第一章計算機控制概述本章要點

1.了解計算機控制系統的結構2.了解計算機控制系統硬件組成與軟件組成3.初步認識計算機控制系統分類與裝置種類4.初步認識計算機控制系統的特點

5.了解計算機控制系統的的主要研究內容6.了解計算機控制系統的發展

本章主要內容

引言

1.1計算機控制系統的結構與組成

1.2計算機控制系統的分類

1.3計算機控制系統的特點

本章小結

思考題

1.5

計算機控制系統的發展

1.4

計算機控制系統的主要研究內容

引言

計算機控制技術及工程應用--是把計算機技術與自動化控制系統融為一體的一門綜合性學問，是以計算機為核心部件的過程控制系統和運動控制系統。從計算機應用的角度出發，自動化控制工程是其重要的一個應用領域；而從自動化控制工程來看，計算機技術又是一個主要的實現手段。本書立足于工業自動化的領域，討論這種不同于普通計算機的計算機控制系統的結構組成、相關技術及其工程應用。下圖為一個制藥車間的自動化生產流程。

鏈接動畫1.1計算機控制系統的組成主要知識點:1.1.1控制系統概念1.1.2硬件組成1.1.3軟件組成1.1.1控制系統概念計算機控制系統是由常規儀表控制系統演變而來的;常規儀表組成的自動控制系統根據不同的控制要求，一般分成開環控制(圖1-1a所示)

與閉環控制(圖1-1b所示)兩種結構形式;計算機控制系統原理組成—用控制計算機代替圖1-1的控制器，如圖1-1c所示；（1）開環控制系統

開環控制系統--不同于閉環系統，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據給定值驅動執行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環控制系統不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環系統。

uqy控制器執行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(a)開環控制系統（2）閉環控制系統閉環控制系統--閉環控制系統中，測量變送器對被控對象進行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規律產生相應的控制信號驅動執行器工作，執行器產生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現自動控制穩定生產的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進行控制的閉環反饋控制系統。euqy控制器執行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(b)閉環控制系統（3）計算機閉環控制系統原理組成

計算機閉環控制系統的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計算機即微型計算機及A/D（模/數）轉換接口與D/A（數/模）轉換接口代替，由于計算機采用的是數字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/D轉換器將模擬量轉換為數字量作為其輸入信號，以及D/A轉換器將數字量轉換為模擬量作為其輸出信號。

圖1-1(c)計算機控制系統原理圖

（4）計算機控制系統的監控過程步驟a.實時數據采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時值進行采集和輸入；b.實時數據處理--對采集到的被控量進行分析、比較和處理，按一定的控制規律運算，進行控制決策；

c.實時輸出控制--根據控制決策，適時地對執行器發出控制信號，完成監控任務；

“實時”性的概念

所謂“實時”，是指信號的輸入、運算處理和輸出能在一定的時間內完成，即要求控制計算機對輸入信號要以足夠快的速度進行測量與處理，并在一定的時間內反應或產生相應的控制作用。超過這個時間，就會失去控制時機。為了實現上述計算機控制的功能，需要控制計算機在硬件和軟件兩大部分的支持。

1.1.2硬件組成計算機控制系統硬件一般包括：主機--CPU＋RAM＋ROM＋系統總線

常規外部設備--輸入/輸出設備、外存儲器等過程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO操作臺—CRT、LED、LCD

等通信設備—交換機、modem、集線器等圖1-2所示硬件組成框圖

圖1-2計算機控制系統硬件組成框圖

鏈接動畫控制計算機硬件的特點（1）包含過程輸入輸出設備（2）可靠性高和可維護性好，能適應工業控制現場惡劣的運行環境（3）具有高可靠性的實時通信網絡1.1.3軟件組成硬件僅為計算機控制系統的軀體。要使計算機正確地運行解決各種問題，必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它是計算機控制系統的神經中樞，整個系統的動作都是在軟件程序指揮下協調工作的。軟件通常分為系統軟件和應用軟件兩大類；系統軟件一般由計算機廠家提供，專門用來使用和管理計算機本身的程序；應用軟件是用戶針對生產過程要求而編制的各種應用程序。

計算機控制系統的操作系統

在計算機控制系統中，為了滿足實時處理的要求，通常采用實時多任務操作系統。目前控制計算機常用的操作系統主要有UNIX、WINDOWSNT、WINDOWS2000、WINDOWSXP、RMXDOS等具有搶先能力的多任務操作系統，在一些要求不高的場合也有使用WINDOWS98等不具有搶先能力的多任務操作系統，甚至是DOS等單任務系統。在實時多任務操作環境下，要求將應用系統中的各種功能劃成若干任務，并按其重要性賦予不同的優先級，各任務的運行進程及相互間的信息交換由實時多任務操作系統協調控制。

1.2控制系統分類

主要知識點1.2.1按功能及結構分類1.2.2按控制規律分類1.2.3按控制設備分類1.2.1按功能及結構分類

1.數據采集系統（DAS）2.操作指導控制系統(OGC)3.直接數字控制系統（DDC）4.監督計算機控制系統（SCC）5.分散控制系統（DCS）6.現場總線控制系統（FCS）7.以太控制網絡系統1.數據采集系統（DAS）數據采集系統(DataAcquisitionSystem)--是計算機應用于生產過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產過程中被控對象的大量參數經測量變送儀表發送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計算機，由計算機對這些數據進行分析和處理，并按操作要求進行屏幕顯示、制表打印和越限報警。

鏈接動畫2.操作指導控制系統(OGC)操作指導控制系統--是基于數據采集系統的一種開環結構，如圖1-6所示。計算機根據采集到的數據以及工藝要求進行最優化計算，計算出的最優操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據此去改變各個控制器的給定值或操作執行器，以達到操作指導的作用。它相當于模擬儀表控制系統的手動與半自動工作狀態。OGC系統的優點是結構簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個回路。

