以提供设备自身及过程的诊断信息、 管 理信息、 设备(包括智能仪表)运行状态信息、 厂商提供的设 备制造信息。 例如， Fisher Rosemoune公司推出的AMS管理 系统， 它安装在主计算机内并完成管理功能， 可以构成一个 现场设备的综合管理系统信息库， 在此基础上实现设备的可 靠性分析以及预测性维护， 将被动的管理模式改变为可预测 的管理维护模式。 AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构， 在现场服务器上支撑模块化， 功能丰富， 为用户提供一个图 形化界面。
第1章 绪论
DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来 实现多个点的控制功能。 实际上属于用控制机离散采样， 实 现离散多点控制。 这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机 控制系统中的主要控制形式之一, DDC系统原理图如图1.2所示。
第1章 绪论 图 1.2 DDC系统原理图
第1章 绪论
第1章 绪论
(4) 分程调节。在需用不同的手段分阶段地控制一个参数 时， 采用这种调节。 例如:一个反应器的温度调节， 在正常 温度范围内用水冷却即可， 但温度达高限后需用冷冻水冷却， 低于低限时需用蒸汽加热， 方能保持正常反应。 满足这种需 要的调节称分程调节。 在分程调节中， 由一个测量元件、 一 个调节器及三个调节阀组成系统， 由三个调节阀分别控制冷水、 冷冻水和蒸汽的流量。 冷水阀通常调整到当温度在低限时全关， 高限时全开； 冷冻水阀在温度高限时全关， 温度超过高限时 开启； 蒸汽阀在温度低限时全关， 再低时开启。 为了避免冷 水阀及冷冻水阀在超高限时同时开启， 还要增加一个冷水阀超 高限自动关闭装置， 这样就可以进行分程调节了。 分程调节 系统的调节质量类似简单调节， 若需提高， 宜采用串级调节、 前馈调节等改进措施。

第一章 计算机控制系统绪论new

第一章 计算机控制系统绪论new
这就要求自动化专业的学生通过本课程的学习掌握如 何利用计算机控制生产过程的基本概念,并基本掌握计 算机控制系统的分析设计与实现方法,计算机在工业过 程控制应用中的相关技术。
计算机控制系统
教材及参考书 《计算机工业控制》杨劲松 《现场总线控制》周明 《计算机控制系统》吴坚
中国电力出版社 中国电力出版社 武汉理工大学出版社
制造与自动化技术，能源技术，资源与环境技术 介入：课题申请指南，探索性强专题，以增强集成
创新能力和形成战略产品原型或技术系统为目标的 项目
2、学科地位与现实意义
(2)本课程在专业培养中的地位
“计算机控制系统”(计算机测控技术)是 自动化专业的一门主要专业课,课程涉及 面很广,知识集成度高,可以说其浓缩了自 动化专业的知识精华,在专业课程体系中 具有承上启下的作用，在专业课程体系 中起到中流砥柱的核心地位。
学好本课程的意义（2）
(2)知识体系：“计算机控制系统息[Information]

＋

控制[Control]；

＋

系统[System]！
（计算机是信息获取、处理、传输、利用、存储的重要手段 和工具）；
学好本课程的意义（3）
(3) 在专业培养中的地位：如前所述， “计算机控制系统”是自动化专业的一 门主要专业课,课程涉及面很广,知识集成 度高,可以说其浓缩了自动化专业的知识 精华,在专业课程体系中具有承上启下的 作用，在专业课程体系中起到中流砥柱 的核心地位。
计算机控制系统
(计算机测控技术)
1、课程体系结构与技术要点
前言
（1）计算机控制系统的理论、方法。
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制

2023年大学_计算机控制技术第二版(温希东著)课后答案下载

2023年大学_计算机控制技术第二版(温希东著)课后答案下载

2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载本书全面系统地介绍了计算机控制系统的基本组成和在工业控制中的应用技术，并结合实际深入浅出地介绍了几种典型的控制系统和控制技术。

主要内容包括：计算机控制系统概述、开关量输入/输出通道与人机接口、顺序控制与数字控制、模拟量输入/输出通道、PID调节器的数字化实现、计算机控制系统的抗干扰技术及工业控制微型计算机。

