第1章计算机实时控制技术绪论课件

计算机实时控制技术计算机实时控制技术 2024/7/12第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 工业控制计算机工业控制计算机第三章第三章 工控机输入输出系统工控机输入输出系统第四章第四章 模拟信号调理与模拟信号调理与ADDA第五章第五章 控制算法控制算法第六章第六章 抗干扰技术抗干扰技术第七章第七章 系统典型功能及实现方法系统典型功能及实现方法第八章第八章 现场总线现场总线第九章第九章 应用实例应用实例2024/7/12 参考文献参考文献1 1、微型计算机控制新技术，曹承志，机工、微型计算机控制新技术，曹承志，机工2 2、工业控制计算机系统、工业控制计算机系统-设计与应用，王常力，电子工业设计与应用，王常力，电子工业3 3、计算机测控系统设计与应用，李正军，机工、计算机测控系统设计与应用，李正军，机工4 4、STDSTD总线工业控制机的设计与应用，魏庆福，科学总线工业控制机的设计与应用，魏庆福，科学5 5、PCPC总线工业控制系统精粹，凌澄，清华出版社总线工业控制系统精粹，凌澄，清华出版社6 6、计算机测控应用技术，胡文金，重庆大学出版社、计算机测控应用技术，胡文金，重庆大学出版社7 7、微机控制新技术，姚燕南，西安交通大学出版社、微机控制新技术，姚燕南，西安交通大学出版社2024/7/12第第1 1章章 绪论绪论1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.2 1.2 计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类1.3 1.3 计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向2024/7/121.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述计算机控制：将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性科学与技术是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华2024/7/12 随着科学发展、技术进步和对控制要求的提高，控制对象越来越复杂，控制系统也随之复杂，出现了多输入-多输出多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统等。对这些系统，使用常规控制方法和手段实现十分困难。电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大飞跃。1.1.计算机控制系统产生的原因计算机控制系统产生的原因2024/7/12 微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。1946年世界上第一台由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICA诞生后，人们就试图将这种运算速度快，能存储又能进行算术和逻辑计算的机器应用于自动控制系统中。然而这种昂贵的运算机器在作为控制器来说是大材小用，于是希望用这种计算机来完成多回路的数据采集与控制，而当时计算机的可靠性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠性。2.2.计算机控制技术的发展计算机控制技术的发展2024/7/12世界上第一台电子计算机ENIAC2024/7/12时间：时间：1946年年2月月15日日地点：地点：美国宾夕法尼亚大学莫尔学院美国宾夕法尼亚大学莫尔学院主要人物和单位：主要人物和单位：维纳，约翰维纳，约翰莫克利，冯莫克利，冯诺依曼诺依曼 美国陆军弹道研究所，阿伯丁弹道实验室美国陆军弹道研究所，阿伯丁弹道实验室 计算机名称：计算机名称：ENIAC (电子数字积分计算器电子数字积分计算器)Electronic Numerical Integrator and Calculator运算速度：运算速度：5000次加法次加法/秒秒，3/1000秒时间内做完秒时间内做完两个两个10位数乘法位数乘法主要用途：主要用途：弹道计算的数值分析弹道计算的数值分析 主要指标：主要指标：占地占地170M2/重量重量30吨吨/耗电耗电140KW 18000个电子管个电子管/7000个电阻个电阻/6000个开关个开关 10000个电容个电容/50万条线万条线/45万美元万美元2024/7/122020世世纪纪5050年年代代，美美国国首首先先用用计计算算机机来来完完成成对对生生产产过过程进行巡检数据采集和数据处理。