1、计算机集成控制系统概述计算机集成控制系统概述 计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、计算机控制系统是计算机技术与自动控制理论、自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技自动化技术以及检测与传感技术、通信与网络技术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值术紧密结合的产物。利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系计算、逻辑判断等信息加工能力，计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力方案。计算机为现代控制理论的应用提供了有力的工具。现代计算机控制系统已经将企业的经营、的工具
2、。现代计算机控制系统已经将企业的经营、计划、执行、生产连为一体，构成了综合自动化计划、执行、生产连为一体，构成了综合自动化的集成系统。的集成系统。1 1 计算机控制系统的基本概念计算机控制系统的基本概念 计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。自动控制的系统。自动控制，是在没有人直接参与的情况下，通过自动控制，是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。控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。无论计算机运行速度多快，计算机控制都是在离无论计算机运行速度多快，计算机控制都是在离散的时间点执行。计算机仅仅利
3、用连续信号的采散的时间点执行。计算机仅仅利用连续信号的采样值。从控制理论角度来说，计算机控制属于样值。从控制理论角度来说，计算机控制属于离离散控制散控制。在计算机控制中，各类控制任务的实现存在执行在计算机控制中，各类控制任务的实现存在执行时间。同时，计算机还需要执行其他的任务。所时间。同时，计算机还需要执行其他的任务。所以计算机控制实际上是以计算机控制实际上是实时系统实时系统。计算机控制系统理论分析的主要工具包括：计算机控制系统理论分析的主要工具包括：离散离散时间控制系统的分析，实时系统的分析时间控制系统的分析，实时系统的分析2 2 计算机控制系统的组成和特点计算机控制系统的组成和特点计算机控
4、制系统由硬件和软件两部分组成。计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件组成：硬件组成：主要由计算机系统（包括主机和外部设主要由计算机系统（包括主机和外部设备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检备）和过程输入输出通道、被控对象、执行器、检测变送环节等组成。测变送环节等组成。软件组成：软件组成：系统软件和应用软件。系统软件和应用软件。在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在计算机控制系统中，硬件和软件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控
5、制系统。的控制系统。硬件组成：硬件组成：1 1、主机、主机即微型计算机或即微型计算机或CPUCPU。常见的包括：常见的包括：5151、9696等各类单片机；等各类单片机；80868086、68006800处处理器；理器；DSPDSP、ARMARM；工业控制计算机；工业控制计算机；PCPC机等。机等。2 2、I/OI/O接口接口 接口实现主机和外部设备之间数据交换。常用的接口包括：接口实现主机和外部设备之间数据交换。常用的接口包括：并行接口：并行接口：82558255、8155 8155 串行接口：串行接口：82518251 DMA DMA接口：接口：8237 8237 中断接口：中断接口：82
6、598259 定时器定时器/记数器接口：记数器接口：8253 8253 3 3、输入、输入/输出通道输出通道 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4 4、外部设备、外部设备 输入设备（如检测设备）、输出设备（如执行机构）输入设备（如检测设备）、输出设备（如执行机构）5 5、操作台、操作台 输出显示（输出显示（CRTCRT、LEDLED、报警和状态显示等）、输入键盘（功能键、数字键、报警和状态显示等）、输入键盘（功能键、数字键、开关等）开关等）软件组成软件组成1 1 系统软件系统软件 系统软件包括实时多任务操
7、作系统、引导程序、调度执行系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国程序，如美国IntelIntel公司推出的公司推出的iRMX86iRMX86实时多任务操作系实时多任务操作系统，美国统，美国Ready System Ready System 公司推出的嵌入式实时多任务操作公司推出的嵌入式实时多任务操作系统系统VRTXVRTXOSOS。除了实时多任务操作系统以外，也常常。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用使用MSMSDOSDOS和和WindowsWindows等系统软件。等系统软件。2 2 支持软件支持软件 支持软件包括编程语言（汇编语言、高级语言）、编程支支持软件包括
8、编程语言（汇编语言、高级语言）、编程支持软件（编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序）。持软件（编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序）。3 3 应用软件应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。等。计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 在计算机控制系统中，被控制量通常是模在计算机控制系统中，被控制量通常是模拟量，而计算机本身