为了帮助读者掌握各部分内容，书中每章后面都附有习题。

本书可作为高职高专院校应用电子技术、自动化、机电一体化、电气工程等专业的计算机控制技术课程的教材，也可作为从事计算机控制工作的工程技术人员的参考书。

计算机控制技术第二版（温希东著）：内容简介点击此处下载计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案计算机控制技术第二版（温希东著）：目录第1章计算机控制系统概述 11.1 计算机控制系统的组成 11.1.1 计算机控制系统的硬件组成 31.1.2 计算机控制系统的软件 41.2 工业控制计算机的特点 41.3 微型计算机控制系统的主要结构类型 51.3.1 计算机操作指导控制系统 51.3.2 直接数字控制系统 51.3.3 监督计算机控制系统 61.3.4 集散型控制系统 61.3.5 现场总线控制系统 71.3.6 工业过程计算机集成制造系统 81.4 微型计算机控制系统的发展 91.4.1 计算机控制系统的发展过程 91.4.2 近年来计算机控制系统在我国的发展趋势 9 习题 13第2章开关量输入/输出通道与人机接口 142.1 过程通道的分类 142.2 开关量输入/输出通道 152.2.1 开关量输入/输出通道的一般结构形式 15 2.2.2 开关量输入信号的调理 162.2.3 开关量输出驱动电路 192.2.4 开关量输入/输出通道的设计 21 2.3 人机接口——键盘 222.3.1 非编码键盘 232.3.2 编码键盘 282.4 人机接口——数字显示方法 312.4.1 发光二极管LED显示 312.4.2 LCD显示接口技术 38习题 81第3章顺序控制与数字控制 833.1 顺序控制 833.1.1 顺序控制系统的类型 833.1.2 顺序控制系统的组成 853.1.3 顺序控制系统的应用领域 853.1.4 顺序控制的应用实例 863.2 数字程序控制 883.2.1 数值插补计算方法 883.2.2 逐点比较法直线插补 893.2.3 逐点比较法圆弧插补 943.2.4 步进电机工作原理 993.2.5 步进电机控制系统原理 1013.2.6 步进电机与微型机的接口及程序设计 103 3.2.7 步进电机步数及速度的计算方法 1083.2.8 步进电机的变速控制 109习题 110[1]第4章模拟量输入/输出通道 1124.1 模拟量输入通道 1124.1.1 输入信号的处理 1124.1.2 多路开关 1134.1.3 放大器 1174.1.4 采样保持器(S/H) 1194.1.5 模/数(A/D)转换器及其应用 1204.2 模拟量输出通道 1284.2.1 DAC的工作原理 1284.2.2 多路模拟量输出通道的结构形式 1304.2.3 D/A输出方式 1314.2.4 失电保护和手动/自动无扰动切换 1324.2.5 DAC的主要技术指标 1324.2.6 典型应用例子 133习题 135第5章 PID调节器的数字化实现 1375.1 PID调节器 1385.1.1 PID调节器的优点 1385.1.2 PID调节器的作用 1385.2 数字PID控制器的设计 1415.2.1 PID控制规律的离散化 1425.2.2 PID数字控制器的实现 1435.3 数字PID控制器参数的整定 1455.3.1 采样周期的选择 1455.3.2 PID控制器参数的整定 146习题 150第6章计算机控制系统的抗干扰技术 152 6.1 干扰信号的类型及其传输形式 1526.2 抗干扰技术 1536.2.1 接地技术 1546.2.2 屏蔽技术 1556.2.3 隔离技术 1566.2.4 串模干扰的'抑制 1566.2.5 共模干扰的抑制 1576.2.6 长线传输中的抗干扰问题 157[1] 6.3 电源干扰的抑制 1586.3.1 电源干扰的基本类型 1586.3.2 电源抗干扰的基本方法 1596.4 CPU软件抗干扰技术 1616.4.1 人工复位 1626.4.2 掉电保护 1626.4.3 睡眠抗干扰 1636.4.4 指令冗余 1646.4.5 软件陷阱 1646.4.6 程序运行监视系统(WATCHDOG) 167 6.5 数字信号的软件抗干扰措施 1706.5.1 数字信号的输入方法 1706.5.2 数字信号的输出方法 1716.5.3 数字滤波 172习题 176第7章工业控制微型计算机 1777.1 工业控制计算机的特点 1777.2 总线式工控机的组成结构 1787.3 常用工控总线(STD/VME/IPC工控机) 179 7.3.1 STD总线工控机 1797.3.2 MC6800/MC68000工控机 1797.3.3 IPC总线工控机 1797.4 IPC的主要外部结构形式 1807.4.1 台式IPC 1807.4.2 盘装式IPC 1817.4.3 IPC工作站 1817.4.4 插箱式IPC 1827.4.5 嵌入式IPC 1837.5 IPC总线工控机内部典型构成形式 1847.5.1 工业控制计算机的组成 1847.5.2 工业控制计算机系统的组成 1857.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍 186 7.6.1 IPC总线工业控制计算机的概念 1867.6.2 工业控制计算机I/O接口信号板卡 187 习题 192附录 ST7920GB中文字型码表 193参考文献 198。