程进行巡检数据采集和数据处理。19591959年年美美国国TRWTRW航航空空公公司司和和TexacoTexaco公公司司合合作作成成功功地地在在得得克克萨萨斯斯州州的的一一家家炼炼油油厂厂将将一一台台计计算算机机投投入入在在线线控控制制。该该控控制制系系统统以以综综合合指指标标出出发发确确定定了了热热水水循循环环系系统统的的最最佳佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。2020世世纪纪6060年年代代计计算算机机控控制制系系统统已已成成功功的的应应用用于于化化工工、钢钢铁铁和和电电力力等等不不同同的的领领域域，但但这这些些系系统统还还都都是是以以数数据据的的采集和处理为主。采集和处理为主。19621962年年英英国国帝帝国国化化工工公公司司制制造造出出一一套套可可以以直直接接取取代代常常规规仪仪表表对对生生产产过过程程直直接接进进行行控控制制的的计计算算机机控控制制系系统统，开创了开创了直接数字控制直接数字控制的新时期。的新时期。2024/7/12 19711971世世界界上上第第一一片片四四位位微微处处理理器器出出现现，微微型型计计算算机机得得以以快快速速发发展展，19931993年年PentiumPentium处处理理器器的的出出现现更更使使微微型型计计算算机机在在运运算算速速度度等等诸诸多多方方面面得得以以长长足足发发展展，同时也使计算机控制得以飞速发展同时也使计算机控制得以飞速发展 微微处处理理器器和和微微型型计计算算机机的的诞诞生生与与发发展为实现分散控制创造了良好的条件展为实现分散控制创造了良好的条件2024/7/12 19751975年年美美国国HoneywellHoneywell公公司司研研制制成成功功世世界界上上第第一一套套集集散散型型控控制制系系统统TDC-2000TDC-2000并并投投入入使使用用，开开创创了了计计算算机机应应用用于于实实际际生生产产过过程程控控制制的的新新纪纪元元。随随后后一一直直到到8080年年代代末末，集集散散控控制制系系统统迅迅速速发发展展，有有几几万万套套集集散散系系统统投投入入运运行行，不不但但得得到到使使用用者者的的高高度度评评价价同同时时也也为为制制造造商和使用企业带来了巨大的经济效益商和使用企业带来了巨大的经济效益 随随着着3C3C技技术术和和网网络络技技术术的的发发展展，现现场场总总线线控控制制系系统统和和网网络络控控制制系系统统应应运运而而生生。可可编编程程控控制制器器（PLCPLC）的的综综合合应应用用已已打打破破了了原原工工业业控控制制的的格格局局，并并共共同同融融入入到计算机控制系统的大门类之中到计算机控制系统的大门类之中 2024/7/1250年代的起步期60 年代的试验期70年代以来的推广期80年代的成熟期90年代后进一步发展期计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展过程2024/7/121.2 1.2 计算机控制系统的组成及分类计算机控制系统的组成及分类1.2.1 1.2.1 计算机控制系统计算机控制系统1.2.2 1.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成1.2.3 1.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成1.2.4 1.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类2024/7/121.2.11.2.1计算机控制系统计算机控制系统 自自动动控控制制是是在在非非人人工工直直接接参参与与的的前前提提下下，应应用用自自动动控控制制装装置置自自动动地地、有有目目的的地地控控制制设设备备和和生生产产过过程程，使使他他们们具具有有一一定定的的状状态态和性能，完成相应功能，实现预定目标和性能，完成相应功能，实现预定目标 自自动动控控制制系系统统一一般般可可以以分分为为：开开环环控控制系统制系统和和闭环控制系统闭环控制系统两大类。两大类。2024/7/12 开开环环控控制制系系统统是是指指控控制制器器按按照照先先验验的的控控制制方方案案对对对对象象或或系系统统进进行行控控制制，使使被被控制对象或系统能按照约定来运动或变化控制对象或系统能按照约定来运动或变化控制器被控对象被控参数设定值开环控制系统框图1.1.