9、的输入输出量都是数字量。拟量，而计算机本身的输入输出量都是数字量。因此，计算机控制系统大都具有数字因此，计算机控制系统大都具有数字模拟混模拟混合式的结构。合式的结构。模拟信号模拟信号时间上和幅值上都连续的信号。时间上和幅值上都连续的信号。离散模拟信号离散模拟信号时间上离散幅值上连续的信号。时间上离散幅值上连续的信号。数字信号数字信号时间上离散，幅值也离散的信号。时间上离散，幅值也离散的信号。采样采样将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程。量化量化采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转 换成数字信号。换成数字信号。
10、3 3 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式 1.1.数据采集和监视系统数据采集和监视系统 优点：结构简单，控制灵活和安全。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点缺点:要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。2.2.直接数字控制系统直接数字控制系统 计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现计算机闭环控制系统。可完全取代模拟调节器，实现多回路的多回路的PIDPID控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制，而且只要改变程序就可以实现复杂的控制规律。控制规律。3 3监督控制系统监督控制系统 其作用是改变给定值，又称设定值控制其作用
11、是改变给定值，又称设定值控制 。它的任务着重。它的任务着重在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。在控制规律的修正与实现，如最优控制、自适应控制等。4.4.分散型控制系统分散型控制系统 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。原则与网络化的控制结构，形成分级分布式控制。5.5.现场总线控制系统现场总线控制系统 结构模式为：结构模式为：“工工作站一现场总线智作站一现场总线智能仪表能仪表”二层结构，二层结构，完成了完成了DCSDCS中的三中的三层结构功能，降低层结构功能，降低了成本，提高了
12、可了成本，提高了可靠性，并且在统一靠性，并且在统一国际标准下可实现国际标准下可实现真正的开放式互连真正的开放式互连系统结构。系统结构。4 4 计算机控制系统的性能及其指标计算机控制系统的性能及其指标 1.1.计算机控制系统的稳定性计算机控制系统的稳定性 （a a）发散振荡）发散振荡 （b b）衰减振荡）衰减振荡 （c c）等幅振荡）等幅振荡 （d d）非周期衰减）非周期衰减2.2.计算机控制系统的能控性和能观测性计算机控制系统的能控性和能观测性 系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指系统控制的主要目的是驱动系统从某一状态到达指定的状态。如果系统不能控，就不可能通过选择控制作定的状态。如果
13、系统不能控，就不可能通过选择控制作用，使系统状态从初始状态到达指定状态。用，使系统状态从初始状态到达指定状态。能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测能控性和能观性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。能控性能控性 用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得用状态反馈构成控制规律，从它的测量输出中获得系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系系统状态的信息。如果输出不反映状态信息，这样的系统被称为是不能观的。统被称为是不能观的。能观性能观性3.3.控制系统的动态指标控制系统的动态指标 动态指标能够比动态指标能够
14、比较直观地反映控较直观地反映控制系统的过渡过制系统的过渡过程特性，动态指程特性，动态指标包括超调量，标包括超调量，调节时间，峰值调节时间，峰值时间，衰减比和时间，衰减比和振荡次数。振荡次数。超调量超调量 p%100p yyym 表示了系统过冲的程度。设输出量表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为的最大值为 ，输出量，输出量 的稳态值为的稳态值为 ，则超调量定义为，则超调量定义为 p ymy)(ty)(ty 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过程的平稳性。程的平稳性。调整时间调整时间 st 调整时间调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当反映了过
15、渡过程时间的长短，当 时，若时，若 ，则，则 定义为调定义为调整时间，式中整时间，式中 是输出量是输出量 的稳态值，的稳态值，取取0.02 0.02 或或0.05 0.05 。它反映了动态过程进行。它反映了动态过程进行的快慢，是系统的快速性指标。的快慢，是系统的快速性指标。ststt yty)(stmy)(ty y y4.4.控制系统的稳态指标控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量态误差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值的稳态值 与要求值与要求值 的差值，定义为的差值，定义为)(ty y0y yyess05