第一章 计算机控制系统概述

第一章 计算机控制系统概述

第一章计算机控制系统概述§1．1概述随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。

近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。

本章主要介绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。

1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。

2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。

一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。

微型计算机控制技术(第2版)讲解

微型计算机控制技术(第2版)讲解

@输出结果根据各环节的品质状况及系统所处环境有多种多
样。
信息工程学院
13
系统工作状态过渡过程的测试是通过系统响应特定输入信号 （或叫试验信号）来进行的。 阶跃信号常用的测试信号，如图1-4所示。 系统进入稳态的过渡过程及其工作特性如图1-5所示。
r(t)
1(t)
图1-4 单位阶跃输入信号
y(t) δP
特别申明：不参加实验或实验考核不及

格者不提供理论考试试卷，

强行参考者不予成绩评定。
信息工程学院
7
第1章 绪 论
本章学习提要
（1）计算机控制技术经历的发展阶段；
（2）控制系统基本概念： 1. 常用概念术语， 2．常见系统术语 。
（3）控制系统5种典型工作特性 。
（4）微机控制系统体系结构：控制器和比较环 节由微型计算机取代，这是划时代的进步；。
（3）接口 在微型计算机控制系统中一般存在三类不同功能的接口，
一类介于主机与过程通道之间，用于主机与过程通道交换数字信息；
二类介于主机与交互通道之间，用于主机与交互通道交换数字信息；
三类介于主机与微机I/O设备之间，用于主机与微机I/O设备交换数字信息，在多 微机互联的微型计算机控制系统中，多微机可互按I/O设备管理。
校正环节
- yCF（t）
u（t） 执行环节 反馈环节
扰动信号 y（t）
被控对象
图1-3 闭环控制系统抽象结构图
实际控制系统除存在内外扰动外，还有系统自身存在的逻辑
死区、响应惯性等影响系统的控制效果。
当输入信号作用到系统之后，在系统的输出端并不能马上得
到响应，而只有当偏差信号大到一定程度时，系统才有输出。

计算机控制系统教学大纲

计算机控制系统教学大纲课程简介本课程主要针对计算机控制系统方向的学生，旨在介绍计算机控制系统的基本原理、构成、功能和应用等方面的知识，培养学生的系统化思维和解决问题的能力。

课程目标1.了解计算机控制系统的基本原理和应用；2.掌握计算机控制系统的构成、功能及其工作过程；3.能够具备计算机控制系统的调试、维护和管理等实际操作能力；4.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