开环控制系统开环控制系统2024/7/12被控参数控制器被控对象设定值闭环控制系统框图+-2 2 闭环控制系统闭环控制系统 闭闭环环控控制制系系统统与与开开环环控控制制系系统统相相比比增增加加了了一一个个来来自自被被控控参参数数的的反反馈馈信信号号和和一一个个比较环节比较环节2024/7/12控制器对象D/AA/D计算机计算机计算机控制系统基本框图（闭环）计算机控制系统基本框图（闭环）+-3 3 计算机控制系统计算机控制系统 在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节 用用计算机计算机实现系统中的实现系统中的控制器控制器就形成了就形成了计算机控制系统计算机控制系统 由由于于计计算算机机处处理理的的是是数数字字信信号号，而而现现场场的的信信号号都都是是模模拟拟信信号号，计计算算机机要要替替代代原原模模拟拟调调节节器器必必须须完完成成模模拟拟量量到到数数字字量量的的转换（转换（A/DA/D）和数字量到模拟量的转换（）和数字量到模拟量的转换（D/AD/A）2024/7/12计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程：计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程：（1 1）信息的获取）信息的获取 计算机通过计算机的外部设备获取被控对象的计算机通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息实时信息和人的指令性信息（2 2）信息的处理）信息的处理 计算机根据预先编好的程序对从外设获取的信计算机根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理息进行处理（3 3）信息的输出）信息的输出 计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况作输出其处理或获取信息的情况2024/7/12 在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分 硬硬件件是是由由计计算算机机主主机机、接接口口电电路路、外外部部设设备备组组成，是计算机控制系统的基础成，是计算机控制系统的基础 软软件件是是安安装装在在计计算算机机主主机机中中的的程程序序，它它能能够够完完成成对对其其接接口口和和外外部部设设备备的的控控制制，完完成成对对信信息息的的处处理理，它它包包含含有有维维持持计计算算机机主主机机工工作作的的系系统统软软件件和和为为完完成成控控制制而而进进行行信信息息处处理理的的应应用用软软件件的的两两大大部部分分，软软件件是计算机控制系统的关键是计算机控制系统的关键1.2.2 1.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成2024/7/12 典典型型的的计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件主主要要包包括括：计计算算机机主主机机、过过程程控控制制通通道道、操操作作控制台控制台和常用的和常用的外设外设。随随着着计计算算机机网网络络技技术术的的快快速速发发展展，网网络络设设备备也也成成为为计计算算机机控控制制系系统统硬硬件件不不可可少的一部分。少的一部分。2024/7/12主机过程控制通道A/DD/AD/ID/O操作台（通讯）控制对象（系统）CPUMEM 典型的计算机控制系统的硬件组成框图典型的计算机控制系统的硬件组成框图2024/7/12 主主机机是是指指用用于于控控制制的的计计算算机机，它它主主要要由由CPUCPU、存存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。目前使用的主机有：单片机、目前使用的主机有：单片机、PLCPLC、工业、工业PCPC等。等。主主要要完完成成数数据据和和程程序序的的存存取取、程程序序的的执执行行、控控制制外外部部设设备备和和过过程程通通道道中中的的设设备备的的工工作作，实实现现对对被被控控对对象的控制，实现人机对话和网络通信象的控制，实现人机对话和网络通信 由由于于CPUCPU技技术术的的发发展展和和广广泛泛应应用用及及网网络络技技术术的的发发展展和和广广泛泛应应用用，主主机机还还要要完完成成对对一一些些含含CPUCPU设设备备和和网网络络设备的控制设备的控制1.1.