第1章緒論1.1計算機控制系統概述1.2計算機控制系統的組成及分類1.3計算機控制研究的課題與發展趨勢11.1計算機控制系統概述（1）21.1計算機控制系統概述（2）應用：農業、國防、航空航天、導航制導、化工、煉油、冶金、制藥、汽車典型工業過程連續過程（ContimuousProcess）：產品是流體（氣體、液體）。

例如：煉油、海水淡化離散過程（DiscreteProcess）：產品是固體。按件計量。例如：汽車制造批量過程（BatchProcess）：連續、離散間歇交替。例如：制藥31.1計算機控制系統概述（3）概念計算機控制技術：關于將計算機技術應用于工農業生產、國防等行業自動控制的一門綜合性學科與技術。在線（On-line）：聯機，過程和計算機直接相連，受計算機控制。離線（Off-line）：脫機，過程和計算機不直接相連，不受計算機控制，靠人聯系。實時（Real-time）：信息的采集、計算、輸出在一定時間范圍內完成，超出即失去意義。在線不一定實時，實時一定在線!41.1計算機控制系統概述（4）計算機、自動控制理論、控制工程、電子學、自動化儀表、通信技術、網絡技術特點：系統性、綜合性機器四肢計算機大腦傳感與檢測感官通信與網絡神經傳導和信息傳遞51.1計算機控制系統概述（5）替代：以計算機替代了原模擬控制系統的控制器（控制儀表）組成的自動控制系統。核心：升華：基礎平臺、派生出各種技術、各種技術關聯融合問題、課程、學科6控制對象：越來越復雜，控制系統也隨之復雜，出現了多輸入-多輸出多變量系統、非線性系統控制、時變和分布參數控制系統。控制方案：使用常規控制方法和手段實現十分困難。計算機：尤其是微型計算機的出現并應用于自動控制領域，使自動控制水平產生了巨大飛躍。計算機控制系統產生的原因71.1計算機控制系統概述（6）8微電子技術和計算機技術：為計算機控制的發展奠定了堅實的基礎1946年世界上第一臺數字計算機（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator：ENIAC）誕生占地170M2，重量30噸，耗電150KW，18000個電子管，計算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是手工計算的20萬倍。主要用途：彈道計算的數值分析計算機控制技術的發展1.1計算機控制系統概述（7）9世界上第一臺電子計算機ENIAC20世紀50年代的起步期20世紀60年代的試驗期20世紀70年代的推廣期20世紀80年代的成熟期20世紀90年代的進一步發展期計算機控制系統的發展歷程101.1計算機控制系統概述（8）20世紀50年代初，美國首先用計算機來完成對生產過程進行巡檢數據采集和數據處理。1959年美國TRW航空公司和Texaco公司合作成功地在得克薩斯州的一家煉油廠將一臺計算機投入在線控制。該控制系統以綜合指標出發確定了熱水循環系統的最佳參數，同時也揭開了計算機控制的輝煌一頁。1962年英國帝國化工公司制造出一套可以直接取代常規儀表對生產過程直接進行控制的計算機控制系統，開創了直接數字控制的新時期。111.1計算機控制系統概述（9）1971年世界上第一片四位微處理器的出現，微型計算機得以快速發展，特別是1993年Pentium處理器的出現，更使微型計算機在運算速度等諸多方面得以長足發展，同時也使計算機控制得以飛速發展。1975年美國Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系統TDC-2000并投入使用，開創了計算機應用于實際生產過程控制的新紀元。121.1計算機控制系統概述（10）近年來，隨著3C技術和網絡技術的發展，現場總線控制系統和網絡控制系統應運而生。可編程控制器（PLC）的綜合應用已打破了原工業控制的格局，人工智能和物聯網的蓬勃發展和應用，逐漸改變了計算機控制的面貌，并共同融入到計算機控制系統的大門類之中。目前，計算機控制技術正沿著深度和廣度兩方面不斷發展。在廣度方面，向著大系統或系統工程的方向發展，向著管理控制一體化的方向發展。在深度方面，則向著智能化方向發展。131.1計算機控制系統概述（11）1.2計算機控制系統的組成及分類1.2.1計算機控制系統1.2.2計算機控制系統的硬件組成1.2.3計算機控制系統的軟件組成1.2.4計算機控制系統的分類141.2.1計算機控制系統（1）自動控制是在非人工直接參與的前提下，應用自動控制裝置自動地、有目的地控制設備和生產過程，使之具有一定的狀態和性能，完成相應功能，實現預定目標。自動控制系統一般可以分為：開環控制系統閉環控制系統15控制器按照先驗的控制方案對對象或系統進行控制，使被控制對象或系統能按照約定來運動或變化。控制器被控對象被控參數設定值圖1.1開環控制系統框圖1.開環控制系統161.2.1計算機控制系統（2）被控參數控制器被控對象設定值圖1.2閉環控制系統框圖+-2.