课程总体安排第一章计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统简介1.2 计算机控制系统的基本构成和功能1.3 计算机控制系统的分类和工作特点第二章模拟量传感器及其检测2.1 模拟量传感器简介2.2 温度传感器2.3 压力传感器2.4 流量传感器第三章数字量传感器及其检测3.1 数字量传感器简介3.2 光电传感器3.3 声电传感器3.4 磁电传感器第四章计算机控制系统中的执行器4.1 计算机控制系统中的电机4.2 计算机控制系统中的液压执行器4.3 计算机控制系统中的气动执行器第五章计算机控制系统的控制器5.1 计算机控制系统的控制器简介5.2 单片机控制器5.3 PLC控制器第六章计算机控制系统的通信6.1 计算机控制系统中的通信协议6.2 计算机控制系统中的网络通信第七章计算机控制系统设计实践7.1 计算机控制系统设计实践概述7.2 计算机控制系统软件设计7.3 计算机控制系统硬件设计评分标准1.准确理解计算机控制系统的基本原理和应用；2.能够准确掌握计算机控制系统的构成和功能；3.能够独立设计计算机控制系统，并能够解决实际问题。

参考教材1.《自动化控制原理》，第七版，韦元宝等著，机械工业出版社；2.《自动化原理与应用》，朱少伟等著，高等教育出版社；3.《自动化控制系统》，第四版，胡寿松等著，清华大学出版社。

教学方式本课程采用课堂讲授、案例展示和实践操作相结合的方式进行教学，通过实际操作提升学生的实际应用能力。

同时，通过课外作业、小组讨论等方式提升学生的合作能力和自主学习能力。

计算机控制系统的分类与典型系统介绍


内存储器(RAM和ROM)
—计算机控制系统—
★接口电路: 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁
★过程输入/输出通道
模拟量输入通道 模拟量输出通道
开关量输入通道
开关量输出通道
★外部设备
输入设备 输出设备 外存储器
★ 操作台
（CRT）显示器或(LED)数码显示器
键盘（功能键和数字键）
2
燕燕山 山大大学学自自动动化化系系
—计算机控制系统—
第一节 Unit 1
计算机控制概述 Introduction of Computer Control System
2020/10/13
第一章 绪 论
3
燕山大学自动化系
本节主要内容
—计算机控制系统—
• 计算机控制系统的一般概念 • 计算机控制系统的组成
24
燕山大学自动化系
—计算机控制系统—
至其它工厂
企业级 经营管理计算机
工厂级 集中控制计算机
至其它工厂
车间级监控计算机（SCC）
车间级监控计算机（SCC）
装置控制级（DDC） 装置控制级（DDC） 装置控制级（DDC） 装置控制级（DDC）
工厂对象A
工厂对象B
工厂对象C
工厂对象D
图 分级计算机控制系统
第一章 绪 论
34
燕山大学自动化系
—计算机控制系统—
SCARA型机器人
2020/10/13
第一章 绪 论
35
燕山大学自动化系
—计算机控制系统—
计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器 人
在功能和技术层次上有了很大提高。到目前为止 ，机器人已进入了第三代：智能化的高级机器人 ，具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系 统，这类机器人目前还处于研究开发阶段；第一 代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器 人，目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都 是这一类；第二代工业机器人具有感受功能，是 具有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别 等功能的工业机器人，

第1章微型计算机控制系统概述


PIO：并行I/O接口
接口电路
SIO：串行I/O接口 中断控制器
DMA
的
操作设备：由显示器、键盘、指示灯等组成
组
成
系统软件：OS、编译诊断程序、监控程序
软件 应用软件：针对过程编写的控制、管理程序
包括输入、控制、输出及显示打印程序
第一章 微型计算机控制系统概述
1.2 微型计算机控制系统的组成
4、检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制，首先必须对各种数据，如 温度、压力、流量、液位、成分等进行采集。为此，必须通过检测元件，即 传感器，把非电量参数转换成电量。此外，为了控制生产过程，还必须有执 行机构。它们的作用就是控制各参数的流入量。
5、通用外部设备
主要为了扩大主机的功能而设置的，是实现微机和外界交换信息的功能的设备。 常规外部设备可分为输入设备，输出设备和存储设备，并根据控制系统的规 模和要求来配置。
第一章 微型计算机控制系统概述
1.1 微型计算机控制系统的结构原理
给定信号
微型计算机 微处理器
D\A转换器
执行机构
被控参数 被控对象
A\D转换器
1、控制过程 图1.3 计算机控制系统基本框图
从本质上看，微型计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下四 点： （1）实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测，并且将采样 结果输入计算机； （2）实时决策：对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后， 按照预先规定的控制规律进行运算，则称为实时决策，或简称决策；
（3）保护重要数据的后备存贮体
Watchdog和掉电保护功能均要有能保存重要数据的存贮体支持， 后备存贮体容量不大，在系统掉电时数据不会丢失，故常采用 NOVRAM，EEPROM或常有后备电池的SRAM，为了保证可靠、安 全，系统存贮器工作期间，后备存贮体应处于上锁状态。