主机主机2024/7/12 过过程程控控制制通通道道是是被被控控对对象象与与主主机机进进行行信信息息交交换换的的通通道道，根根据据信信号号方方向向和和形形式式，过过程程控控制制通通道道可分为：可分为：（1 1）模拟量输入通道（）模拟量输入通道（AIAI）完完成成过过程程和和被被控控对对象象送送往往主主机机的的模模拟拟信信号号的的转转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号（2 2）模拟量输出通道（）模拟量输出通道（AOAO）大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成数字量转换为模拟量并保持输出通道完成数字量转换为模拟量并保持2.2.过程控制通道过程控制通道2024/7/12（3 3）数字量输入通道（）数字量输入通道（DIDI）数数字字量量的的输输入入通通道道是是把把过过程程和和被被控控对对象象的的开开关关量量或或通通过过传传感感器器已已转转换换的的数数字字量量以以并并行行或或串串行行的的方式转入计算机方式转入计算机（4 4）数字量输出通道（）数字量输出通道（DODO）数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备外部设备2.2.过程控制通道过程控制通道(续续)2024/7/12 操操作作控控制制台台是是计计算算机机控控制制系系统统人人机机交交互互的的关关键键设设备备，通通过过操操作作控控制制台台，操操作作人人员员可可以以及及时时了了解解被被控控过过程程的的运运行行状状态态，运运行行参参数数；对对控控制制系系统统发发出出各各种种控控制制的的操操作作命命令令，并并且且通通过过操操作作控控制制台台还可以修改控制方案和程序。还可以修改控制方案和程序。操作控制台一般应包括：操作控制台一般应包括：（1 1）信息的显示）信息的显示 （2 2）信息的记录）信息的记录 （3 3）工作方式状态的选择）工作方式状态的选择 （4 4）信息输入）信息输入3.3.操作控制台操作控制台2024/7/122024/7/12 企企业业信信息息化化的的需需求求要要求求生生产产过过程程的的数数据据能能够够实实时时的上传到企业信息管理系统。的上传到企业信息管理系统。计计算算机机控控制制系系统统作作为为网网络络上上的的一一个个结结点点的的方方案案已经被广泛采纳。已经被广泛采纳。通通讯讯设设备备已已成成为为计计算算机机硬硬件件的的一一个个重重要要部部分分，这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。4.4.通讯设备通讯设备2024/7/121.2.3 1.2.3 计算机控制系统的软件组成计算机控制系统的软件组成 计计算算机机控控制制系系统统除除了了硬硬件件之之外外，还还必必须须有有软软件件。控控制制系系统统的的功功能能和和性性能能在在很很大大程程度上依赖于软件水平的高低。度上依赖于软件水平的高低。所所谓谓软软件件是是指指完完成成各各种种功功能能的的计计算算机机程程序序的的总总和和，它它分分为为系系统统软软件件和和应应用用软软件件两两大部分。大部分。2024/7/12系统软件系统软件 系系统统软软件件是是维维持持计计算算机机运运行行操操作作的的基基础础，是是用用于于管管理理、调调度度、操操作作计计算算机机的的各各种种资资源源，实实现现对对系系统统监监控控与与诊诊断断，提提供供各各种种开开发发支支持持的程序。的程序。系系统统软软件件包包括括：操操作作系系统统、监监控控管管理理程程序序、故故障障诊诊断断程程序序、各各种种计计算算机机语语言言及及解解释释、编译工具。编译工具。系系统统软软件件一一般般由由供供应应商商提提供供或或专专业业人人员员开发，用户不需自己设计开发。开发，用户不需自己设计开发。2024/7/12应用软件应用软件 应应用用软软件件根根据据控控制制对对象象、控控制制要要求求，为为实实现现高高效效、可可靠靠、灵灵活活的的控控制制而而自自行行编编译译的的各各种种程程序序。包包括括：数数据据采采集集、数数字字滤滤波波、标标度度变变换换、键键盘盘处处理理、控控制制算算法法、输出与控制等程序。输出与控制等程序。用用于于应应用用软软件件开开发发的的程程序序设设计计语语言言有有：汇汇编编、C#C#、C+C+、VBVB、VCVC、DelphiDelphi、PBPB等等。目目前前也也有有一一些些专专门门用用于于控控制制的的组组态态软软件件，这这些些软软件件功功能能强强，使使用用方方便便，组态灵活，具有很好的应用前景。组态灵活，具有很好的应用前景。