16、.5.控制系统的综合指标控制系统的综合指标 综合性能指标通常有综合性能指标通常有3 3种类型种类型 1)1)积分型指标积分型指标 u误差平方的积分误差平方的积分 ttteJ02d)(这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以得到数学解析解，因此经常使用。得到数学解析解，因此经常使用。这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该过渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指标反映了控制系统的快速性和精确性。指
17、标反映了控制系统的快速性和精确性。u 时间乘误差平方的积分时间乘误差平方的积分ttteJtd)(02 u加权二次型性能指标加权二次型性能指标tRuueQeJtd)(T0T tururteqeqttd)(d)(22202112222101 不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制不仅控制了动态性能指标，而且限制了控制信号的功率。信号的功率。对于多变量控制系统，可用：对于多变量控制系统，可用：2 2）末值型指标）末值型指标 ff),(SttxJ 当要求系统在末值时刻当要求系统在末值时刻 具有最小稳态误差，具有最小稳态误差，最准确的定位或最大射程的末值控制中，就可采用末最准确的定位或最大射程的末值控制
18、中，就可采用末值型性能指标。值型性能指标。ft3 3）复合型指标）复合型指标 tttxFttxJtd,)(),(Sf0ff 复合型指标是积分型和末值型指标的复合，是复合型指标是积分型和末值型指标的复合，是一个更普遍的性能指标形式。一个更普遍的性能指标形式。(1)可编程逻辑控制器简称可编程控制器或简称可编程控制器或PLCPLC，是计算机技术与继电逻辑控制，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPUCPU、存储器、
19、输入组件、输出组件、电源及编程器等组、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。其成。其特点：特点：专为工业环境下应用而设定专为工业环境下应用而设定;采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；模拟式的输入和输出；不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；PLCPLC具有系统构成灵活
20、，扩展容易，编程简单，调试容易，具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；抗干扰能力强；5 5 计算机控制系统的装置计算机控制系统的装置(2)(2)可编程调节器可编程调节器 又称智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、又称智能调节器、数字调节器。它主要由微处理单元、过程过程I IOO（输入（输入/输出）输出）单元、面板单元、通信单元、硬单元、面板单元、通信单元、硬手操单元和编程单元等组成。其特点：手操单元和编程单元等组成。其特点：一种仪表化了的微型控制计算机；一种仪表化了的微型控制计算机；易操作，易编程、方便灵活；易操作，易编程、方便灵活；设计时无需考虑接口、通讯的硬件
21、设计；设计时无需考虑接口、通讯的硬件设计；软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言；软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言；具有断电保护、自诊断功能、通信等功能；具有断电保护、自诊断功能、通信等功能；可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理；可以组成多级计算机控制系统，实现各种高级控制和管理；大型分散控制系统中最基层的控制单元；大型分散控制系统中最基层的控制单元；适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中；适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中；（3 3）总线式工控机总线式工控机IPCIPC总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一种专用于总线式工控机是基于总线技术和模块化结构的一
22、种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。需的计算机控制系统。外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱密封并加外
23、壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普通计算机的大主板变成通用正压送风散热，机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主板分解成几块的底板总线插座系统，将主板分解成几块PCPC插件，采用工插件，采用工业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。件。常用工业总线标准：常用工业总线标准：ISAISA总线、总线、PCIPCI总线、总线、STDSTD总线、总线、PC/104由于开发软件丰富，在大型计算机控制系统中常采用工控由于开发软件丰富，在大型计算机控制系统中常采用工控机作为主计算机。机作
24、为主计算机。（4 4）嵌入式计算机控制）嵌入式计算机控制所谓嵌入式计算机控制，不是工作在一个自动化设备的外部，所谓嵌入式计算机控制，不是工作在一个自动化设备的外部，而是而是“嵌人嵌人”(Embeded(Embeded)到设备内部，提供用户接口，管理数到设备内部，提供用户接口，管理数据输人、输出，指导设备工作的计算机。嵌入式系统是以应用据输人、输出，指导设备工作的计算机。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专