閉環控制系統增加了一個比較環節和一個來自被控參數的反饋信號。171.2.1計算機控制系統（3）控制器被控對象D/AA/D計算機圖1.3計算機控制系統基本框圖（閉環）+-3.計算機控制系統若用計算機替代系統中的控制器就形成了計算機控制系統181.2.1計算機控制系統（4）計算機控制系統的控制過程計算機控制系統的控制過程可歸納為三個過程：（1）信息的獲取:計算機通過計算機的外部設備獲取被控對象的實時信息和人的指令性信息（2）信息的處理:計算機根據預先編好的程序對從外設獲取的信息進行處理（3）信息的輸出:計算機將最終處理完的信息通過外部設備將這些信號送到控制對象，通過顯示、記錄或打印等操作輸出其處理或獲取信息的情況191.2.1計算機控制系統（5）計算機控制系統中包括了硬件和軟件兩大部分硬件：由計算機主機、接口電路、外部設備組成，是計算機控制系統的基礎。軟件：安裝在計算機主機中的程序和數據，它能夠完成對其接口和外部設備的控制，實現對信息的處理。系統軟件:維持計算機主機工作應用軟件:完成控制而進行信息處理201.2.1計算機控制系統（6）1.2.2計算機控制系統的硬件組成（1）典型硬件主要包括：計算機主機過程通道操作控制臺通信和網絡設備也成為計算機控制系統硬件不可少的一部分。21主機過程通道AIAODIDO操作臺（通訊）控制對象（系統）CPUMEM圖1.4典型的計算機控制系統的硬件組成框圖221.2.2計算機控制系統的硬件組成（2）用于控制的計算機：CPU、存儲器和接口，是整個系統的核心。類型：單片機、PLC、工業PC等。作用數據和程序的存取程序的執行控制外部設備和過程通道中的設備的工作實現對被控對象的控制實現人機對話和網絡通信含CPU設備和網絡設備的控制1.主機231.2.2計算機控制系統的硬件組成（3）根據信號方向和形式，過程控制通道可分為：模擬量輸入通道（AI）完成過程和被控對象送往主機的模擬信號的轉換，使之成為計算機能夠接收的標準數字信號模擬量輸出通道（AO）目前，大多數執行機構仍只能接收模擬信號，而計算機運算決策的最終結果是數字信號。通過模擬量輸出通道完成對數字量轉換為模擬量并保持2.過程通道241.2.2計算機控制系統的硬件組成（4）數字量輸入通道（DI）數字量的輸入通道是把過程和被控對象的開關量或通過傳感器已轉換的數字量以并行或串行的方式轉入計算機數字量輸出通道（DO）數字量輸出通道是將計算機運算、決策之后的數字信號以串行或并行的方式輸出給被控對象或外部設備2.過程通道(續)251.2.2計算機控制系統的硬件組成（5）人機交互的關鍵設備操作人員及時了解被控過程的運行狀態，運行參數對控制系統發出各種控制的操作命令，并且通過操作控制臺還可以修改控制方案和程序操作控制臺一般應包括：信息的顯示信息的記錄工作方式的選擇信息輸入3.操作控制臺261.2.2計算機控制系統的硬件組成（6）27企業信息化的需求也要求生產過程的數據和企業管理信息系統之間進行實時交換。計算機控制系統作為網絡上的一個結點的方案已經被廣泛采納。網絡和通信設備已成為計算機硬件的一個重要部分，這些設備可以完成計算機控制系統的信息交換。4.通信和網絡設備281.2.2計算機控制系統的硬件組成（7）1.2.3計算機控制系統的軟件組成（1）控制系統的功能和性能在很大程度上依賴于軟件水平的高低。軟件：指完成各種功能的計算機程序和數據的總和。系統軟件應用軟件2930系統軟件作用：管理、調度、操作計算機的各種資源，實現對系統監控與診斷，提供各種開發支持的程序。組成：操作系統、監控管理程序、故障診斷程序、各種計算機語言及解釋、編譯工具。供應商提供或專業人員開發，用戶不需自己設計開發。1.2.3計算機控制系統的軟件組成（2）應用軟件自行編譯的各種程序包括：數據采集、數字濾波、標度變換、鍵盤處理、控制算法、輸出與控制等程序。用于應用軟件開發的程序設計語言有：匯編語言、C、C++、Python、Java、MATLAB、Rust和Go等組態軟件：專門用于控制，功能強、使用方便、組態靈活311.2.3計算機控制系統的軟件組成（1）1.2.4計算機控制系統的分類（1）在生產過程中，根據被控對象的特點和控制功能，計算機控制系統有各種各樣的結構和形式按計算機參與的形式：開環和閉環控制系統按采用的控制方案：程序和順序控制、常規控制、高級控制（最優、自適應、預測、非線性等）、智能控制（FUZZY控制、專家系統和神經網絡等）根據控制目標：運動控制系統和過程控制系統根據實時性要求：實時控制系統和非實時控制系統3233根據計算機控制系統的發展歷史和在實際應用中的狀態并參考以往的教材進行分類的。一般分為六大類：（1）操作指導控制系統（2）直接數字控制系統（3）監督控制系統（4）集散控制系統（5）現場總線控制系統（6）計算機集成制造系統1.2.4計算機控制系統的分類（2）1.操作指導控制系統