2024/7/12计算机控制系统的组成示意图计算机控制系统的组成示意图软件部分软件部分计算机控制系统计算机控制系统 硬件部分硬件部分控制计算机控制计算机主机、外设、系统总线主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道生产过程输入输出通道人机联系设备、通信设备人机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等）现场仪表（测量传感器、执行机构等）操作系统操作系统 汇编或高级语言、过程控制语言汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等通信网络软件、诊断程序等 系统软件系统软件 应用软件应用软件 过程输入过程输入/输出程序、过程控制程序输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序各种公共子程序 历史数据库、实时数据库历史数据库、实时数据库2024/7/121.2.4 1.2.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类 在在生生产产过过程程中中，根根据据被被控控对对象象的的特特点点和和控控制制功功能能，计计算算机机控控制制系系统统有有各各种种各各样样的的结结构构和和形式形式 按按计计算算机机参参与与的的形形式式，可可以以分分为为开开环环和和闭闭环控制系统；环控制系统；按按采采用用的的控控制制方方案案，又又分分为为程程序序和和顺顺序序控控制制、常常规规控控制制、高高级级控控制制（最最优优、自自适适应应、预预测测、非非线线性性等等）、智智能能控控制制（FUZZYFUZZY控控制制、专专家系统和神经网络等）。家系统和神经网络等）。2024/7/12 计计算算机机控控制制系系统统的的分分类类不不是是严严格格的的按按照照其其结结构或者功能进行分类的。构或者功能进行分类的。常常根根据据计计算算机机控控制制系系统统的的发发展展历历史史和和在在实实际际应用中的状态进行分类应用中的状态进行分类。一一般般分分为为六六大大类类：操操作作指指导导控控制制系系统统、直直接接数数字字控控制制系系统统、监监督督控控制制系系统统、集集散散控控制制系系统统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。2024/7/12操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非在线非在线的闭环控制系统的闭环控制系统计算机数据采集输出设备人人人人控制器生产过程1.1.操作指导系统（操作指导系统（Operation Guide ControlOperation Guide Control）2024/7/122024/7/12 计计算算机机通通过过数数据据输输入入通通道道对对生生产产过过程程各各项项参参数数进进行行采采集集，根根据据工工艺艺和和生生产产的的需需求求进进行行优优化化计计算算，计计算算出出优优化化的的操操作作条条件件和和参参数数，利利用用其其输输出出设备设备，将其结果显示或打印。，将其结果显示或打印。操操作作人人员员根根据据计计算算机机提提供供的的结结果果改改变变控控制制器器的的参参数数或或设设定定值值，实实现现对对生生产产过过程程的的控控制制，这这属属于于计算机离线最优控制计算机离线最优控制的一种形式。的一种形式。该该系系统统结结构构简简单单、控控制制安安全全、灵灵活活，由由于于人人的的介介入入使使该该系系统统可可以以应应用用于于一一些些复复杂杂的的不不便便由由计计算机进行直接控制的场合。算机进行直接控制的场合。2024/7/12直直接接数数字字系系统统是是计计算算机机控控制制系系统统最最基基本本形形式式，也也是是应应用用最最多多的的一一类类计计算算机机控控制制系系统统，可可以以实实现现在在线控制。线控制。操作台级处理设备 计算机 过程控制通道 生产过程2.2.直接数字控制系统（直接数字控制系统（Direct DigitalDirect Digital ControlControl）2024/7/122024/7/12 这这类类控控制制系系统统是是计计算算机机通通过过过过程程控控制制通通道道对工业生产过程进行对工业生产过程进行在线实时控制在线实时控制。该该系系统统是是典典型型的的计计算算机机替替代代模模拟拟调调节节器器，可可实实现现对对多多回回路路多多参参数数的的控控制制，系系统统是是灵灵活活性性大大、可可靠靠性性高高，能能实实现现各各种种从从常常规规到到先进的控制方式。先进的控制方式。2024/7/12计算机监督控制系统是一种两级计算机控制系统计算机监督控制系统是一种两级计算机控制系统SCC计算机输入通道输出通道数字（或模拟）控制器生产过程计算机监督控制系统3.3.