25、用计算机系统。具有在恶劣的工业环境里长期可靠工作的能力。机系统。具有在恶劣的工业环境里长期可靠工作的能力。与通用型计算机系统相比，嵌入式系统在硬件上具有体积小、与通用型计算机系统相比，嵌入式系统在硬件上具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、使用专用的嵌入式重量轻、成本低、可靠性高、使用专用的嵌入式CPUCPU等特点。等特点。在软件上具有代码体积小、效率高、要求响应速度快，能够处在软件上具有代码体积小、效率高、要求响应速度快，能够处理异步并发事件、具有实时处理能力等特点。理异步并发事件、具有实时处理能力等特点。随着嵌入式系统功能的日趋复杂，软件编写难度的增加以及对随着嵌入式系统功能的日趋复杂，软
26、件编写难度的增加以及对软件可重用性的重视，需要有一个屏蔽底层硬件的功能强大的软件可重用性的重视，需要有一个屏蔽底层硬件的功能强大的操作系统作为支撑，所以嵌入式实时操作系统成为嵌入式系统操作系统作为支撑，所以嵌入式实时操作系统成为嵌入式系统中软件的最重要的组件。中软件的最重要的组件。常用的嵌入式实时操作系统有常用的嵌入式实时操作系统有VxWorksVxWorks、uCuC/OS-II/OS-II、LinuxLinux等。等。单片机单片机是将是将CPUCPU、存储器、串并行、存储器、串并行I/OI/O口、定时口、定时/计计数器、甚至数器、甚至A/DA/D转换器、脉宽调制器、等功能部件转换器、脉宽调
27、制器、等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。个完整的具有相当控制功能的微控制器。单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，面向单片机结构的高级语言，如面向单片机结构的高级语言，如KeilKeil C51 C51等。等。由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，使它在工业控制、智能仪表、外设控等诸多优点，使它在工
28、业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人等方面得到了极为广泛的应制、家用电器、机器人等方面得到了极为广泛的应用。单片机有用。单片机有4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位等。在小型测位等。在小型测控系统与智能化仪器仪表的应用领域里，控系统与智能化仪器仪表的应用领域里，8 8位单片机位单片机因其品种多、功能强、价格廉，仍然是单片机系列因其品种多、功能强、价格廉，仍然是单片机系列的主流。的主流。早期的计算机采用电子管，它不仅运算速早期的计算机采用电子管，它不仅运算速度慢、价格昂贵，而且体积大，可靠性差，度慢、价格昂贵，而且体积大，可靠性差，所以主要用于数据处理和操作指导，没有所
29、以主要用于数据处理和操作指导，没有控制功能。控制功能。6060年代，随着半导体技术的发展，计算机年代，随着半导体技术的发展，计算机运算速度的加快和可靠性的提高，运算速度的加快和可靠性的提高，19621962年年开始采用直接数字控制系统开始采用直接数字控制系统(DDC)(DDC)，计算机，计算机集中控制有了较大的发展。集中控制有了较大的发展。6 计算机控制的发展过程及趋势计算机控制的发展过程及趋势7070年代，随着大规模集成电路技术的发展，计算年代，随着大规模集成电路技术的发展，计算机控制技术进入一个崭新的阶段，开创了计算机机控制技术进入一个崭新的阶段，开创了计算机控制技术的新时代，即从传统的集
30、中控制系统革控制技术的新时代，即从传统的集中控制系统革新为集散控制系统（新为集散控制系统（DCSDCS）。）。8080年代，超大规模集成电路技术的飞速发展，使年代，超大规模集成电路技术的飞速发展，使得计算机向着超小型化，软件固化和控制智能化得计算机向着超小型化，软件固化和控制智能化方向发展。方向发展。9090年代，随着现场总线技术的兴起，以现场总线年代，随着现场总线技术的兴起，以现场总线为基础的新的开放式集散控制系统为基础的新的开放式集散控制系统 (FCS)(FCS)迅速发展。迅速发展。目前，基于计算机集成控制等技术的工业目前，基于计算机集成控制等技术的工业企业自动化整体解决方案一般包括企业资
31、企业自动化整体解决方案一般包括企业资源计划（源计划（ERPERP），生产执行系统（），生产执行系统（MESMES）和）和过程控制系统（过程控制系统（PCSPCS）等多个层次。计算机）等多个层次。计算机控制系统向管理控制系统向管理-控制一体化的综合自动控制一体化的综合自动化方向发展。化方向发展。1.1.现场总线技术对现场总线技术对DCSDCS的影响的影响2.2.基于基于PCPC机的开放性控制结构机的开放性控制结构3.OPC3.OPC技术对技术对DCSDCS的影响的影响4.4.采用采用Windows NTWindows NT操作系统操作系统 5.Internet5.Internet技术的影响技术的
32、影响6.6.加速先进控制、优化控制软件的应用加速先进控制、优化控制软件的应用 7.7.向管控一体化向管控一体化(CIPS(CIPS、CIMS)CIMS)技术方向发展技术方向发展 教学内容：教学内容：理论部分：（英文）理论部分：（英文）第第1 1章章 离散时间系统模型离散时间系统模型第第2 2章章 数据采样系统数据采样系统第第3 3章章 直接数字控制器设计直接数字控制器设计第第4 4章章 连续时间控制器的离散化连续时间控制器的离散化第第5 5章章 离散时间最优控制离散时间最优控制第第6 6章章 实时系统分析实时系统分析应用部分：应用部分：（中文）（中文）第第7 7章章 输入输入/输出通道技术输出通道技术第第8 8章章 计算机控制软件设计计算机控制软件设计 第第9 9章章 计算机集成控制工程实现计算机集成控制工程实现参考资料：参考资料：1 1、电子课件、电子课件2 2、孙增、孙增圻，计算机控制理论与应用，清华大学出版社，圻，计算机控制理论与应用，清华大学出版社，20073 3、Karl J.AstromKarl J.Astrom，计算机控制系统，计算机控制系统原理与设计，电子工业出版社，原理与设计，电子工业出版社，200120014 4、赵英凯，计算机集成控制系统，电子工业出版社，、赵英凯，计算机集成控制系统，电子工业出版社，20072007考试方式：开卷考试考试方式：开卷考试
