第1章 計算機控制系統(tǒng)概論【2學時】

第1章計算機控制系統(tǒng)概論1.1計算機控制系統(tǒng)的定義1.2計算機控制系統(tǒng)的組成與工作原理及方式1.3計算機控制系統(tǒng)的分類1.4計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概括與發(fā)展趨勢總學時：2學時1.1計算機控制系統(tǒng)的定義計算機控制系統(tǒng)（ComputerControlSystem，簡稱CCS）就是以計算機為中心，同時借助一些輔助部件，對被控對象進行控制的系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)指的是采用了數(shù)字控制器的自動控制系統(tǒng)。以自動控制技術、計算機技術、檢測技術、計算機通信與網(wǎng)絡技術為基礎，利用計算機快速強大的數(shù)值計算、邏輯等信息加工能力，使得計算機控制系統(tǒng)除了實現(xiàn)常規(guī)控制策略之外，還可以實現(xiàn)復雜控制策略和其他輔助功能。圖1-1典型計算機控制系統(tǒng)基本結構框圖一、組成

計算機控制系統(tǒng)由控制計算機和生產(chǎn)過程兩大部分組成。1.2

計算機控制系統(tǒng)的組成與工作原理1、系統(tǒng)硬件

計算機控制系統(tǒng)的硬件主要由主機、外圍設備、過程輸入/輸出通道和生產(chǎn)過程組成。2、系統(tǒng)軟件

(1)系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。

(2)應用軟件：實現(xiàn)各種應用功能的專用程序。二、工作原理及方式

1、工作原理

計算機控制過程的4個工作步驟：

(1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控參數(shù)的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。

(2)實時控制決策：對采集到的被控參數(shù)進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。

(3)實時控制輸出：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。

(4)實時管理：根據(jù)采集到的被控參數(shù)和設備的狀態(tài)，對系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)督與管理。2、工作方式

(1)在線方式和離線方式：

(2)實時：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成。

一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)是一個實時控制系統(tǒng)。一、按照控制方式分類：可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。

二、按照控制規(guī)律分類：可分為程序和順序控制、PID控制、有限拍控制、復雜規(guī)律控制、智能控制等。

三、按照系統(tǒng)的功能、工作特點分類：操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等。1.3

計算機控制系統(tǒng)的分類1、操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制（OperationalGuidanceControl，OGC）系統(tǒng)指計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象，而只是對系統(tǒng)過程參數(shù)進行收集、加工處理、然后輸出數(shù)據(jù)。也稱為計算機數(shù)據(jù)采集與檢測系統(tǒng)。2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）系統(tǒng)是指由計算機直接對被控對象進行控制的系統(tǒng)。是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式。3、計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)在計算機監(jiān)督控制（SupervisoryComputerControl,SCC）系統(tǒng)中，SCC計算機針對被控對象的狀態(tài)和參數(shù)，按照生產(chǎn)過程的數(shù)學模型進行優(yōu)化計算，以得到最優(yōu)的給定值并賦給作為執(zhí)行級的模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機，然后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC實現(xiàn)控制。4、集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）也叫分布式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)本著“分散控制、集中管理”的模式，自上而下由綜合信息管理級、操作監(jiān)控級和過程控制級三級組成。5、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem,簡稱FCS）是利用現(xiàn)場總線把現(xiàn)場智能設備與控制室相連的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)為新一代分布式控制結構，是一種全分布式控制系統(tǒng)。以現(xiàn)場總線為紐帶，把掛接在總線上的網(wǎng)絡節(jié)點組成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、綜合自動化等多項功能?，F(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能儀表與自動化系統(tǒng)的全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支的互聯(lián)通信網(wǎng)絡。國際上流行的現(xiàn)場總線主要有5種：（1）CANBUS（ControllerAreaNetwork，控制器局域網(wǎng)絡）（2）LONWORKS（LocalOperatingNetwork，局部操作網(wǎng)絡）（3）PROFIBUS（ProcessFieldBus，過程現(xiàn)場總線）（4）HART（可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）（5）FF（現(xiàn)場基金會總線）現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設備或具有綜合功能的智能儀表，如傳感器、變送器和執(zhí)行器等。6、計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)（Computer

Integrated

ManufacturingSystem，CIMS）又稱綜合自動化系統(tǒng)，是將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、產(chǎn)品設計、加工制造、銷售及服務等環(huán)節(jié)和人力、財力、設備等生產(chǎn)要素集成起來，進行統(tǒng)一控制，以得到生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。CIMS一般由集成工程設計系統(tǒng)、集成管理信息系統(tǒng)、生產(chǎn)過程實時信息系統(tǒng)、柔性制造工程系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫、通信網(wǎng)絡等組成。CIMS采用多任務分層體系結構，其基本控制思想是遞階控制，即把所需任務按層次分級為層狀或樹狀的命令或反饋，由高一級去控制較低一級。1.4計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況及發(fā)展趨勢一、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

在生產(chǎn)過程中采用數(shù)字計算機控制的思想出現(xiàn)在20世紀50年代中期，控制理論與計算機技術結合，產(chǎn)生了計算機控制系統(tǒng)，為自動控制系統(tǒng)的應用與發(fā)展開辟了新的途徑。1、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展的初始階段1946年，世界上第一臺電子計算機在美國誕生，起初是用于科學計算和數(shù)據(jù)處理，之后才開始嘗試用于導彈和飛機的控制。20世紀50年代開始，首先在化工生產(chǎn)中實現(xiàn)了計算機的自動測量和數(shù)據(jù)處理。1954年，實現(xiàn)計算機的開環(huán)控制。1956年開始，美國德州一家煉油廠與美國航天工業(yè)公司合作進行計算機控制的研究。1959年，世界上第一套工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)應用于研究該廠的聚合反應裝置。1960年，美國的一家合成氨廠實現(xiàn)了計算機監(jiān)督控制。1962年，英國帝國化學工業(yè)公司實現(xiàn)了DDC系統(tǒng)。2、計算機控制系統(tǒng)的實用和開始普及的階段20世紀70年代，由于大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，1972年微型計算機問世。1975年，世界上幾個計算機和儀表公司推出了計算機集散控制系統(tǒng)。20世紀80年后期到90年代直至現(xiàn)在，計算機技術的飛速發(fā)展，微處理器已由16位發(fā)展到32位，再發(fā)展到64位。出現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)。隨著計算機控制在生產(chǎn)過程方面的不斷發(fā)展和完善，計算機控制系統(tǒng)在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通以及其他民用領域里得到廣泛應用。二、計算機控制理論的發(fā)展概況1、采樣控制理論（1）離散系統(tǒng)理論差分方程及Z變換理論常規(guī)設計方法按極點配置的設計方法最優(yōu)設計方法系統(tǒng)辨識及自適應控制（2）采樣系統(tǒng)理論采樣理論連續(xù)模型及性能指標的離散化性能指標函數(shù)的計算采樣控制系統(tǒng)的仿真采樣周期的選擇（3）數(shù)字系統(tǒng)理論2、先進控制技術（1）魯棒控制（2）預測控制（3）模糊控制（4）神經(jīng)網(wǎng)絡控制（5）專家控制（6）遺傳算法計算機控制系統(tǒng)是自動控制理論與計算機技術相結合的產(chǎn)物。計算機相關技術包括多媒體技術、人工智能技術、網(wǎng)絡與通信技術、微電子技術、虛擬現(xiàn)實技術等技術的發(fā)展都勢必會促進計算機控制系統(tǒng)向前發(fā)展。計算機本身