计算机监督控制系统计算机监督控制系统（Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）2024/7/12管理命令报告SCC计算机给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告SCC计算机给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.SCC+模拟调模拟调节器控节器控制系统制系统原理图原理图 SCC +DCC控制控制系统系统原理原理图图 2024/7/12 该该类类系系统统类类似似计计算算机机操操作作指指导导控控制制系系统统。它它的的区区别别是是SCCSCC计计算算机机输输出出不不通通过过人人去去改改变变，而而直直接接控控制制控控制制器器，改改变变控控制制的的设设定定值值或或参参数数，完完成成对对生产过程的控制。生产过程的控制。SCCSCC计计算算机机可可以以利利用用有有效效的的资资源源去去完完成成生生产产过过程程控控制制的的参参数数优优化化，协协调调各各直直接接控控制制回回路路的的工工作作，而而不不直直接接参参与与直直接接的的控控制制，所所以以计计算算机机监监督督控控制制系系统统是是安安全全性性可可靠靠性性较较高高的的一一类类计计算算机机控控制制系系统统，同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式同时又是计算机集散系统的最初、最基本的模式。2024/7/124.4.集散控制系统集散控制系统(Distributed Control System)(Distributed Control System)集集散散控控制制系系统统又又称称分分布布控控制制系系统统。该该系系统统采采用用分分散散控控制制、集集中中操操作作、分分级级管管理理、分分而而自自治治、综综合合协协调调形形成成具具有有层层次次化化体体系系结结构构的的分分级级分分布布式式控控制制，一一般般分分为为四四级级：过过程程控控制制级级、控控制制管管理理级级、生产管理级和经营管理级。生产管理级和经营管理级。过过程程控控制制级级是是集集散散控控制制的的基基础础，直直接接控控制制生生产产过过程程，在在这这级级参参与与直直接接控控制制的的可可以以是是计计算算机机也也可可以以是是PLCPLC或或专专用用数数字字控控制制器器，完完成成对对现现场场设设备备直直接接监监测测和和控控制制，由由于于生生产产过过程程控控制制分分别别由由独独立立控控制制器器进进行行控控制制，可可以以分分散散控控制制器器故故障障，局局部部故故障障不会影响整个系统工作，提高了系统工作可靠性不会影响整个系统工作，提高了系统工作可靠性 2024/7/12DCSDCS的层次结构的层次结构2024/7/12集散系统组成框图2024/7/125.5.现场总线控制系统现场总线控制系统(Field Bus Control System)(Field Bus Control System)现现场场总总线线控控制制系系统统是是2020世世纪纪9090年年代代兴兴起起的的新新型型计计算算机机控控制制系系统统，已已广广泛泛应应用用在在工工业业生生产产过过程程自自动动化化领领域域，现现场场总总线线控控制制系系统统利利用用现现场场总总线线将将各各智智能能现现场场设设备备，各各级级计计算算机机和和自自动动化化设设备备互互联联，形形成成了了一一个个数数字字式式全全分分散散双双向向串串行行传传输输，多多分分支支结构和多点通信的通信网络。结构和多点通信的通信网络。在在现现场场总总线线控控制制系系统统中中，生生产产过过程程现现场场的的各各种种仪仪表表、变变送送器器、执执行行机机构构控控制制器器都都配配有有分分级级处处理理器器，属属智智能能现现场场设设备备。现现场场总总线线可可以以直直接接连连接接其其它它的的局局域域网网，甚甚至至InternetInternet。可可构构成成不不同同层层次次的的复复杂杂控控制制网网络络，它它已已经经成成为为今今后后工工业业控控制制体体系系结构发展的方向之一结构发展的方向之一2024/7/12H1 H2 服务器现场控制器H2 H2现场总线自动监督系统操作站局域网 现场总线控制系统现场总线控制系统2024/7/12H1树型树型菊花链型菊花链型总线型总线型点对点点对点H1H1H2H2H1H1H1网桥网桥2024/7/126.