（OperationGuideControl，OGC）操作指導控制系統是基于生產過程數據直接采集的非在線的閉環控制系統341.2.4計算機控制系統的分類（3）351.2.4計算機控制系統的分類（4）計算機的作用：通過數據輸入通道對生產過程各項參數進行采集，根據工藝和生產的需求進行優化計算，計算出優化的操作條件和參數，利用其輸出設備，將其結果顯示或打印。操作人員的作用：根據計算機提供的結果改變控制器的參數或設定值，實現對生產過程的控制，這屬于計算機離線最優控制的一種形式。應用：復雜的不便由計算機進行直接控制的場合361.2.4計算機控制系統的分類（5）直接數字系統是計算機控制系統最基本形式，也是應用最多的一類計算機控制系統，可以實現在線控制。2.直接數字控制系統

（DirectDigital

Control，DDC）371.2.4計算機控制系統的分類（6）381.2.4計算機控制系統的分類（7）在線實時控制計算機替代模擬調節器（典型）多回路多參數的控制靈活性大可靠性高從常規到先進的控制方式391.2.4計算機控制系統的分類（8）計算機監督控制系統是一種兩級計算機控制系統3.計算機監督控制系統

（SupervisoryComputer

Control，SCC）401.2.4計算機控制系統的分類（9）管理命令報告SCC計算機給定值測量值A/D多路開關檢測元件生產過程管理命令報告SCC計算機給定值測量值A/D多路開關檢測元件生產過程DDCD/A反多路開關........SCC+模擬調節器控制系統原理圖SCC+DCC控制系統原理圖類似計算機操作指導控制系統SCC計算機輸出，直接控制控制器，改變控制的設定值或參數，完成對生產過程的控制。完成生產過程控制的參數優化協調各直接控制回路的工作不直接參與直接的控制安全性可靠性較高集散系統的最初、最基本的模式421.2.4計算機控制系統的分類（10）4.集散控制系統（分布控制系統）

(Distributed

ControlSystem，DCS)設計原則：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協調分級：過程控制級、控制管理級、生產管理級和經營管理級。過程控制級：集散控制系統的基礎，直接控制生產過程，控制器：計算機、PLC、專用數字控制器優點：生產過程控制分別由獨立控制器進行控制，可以分散控制器故障，局部故障不會影響整個系統工作，提高了系統工作可靠性