鏈接動畫3.直接數字控制系統（DDC）DDC系統--是用一臺計算機不僅完成對多個被控參數的數據采集，而且能按一定的控制規律進行實時決策，并通過過程輸出通道發出控制信號，實現對生產過程的閉環控制，為了操作方便，DDC系統還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統中的一臺計算機不僅完全取代了多個模擬調節器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現各種各樣的復雜控制。計算機生產過程顯示打印機報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過圖1-7直接數字控制系統鏈接動畫4.監督計算機控制系統（SCC）監督計算機控制系統即SCC--是OGC系統與常規儀表控制系統或與DDC系統綜合而成的兩級系統，如圖1-8所示。顯然，這屬于計算機在線最優控制的一種形式。當上位機出現故障時，可由下位機獨立完成控制。下位機直接參與生產過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強；而上位機承擔高級控制與管理任務，應配置數據處理能力強，存儲容量大的高檔計算機。鏈接動畫5.分散控制系統（DCS）分散控制系統--是以微處理器為基礎，借助于計算機網絡對生產過程進行集中管理和分散控制的先進計算機控制系統。由于早期開發的分散控制系統在體系結構上具有分散式系統的特征，因此國外將該類系統取名為分散控制系統，國內也有人將其稱為集散型控制系統，或者是分布式控制系統。分散控制系統簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則。它的結構組成如圖7-1所示。鏈接動畫6.現場總線控制系統（FCS）現場總線控制系統即FCS--是新一代分布式控制結構。該系統改進了DCS成本高和由于各廠商的產品通信標準不統一而造成的不能互聯等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現場總線智能儀表的二層結構模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。它的結構組成如圖7-12等所示。每個現場儀表(例如變送器、執行器)都作為一個智能節點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調節、診斷等功能，靠網絡協議把它們連接在一起統籌工作。7.以太控制網絡系統1.2.2按控制規律分類

1.程序和順序控制2.常規連續控制3.最少拍控制

4.先進算法控制5.智能控制1.2.3按控制裝置分類

1.可編程控制器2.可編程調節器3.總線式工控機4.單片微型計算機5.其他控制裝置1.可編程控制器可編程邏輯控制器--簡稱可編程控制器或PLC，是計算機技術與繼電邏輯控制概念相結合的產物，其低端為常規繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業控制計算機。它主要由CPU、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。鏈接動畫可編程控制器（PLC）特點：一種數字運算操作的電子系統,專為工業環

境下應用而設定;采用可編程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出；應用廣泛--不僅在順序程序控制領域中具有優勢，而且在運動控制、過程控制、網絡通信領域方面也毫不遜色；PLC具有系統構成靈活，擴展容易，編程簡單，調試容易，抗干擾能力強；2.可編程調節器可編程調節器--又稱單回路調節器、智能調節器、數字調節器。它主要由微處理單元、過程I／O（輸入/輸出）單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示。鏈接動畫可編程調節器特點：一種儀表化了的微型控制計算機易操作，易編程、方便靈活設計時無需考慮接口、通訊的硬件設計軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態語言具有斷電保護、自診斷功能、通信等功能可以組成多級計算機控制系統，實現各種高級控制和管理

大型分散控制系統中最基層的控制單元適用于連續過程中模擬量信號的控制系統中3.總線式工控機總線式工控機，是基于總線技術和模塊化結構的一種專用于工業控制的通用性計算機，一般稱為工業控制計算機，簡稱為工業控制機或工控機。通常，計算機的生產廠家是按照某個總線標準，設計制造出若干符合總線標準、具有各種功能的各式模板，而控制系統的設計人員則根據不同的生產過程與技術要求，選用相應的功能模板組合成自己所需的計算機控制系統。總線式工控機的外形類似普通計算機，如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標準的工業加固型機架機箱，機箱密封并加正壓送風散熱，機箱內的原普通計算機的大主板變成通用的底板總線插座系統，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業級抗干擾電源和工業級芯片，并配以相應的工業應用軟件。總線式工控機具有小型化、模板化、組合化、標準化的設計特點，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業環境中可靠地運行。因而，它廣泛應用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個回路的中等規模的控制系統中。鏈接動畫4.單片微型計算機

隨著微電子技術與超大規模集成技術的發展，計算機技術的另一個分支──超小型化的單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數器、甚至A/D轉換器、脈寬調制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規模集成電路芯片上，構成了一個完整的具有相當控制功能的微控制器。單片機的應用軟件可以采用面向機器的匯編語言，但這需要較深的計算機軟硬件知識，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結構化語言的發展，其軟件開發環境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機結構的高級語言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，現在的KeilC51、DynamicC等語言。由于單片機具有體積小、功耗低、性能可靠、價格低廉、功能擴展容易、使用方便靈活、易于產品化等諸多優點，特別是強大的面向控制的能力，使它在工業控制、智能儀表、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應用。單片機的應用從4位機開始，歷經8位、16位、32位四種。但在小型測控系統與智能化儀器儀表的應用領域里，8位單片機因其品種多、功能強、價格廉，目前仍然是單片機系列的主流機種。5.其他控制裝置分散控制系統、現場總線控制系統和以太控制網絡系統--最初是以一種控制方案的形式出現的，但很快受到工控市場的極大推崇，因而已經成為國內外自動化廠家爭先推出的三種典型的裝置，已經提及，本節不再贅述。

1.3計算機控制系統的特點（1）數字模擬混合的系統（2）靈活方便、適應性強（3）可實現復雜控制規