计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)计计算算机机集集成成制制造造的的概概念念是是在在2020世世纪纪7070年年代代美美国国的的哈哈灵灵顿顿提提出出的的。计计算算机机集集成成制制造造是是将将工工业业生生产产的的全全过过程程集集成成由由计计算算机机网网络络和和系系统统在在统统一一模模式式进进行行，包包括括从从设设计计、工工艺艺、加工制造到产品的检验出厂一体化的模式加工制造到产品的检验出厂一体化的模式 随随着着现现代代市市场场需需求求和和企企业业模模式式现现代代化化，计计算算机机集集成成制制造造已已将将制制造造集集成成转转换换为为信信息息集集成成，并并融融入入企企业业全全面面管管理理和和市场营销市场营销 CIMSCIMS是是一一项项庞庞大大的的系系统统工工程程，需需要要有有许许多多基基础础的的应应用用平平台台支支持持，实实现现的的是是企企业业物物流流、资资金金流流和和信信息息流流统统一一。由由于于涉涉及及面面广广，应应用用存存在在困困难难较较多多，许许多多CIMSCIMS工工程程在在规规划划实实施中都提出了整体规划分步实施策略。施中都提出了整体规划分步实施策略。尽尽管管目目前前CIMSCIMS工工程程在在企企业业的的推推广广存存在在许许多多困困难难，但但是是它确实是企业真正走向现代化的方向它确实是企业真正走向现代化的方向2024/7/12CIMSCIMS组成框图组成框图2024/7/12计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销,财务财务,计划计划,管理等管理等第三层：生产调度，系统优化第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化第一层：单元自动化,简单控制简单控制生生 产产 过过 程程 流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图2024/7/121.3 1.3 计算机控制研究的课题与发展方向计算机控制研究的课题与发展方向 计计算算机机控控制制系系统统中中的的计计算算机机不不是是简简单单地地取取代代了了一一般般控控制制系系统统的的控控制制器器，由由于于计计算算机机和和网网络络技技术术的的飞飞速速发发展展同同时时也也带带动动自自动动控控制制技技术术的的发发展展。网网络络技技术术的的发发展展促促进进了了企企业业管管理理、控控制制一一体体化化的的进进程程，控控制制的的概概念念也也远远远远超出了以往生产设备和生产线的控制。超出了以往生产设备和生产线的控制。2024/7/121.3.1 计算机控制研究的课题 计计算算机机控控制制研研究究的的课课题题主主要要是是控控制制理理论论和和控控制制理理论论在在工工程程中中的的应应用用与与实实现现两两个个方方面面，在在工工程程的的实实现现又又反反映映出出硬硬件件系系统统的的结构和软件的实现两大类结构和软件的实现两大类2024/7/121.1.控制理论方面涉及到的课题控制理论方面涉及到的课题（1 1）数字描述和分析方法）数字描述和分析方法 计计算算机机控控制制系系统统的的外外特特性性应应该该同同模模拟拟系系统统是是一一样样的的，但但严严格格地地讲讲，在在实实际际处处理理过过程程中中计计算算机机控控制制系系统统是是离离散散系系统统，所所以以计计算算机机控控制制系系统统的的设设计计和和分分析析多多年年来来一一直直存存在在模模拟拟和和离离散散两两种分析方法。种分析方法。离离散散系系统统的的描描述述通通常常我我们们都都会会用用差差分分方方程程和和Z Z变换变换以及以及离散状态空间方法离散状态空间方法来进行分析。来进行分析。2024/7/12（2 2）采样周期的选取采样周期的选取模拟系统离散化一个非常关键的问题就是计算机控制系统的采样周期的选择。严格地讲计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期和计算机控制算出的控制周期;信号采样将模拟信号采样为离散信号，采样周期越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度，过小的采样周期，计算机很难胜任，为了保证采样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信号采集的采样周期选取就满足SHANNON采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍。2024/7/12（3 3）现代控制系统的研究）现代控制系统的研究由于计算机技术的发展使现代控制理论的许多设想可以实现。智能控制、模糊控制、人工神经元等近代控制方法的研究也变得越来越热门。