431.2.4計算機控制系統的分類（11）5.現場總線控制系統

(FieldBusControlSystem，FCS)20世紀90年代興起概念：利用現場總線將各智能現場設備，各級計算機和自動化設備互聯，形成了一個多分支結構和多點通信的通信網絡。特點：生產過程現場的各種儀表、變送器、執行機構和控制器都配有分級處理器，屬智能現場設備。可以直接連接其它的局域網，甚至Internet。可構成不同層次的復雜控制網絡。441.2.4計算機控制系統的分類（12）H1……………H2服務器現場控制器H2H2現場總線自動監督系統操作站局域網···451.2.4計算機控制系統的分類（13）46H1樹型菊花鏈型總線型點對點H1H1H2H2H1H1H1網橋471.2.4計算機控制系統的分類（14）6.計算機集成制造系統(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)20世紀70年代美國的哈靈頓提出的工業生產的全過程集成：包括從設計、工藝、加工制造到產品的檢驗出廠一體化的模式制造集成轉換為信息集成，并融入企業全面管理和市場營銷CIMS是一項龐大的系統工程，實現的是企業物流、資金流和信息流統一。CIMS工程是企業真正走向現代化的方向481.2.4計算機控制系統的分類（15）1.3計算機控制研究的課題與發展趨勢企業管理控制一體化控制的概念也遠遠超出了以往生產設備和生產線的控制計算機控制技術的研究課題豐富而多樣，涵蓋了從基礎理論到實際應用的廣泛領域491.3.1

計算機控制研究的課題（1）計算機控制研究的課題：控制理論計算機控制系統硬件計算機控制系統軟件501.控制理論方面涉及到的課題數字描述和分析方法嚴格地講，在實際處理過程中計算機控制系統是離散系統計算機控制系統有模擬和離散兩種分析方法離散系統的描述通常我們都會用差分方程和Z變換以及離散狀態空間方法來進行分析。511.3.1

計算機控制研究的課題（2）采樣周期的選取模擬系統離散化一個非常關鍵的問題就是計算機控制系統采樣周期的選擇，兩個概念：信號采集的采樣周期計算機控制輸出的控制周期采樣周期滿足SHANNON采樣定理：采樣的最低頻率須大于信號最高變化頻率的兩倍。521.3.1

計算機控制研究的課題（3）控制周期對一般的系統來說，離散系統的控制周期越小，系統的控制質量越好，系統越穩定。但對一些純滯后環節的系統，一般取控制周期等于純滯后時間，這樣可以補償純滯后時間，從而取得較好的控制效果。由于采樣周期和控制周期的差異，在選擇采樣周期時必須綜合上述兩種因素考慮，從系統的整體考慮。531.3.1

計算機控制研究的課題（4）現代控制系統的研究深度強化學習（DRL）自適應控制和魯棒控制神經網絡控制模糊邏輯控制多智能體系統邊緣計算與云計算結合數字孿生技術數據驅動控制混合智能控制541.3.1

計算機控制研究的課題（5）2.應用于控制系統計算機硬件技術的研究典型的標準化機型（1）可編程序控制器（PLC）電子器件替代繼電器，實現過去由硬件完成的邏輯控制PLC增加了許多專用的過程控制模塊和網絡通訊模塊PLC成為計算機控制系統中的主力軍551.3.1

計算機控制研究的課題（6）56（2）可編程序調節器儀表化的微型計算機應用：系統中的單元控制，分散性能很強的系統，獨立的控制系統（3）嵌入式系統微電子技術與超大規模集成技術的發展，以單片機為代表，計算機控制研究的一個重要分支（4）總線型工控機特點：科學化、標準化和模塊化統一標準：總線系統和開放式體系結構；小型化、模板化、組合化和標準化571.3.1

計算機控制研究的課題（7）（5）新型微型控制單元技術：超大規模集成電路和無線通信應用：微型的監測控制單元微型和超微型無線智能傳感器（6）集散控制系統（7）現場總線控制系統(8)物聯網控制系統（InternetofThingsControlSystem，IoTCS）物聯網控制系統：指以物聯網為通信媒介，將控制系統元件進行互聯，使相關控制信息進行安全交互和共享，達到預期控制目標。58