计算机控制系统介绍

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• 多级控制系统（MCS）
在现代生产企业中，不仅需要解决生产过程的在线控 制问题，而且还要求解决生产管理问题，每日生产品种、 数量的计划调度以及月季计划安排，制定长远规划、预 报销售前景等，于是出现了多级控制系统。 DDC级主要用于直接控制生产过程，进行PID或前馈 等控制；SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或 自学习控制计算，并指挥DDC级控制同时向MIS（管理 信息系统）级汇报情况。DDC级通常用微型计算机， SCC和MIS级一般用小型计算机或高档微型计算机。
计算机控制系统
课程安排：
学习方式：课堂学习、课堂讨论、课程实验； 学习内容：课堂知识（课件，网络学堂下载）、
文献调研、习题、实验；
课后习题要求：每章课程学习完成后的下一周，
提交该章的习题作业，要求作业采用手写纸稿；
考试形式：考查，包括参加课堂学习和讨论、课
程实验，提交实验报告。
2
参考书籍
27
DCS在热电厂的应用
电厂管理计算机
厂级
1号机组计算机
2号机组计算机
3号机组计算机
单元 机组级
锅炉 控制
汽轮机 控制
局部 控制
程序 控制
制粉 控制
水处理 功能群 控级 控制
驱动器、 控制器群
执行级
被控过程
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• 现场总线网络控制系统（FCS, fieldbus control system）
FCS为新型网络集成式全分布控制系统，它 将操作站、现场智能仪表以及其它信息资源作为网 络中的节点，将原来封闭、专用的系统变成开放、 标准的系统，从过程控制走向了过程管理。现场总 线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向 传输、多分支结构的通信网络。 现场总线系统具有以下技术特点：①系统开 放；②标准统一，互可操作性与可用性；③全数 字，现场设备的智能化与功能自治性；④系统结 构的高度分散；⑤对现场环境的适应性。
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但因为当时计算机过程通道庞大复杂、价格昂贵， 而且系统的抗干扰性和可靠性较差，许多DDC系统发生 故障。
2.4 计算机控制系统的发展历程
1967年到1975年，随着生产规模的不断扩大，被控对 象的被控参数越来越多，控制回路也越来越复杂，加之 小型机的出现，人们提出了集中计算机控制系统 （integrated control system, ICS），即把几十个甚至几 百个上千个控制回路及过程变量的检测、控制、显示、 操作等控制集中到一台计算机上实现。
（3）计算机监督控制系统（SCC，产生于20世纪60年代）
SCC … …
信息
采集 输入输 生 控制 出通道 产
DDC 设定值
计算机 信息交
换
计
过
输入输 出通道
DDC 计算机
程
算 机
输入通道 信息采集
外围设 备
操作控 制台
图5
这是一个二级计算机控制系统，SCC计算机根据不断变化的
生产、工艺及环境条件等信息，按照生产过程的数学模型，
ICS系统的运行危险高度集中（所有的控制由一台 计算机完成）， 系统运行过程中，潜伏着极大的不安全 风险。
2.4 计算机控制系统的发展历程
1972年开始，微型计算机的出现和发展，推动计算 机控制进入了崭新的发展阶段，到20世纪70年代末， 产生集散计算机控制系统，也称为分布式计算机控制 系统DCS（distributed control system），并逐步取代 模 拟 系 统 而 成 为 主 流 控 制 系 统 ， 20 世 纪 80 年 代 ， 是 DCS大发展时期。 20世纪80年代中后期，出现了将现场控制器和智能 化仪表等现场设备用现场通信总线互连构成的新型分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 —— 现 场 总 线 控 制 系 统 FCS （fieldbus control system ）