计算机CPU技术的发展和并行处理可以大大提高计算机的运算速度，使复杂运算应用于实时控制变为可能。2024/7/122.2.应用于控制系统计算机硬件技术的研究应用于控制系统计算机硬件技术的研究随着计算机控制逐渐取代常规的模拟控制系统的进展，计算机硬件技术的发展也是研究的重要课题。为了适应不同行业、不同工艺设备需求，计算机制造厂家已研究出多种典型的标准化机型。（1）可编程序控制器（PLC）可编程序控制器也称为可编程序逻辑控制器，原来是利用电子器件替代继电器，实现过去由硬件完成的逻辑控制，随着计算机控制系统的发展，PLC改变了以往主要用于开关量逻辑控制的用途，许多专用的过程控制模块和网络通讯模块已经结合PLC成为计算机控制系统中的主力军。2024/7/122024/7/12（2 2）可编程序调节器）可编程序调节器可可编编程程序序调调节节器器实实际际上上是是一一台台仪仪表表化化的的微微型型计计算算机机，它它可可以以广广泛泛地地应应用用于于计计算算机机控控制制系系统统中中的的单单元元控控制制，尤尤其其是是一一些些分分散散性性能能很很强强的的系系统统或或一一些些独独立立的的控控制制系系统统采采用用可可编编程程调调节节器器也也是是一一种种很很好好的的选选择择，可可编编程程调调节节器器的的研研究究也也随随着着计计算算机机控控制制系系统统研研究的发展而快速发展。究的发展而快速发展。（3 3）单片微型计算机的应用研究）单片微型计算机的应用研究随随着着微微电电子子技技术术与与超超大大规规模模集集成成技技术术的的发发展展单单片片机机在在控控制制系系统统的的应应用用也也越越来来越越广广泛泛，并并被被作作为为计计算算机机控控制制研研究究的的一一个个分分支支。由由于于系系统统与与设设备备的的智智能能化化需需求求，嵌嵌入入式式系系统统的的研研究究已已成成为为当当今今计计算算机机控控制制系统研究的重要课题。系统研究的重要课题。2024/7/12（4 4）总线式工控机的研究）总线式工控机的研究随着计算机设计日益科学化、标准化和模块化，一种总线系统和开放式体系结构的概念应运而生。按照统一标准总线计算机生产厂可以开发设计出若干有特定功能的模板以满足不同用户需求。研究开发更小型化、模板化、组合化和标准化的总线式工控机也是今后计算机控制系统硬件方面研究的课题。（5）新型微型控制单元的研究伴随超大规模集成电路的发展和无线通信的进一步开拓和普及应用，研究一种微型的监测控制单元，已经进入到了可行性阶段。微型和超微型无线智能传感器已进入了实用阶段。该控制单元的研究和开发，又使人类对自然的控制能力大大加强。2024/7/123.3.计算机控制系统软件的研究与开发计算机控制系统软件的研究与开发软软件件是是计计算算机机的的灵灵魂魂，伴伴随随着着硬硬件件技技术术课课题题的的研研究究，计计算算机机控控制制系系统统软软件件的的研研究究也也从从未未放放松过。松过。新新型型的的系系统统设设计计、仿仿真真软软件件越越来来越越得得到到控控制制工工程程师师的的青青睐睐，嵌嵌入入式式系系统统的的大大量量应应用用又又为为嵌嵌入式操作系统入式操作系统的研究带来了大量的课题。的研究带来了大量的课题。随随着着计计算算机机控控制制系系统统的的普普及及应应用用，计计算算机机控控制制系系统统的的应应用用软软件件的的研研究究和和开开发发带带给给用用户户的的是是一种更开放、更简单易操作的应用系统。一种更开放、更简单易操作的应用系统。2024/7/121.3.2 1.3.2 计算机控制系统的发展方向计算机控制系统的发展方向 计算机控制系统的未来的发展主要从深度和广度两个方面发展。更小型化，超大容量，高速稳定的计算机应用，使复杂控制系统和大系统的控制能够有效得以实现。现代控制和近代控制理论，将会越来越多应用于实际的控制工程中去。现代管理技术同计算机、网络技术的发展，使计算机控制同生产、企业管理融为一体，自动化程度大大提高。2024/7/12 在广度方面，向大系统或系统工程的方向发展，向管理控制一体化的方向发展。从单一过程、单一对象的局部控制，发展到对整个工厂、整个企业，甚至对社会经济、国土利用、生态平衡、环境保护等大规模复杂对象和系统进行综合控制。在深度方面，则向高速度、智能化方向发展，人们逐步地引入了自适应、自学习等控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉和触觉，能够自动地识别图像、文字、语言，根据感知信息进行推理分析、直观判断、自学习、自行解决故障和问题。计算机在控制系统中的应用，不但带动了计算机技术的发展，同时也推动了自动控制理论和工程的发展。2024/7/12