操作员
算
图3
机
工作原理：计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实时采
集监控的工艺参数，然后根据预先建立的数学模型和控制算
法进行运算的处理，并通过显示器和打印机输出设定值等结
果，作为操作指导参数，由操作人员根据这些指导参数和实
际工作经验，操作各种常规的控制仪表或装置，对生产过程
中被控对象进行控制。
（2）直接数字控制系统（DDC系统，产生于20世纪60年代初）
2.4 计算机控制系统的发展历程
1962年英国的帝国化学工业集团（ICI）研制了一台 用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制（direct digital control，DDC），可直接测量224个实时变量， 控 制 129 个 阀 门 。 该 系 统 的 出 现 标 志 着 直 接 数 字 控 制 (DDC)系统阶段的开始。1960到1965年，DDC系统在石 油、化工、造纸等领域的应用取得广泛成功，是DDC的 大发展时期。
被控对象：包括生产过程、机械装置、机器人、实验 装置、仪器仪表等。 与被控对象和部件之间的联系：可以是有线方式，如 通过电缆的模拟信号或数字信号进行联系；也可以是 无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进 行联系。 控制目的：可以是使被控对象的状态或运动过程达到 某种要求，也可以是达到某种最优化目标。
（4）综合指标
最优控制设计时，既要考虑到能对系统的性能做出正确
的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实现, 因此，经常使用综合性能指标来评价控制系统性能。
常用的综合性能指标为积分型综合指标：
J t e2 (t)dt 0
（2）
2.4 计算机控制系统的发展历程
计算机控制系统的发展过程，是生产过程对控制系统 的要求不断提高的过程，也是计算机技术不断发展和成 熟的过程，这两个要素在计算机控制系统的发展过程中， 起着根本性的主导和推动作用。 1946年世界第一台数字计算机在美国诞生，起初计算 机主要用于科学计算和数据处理。 1950年，在航空工业领域，出现了以计算机为主要组 成 部 件 的 数 字 微 分 分 析 器 DDA （ digital differential analyser），可以将其看成是计算机用于控制领域的起点。
（2）计算控制系统的主要特点
结构混合：控制器离散，而被控对象一般是连续的； 信号混合：包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。
结构混合的特点决定了计算机控制系统存在两类设计方 法：模拟化设计方法和离散化设计方法。 而信号混合的特点使信号变换和分析问题成为计算机控 制系统的基础理论问题。
（3）计算机控制系统的基本工作原理
操作控 制台
生产过程
输入通道 信息采集
图6
主要特点就是集中，所有的控制回路都由一台计算机完成，
因此具有高度集中的控制结构。由于功能过于集中，计算
机负荷过重，计算机出现的任何故障都会产生非常严重的
后果，所以该系统非常脆弱，安全可靠性得不到保障。
（5）集散控制系统（DCS，产生于20世纪70年代中期）
生 产 过 程 控制
模拟输入通道 数字输入通道 信息采集 计
算
模拟输出通道
机
数字输出通道
外围设备 操作控制台
图4
基本工作原理：计算机首先通过模拟量和数字量输入通道实 时采集生产过程参数，然后各个回路的控制算法计算相应的 控制量，并通过模拟量和数字量输出通道输出到个回路的执 行机构，实现各回路被控对象的控制。
2.5 计算机控制系统的基本类型
从前述计算机控制系统的发展历程中，我们可 以将计算机控制系统按照功能和结构划分为如 下基本类型：
2.5 计算机控制系统的基本类型
（1）操作指导型计算机控制系统OGCS （产生于20世纪50年代）
生 产
模拟输入通道 数字输入通道
信息采集 计
过
显示器
程
控制仪表 人
打印机
2.2 计算机控制系统的基本结构
将类似上述炉温控制系统的各类计算机控制系统抽象化， 可得到计算机控制系统典型结构如图1，重画如下：
图1 计算机控制系统典型结构
2.3 计算机控制系统的性能指标
（1）稳定性 稳定性是指当扰动作用消失后，系统恢复原平衡状态的 能力。稳定性是控制系统最重要的性能指标。 闭环系统极点（特征根）的位置决定了系统的稳定性： 连续系统稳定的充分必要条件是闭环系统的极点位于s平 面的左半平面；离散系统稳定的充分必要条件是闭环系 统的极点位于z平面的单位圆内。
（6）总线控制系统（FCS，产生于20算机
现场总线
控制单元1
传感 执行 器 机构 设备1
控制单元2 传感 执行
器 机构 …… 设备2
生产过程
控制单元n
传感 执行 器 机构 设备n
FCS中用数字信号代替了模拟信号， 大大简化了系统结构，节约了硬件设 备和连接电缆，系统的开放性、互用 性、可靠性等得到提高。
（2）计算控制系统的主要特点
图1 计算机控制系统典型结构 数字信号（时间上离散、幅值上量化）：r(k)-给定输入，y(k)-系统输出，e(k)= r(k)y(k)-偏差信号，u(k)-控制信号； 模拟信号（时间上连续、幅值上连续） ：y(t)-系统输出（被控量），u(t)—控制量； 离散模拟信号（时间上离散，幅值上连续） ： y*(t)，u*(t).
监控计算机
高速数据通道
控制 单元1
控制
…
单元2
第二级为中央处理机，又称 为上位机，完成管理、监控 等功能，实现最优控制。
控制 单元n
第一级为直接控制单元， 也称下位机，它直接控制 被控对象，完成实时控制。
传感 执行 传感 执行 … 器 机构 器 机构
传感 执行 器 机构
设备1
设备2 生产过程
设备n
图7 二级结构模式下的DCS
2.2 计算机控制系统的基本结构
实例：电阻炉炉温计算机控制系统
~220V
计 D/A转换器
触发器
算
机 A/D转换器 变送器 热电偶
双向晶 闸管
R
图2 炉温控制系统结构图
电阻炉
电阻炉温度信号经过热电偶检测后变成电信号（毫伏级），再经过变送器变 成标准信号（0~5V或4~20mA），经A/D转换器采样后变成数字信号，在计 算机中，与给定温度信号进行比较，得到温度偏差信号，经控制器运算得到 数字控制信号，再经D/A转换器将该数字控制信号转换成模拟量，控制触发 器，进而控制双向晶闸管对交流电压进行PWM调制，改变加热电阻两端电 压，并最终达到控制温度的目。
（2）稳态指标
稳态指标是衡量控制系统控制精度的指标，用稳态误差
来表示：
e() y0 y()
（1）
给定值 稳态值
2.3 计算机控制系统的性能指标
（3）动态指标 动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性。 动态指标包括：超调量 % 、调节时间ts 、峰值时间tp、 震荡次数N ，用得最多的是超调量 % 和调节时间ts。
设备1
设备2 图9
设备n
随着嵌入式微处理机技术的发展，嵌入了智能芯片的传感器 和执行机构等现场设备具有网络接口功能，可以作为独立的 节点直接连入网络，加之采样数据和给定或控制信号可以在 网络上传输，构成闭环控制回路。
2.4 计算机控制系统的发展历程
1952年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程参量 并进行数据处理；1955年美国TRW航空公司与美国一个炼 油 厂 合 作 ， 联 合 研 制 TRW-300 计 算 机 控 制 系 统 ， 1959 年 TRW-300计算机控制系统在美国德克萨斯州某一炼油厂的 聚合装置上投运成功。 这个阶段的计算机控制系统属于操作指导型计算机控制系 统OGCS（operation guide control system）——人直接参 与系统的工作过程。
定义：计算机控制系统就是由计算机参与并作为核心环 节的自动控制系统，即应用计算机参与控制并借助一些辅 助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的 系统。 计算机：指各种规模的数字计算机，如从微型到大型的通 用或专用计算机； 控制：使事物按照一定的规律运行(变化)。 辅助部件：主要指输入输出接口、检测装置和执行机构等。