调节器 被控对象
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
控制器 被控对象
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
D/A
A/D
数字信号 —— 例如 4～ 20mA 信号经 12
位 A/D转换以后的结果为 0～ 4095
4 mA输入 —— 0000 0000 0000 20mA输入 —— 1111 1111 1111
12mA输入 ——？
计算机控制
典型单回路控制系统方块图
第 14章 计算机控制系统
第一节 概述
工作过程
控制器 被控对象
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
D/A
A/D
工作过程,①数据采集,实时检测来自于测量变送装置的被控变
量瞬时值；
②控制决策,根据采集到的被控变量按一定的控制
规律进行分析和处理，决定控制行为，
产生控制信号；如 PID运算
③控制输出,根据控制决策实时地向执行机构发出
控制信号，完成控制任务。
第二节 计算机控制系统的基本组成
过程输入输出设备
外
部
设
备
主
机
系
统
CPU
RAM
ROM
CRT
通讯接口
人机接口
打印机
其它
系
统
总
线
模拟量输入（ AI）
模拟量输出（ AO）
开关量输入（ DI）
开关量输入（ DO）
测量变送器
执行器
电气开关
电气开关
被
控
生
产
对
象
常规计算机系统 I/O系统
（模块或卡件）
现场仪表 被控
对象
硬件组成
?
?
?
系统软件
支持软件
应用软件
系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是
支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。
如,Windows操作系统,Unix操作系统等都属于系统软件。
它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。
例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。
对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，
能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支
持软件会有所不同
应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理
程序。 不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。
软件组成
计算机控制系统的主要设计思想
1,可靠性
2,可维护性
3,实时性
4,性能价格比
定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
它通常用 概率 来表示
可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。
它主要体现在 易于查找故障，易于排除故障 。
计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时
间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号
的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。
一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带
来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。
一般我们要掌握以下两个原则,
一是系统设计的性能价格比要尽可能高；
二是投入产出比要尽可能低。
第三节 计算机控制系统的发展过程
1,直接数字量控制 （ Direct Digital Control－ DDC）
2,集中型计算机控制系统
3,集散控制系统 （ Distributed Control System－ DCS）
4,现场总线控制系统 （ Fieldbus Control System－ FCS）
第四节 直接数字量控制
本质 —— 用一台计算机取代一组模拟调节
器，构成闭环控制回路，用数字
控制技术简单地取代模拟控制技
术。
过程控制计算机 SP
AI,DI AO,DO
检测仪表 执行器
被控过程 （ 对象 ）
起始于 50年代末期，开辟了一个轰
轰烈烈的计算机工业应用时代
优点 —— 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的 PID控制规律，还可
以分时处理多个控制回路。此外，此 DDC也很快发展到 PID以
外的多种复杂控制。
问题 —— 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速
过程实时控制的需求。
拓展一,集中型计算机控制系统
出发点,由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计
算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制
尽可能多的控制回路。
CRT、键盘 ……
过程控制计算机 AI DI AO DO
被控过程（对象）
被控变量 操作变量
…… …… } {
输入子系统 输出子系统
集中型计算机控制系统原理图
优越性,从表面上看 —— 信息集中，集中型计算机控制可以实现
先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现
优化控制和优化生产。
问 题,由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利
用一台计算机控制成很多个回路 容易出现负荷过载,而
且控制的集中也直接导致 危险的集中,高度的集中使系
统变得十分, 脆弱, 。
在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的
好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结
构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。
拓展二,集散控制系统
出发点（ 2个方面）,
(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分
散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；
(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运
行应当服从工业生产管理的总体目标。
根本特征,控制的分散性 和 管理的集中性
拓展三、现场总线控制系统
传统计算机控制系统的结构示意图 朴素意义上的 FCS结构示意图
? ?
计算机控制系统的发展特征
随着局域网,Internet,IT技术迅速发展，计算机
控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发
展成为一种趋势
系统结构 向网络化、网络扁平化方向发展
系统功能 向综合化方向发展
系统设备 向多样化方向发展
概述
? 集散控制系统 DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和
过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统 。
? Distributed Control System—— DCS
? DCS可直译为, 分布式控制系统,
?, 集散控制系统, 是按中国人习惯理解而称谓的 。
? DCS的主要特征是它的 集中管理 和 分散控制
? 它采用危险分散, 控制分散, 而操作和管理集中的基本设计思想,
多层分级, 合作自治的结构形式
? DCS在电力, 冶金, 石油, 化工, 制药等各种领域都得到了极其
广泛的应用 。
第五节 集散控制系统
DCS的特点
经营管理级
生产管理级
控制管理级
过程控制级
根本,管理集中和控制分散
具体表现在,
分级递阶结构
现场仪表, 各种检测仪表, 执行器 ……
DCS必不可少的两级
? 向开放式系统发展
? 智能变送器、远程 I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控
功能下移分散
? DCS,PLC,PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、
网络化的分布式控制系统
? 现场总线集成于 DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势
? ① 现场总线于 DCS系统 I/O总线上的集成
? ② 现场总线于 DCS系统网络层的集成
? ③ 现场总线通过网关与 DCS系统并行集成
DCS的发展趋势
? 未来的 DCS将采用智能化仪表和现场总线技术, 从而彻底实现分
散控制, 并可节约大量的布线费用, 提高系统的易展性 。 OPC标
准的出现从根本上解决了控制系统的共享问题, 使系统的集成更
加方便, 从而导致控制系统价格的下降 。
? 基于 PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性 。 Internet技术在
控制系统中的应用, 将使操作界面更加友好, 数据访问更加方便,
并且 Window NT将成为控制系统的优秀平台 。 总之, DCS通过不
断采用新技术将向标准化, 开放化, 通用化的方向发展 。
? DCS的层次结构中, 最低级是与生产过程直接相连的过程控制级 。
? 在不同的 DCS中, 过程控制级所采用的装置结构形式大致相同, 但名
称各异, 如过程控制单元, 现场控制站, 过程监测站, 基本控制器,
过程接口单元等, 在这里, 我们统称 现场控制单元 FCU(或控制站 ） 。
? FCU实现了 DCS的分散控制功能, 是 DCS的核心部分 。 生产过程的各
种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据,
而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构 。 有关信号的转换, 各
类基本控制算法都在现场控制单元中完成 。
? 过程管理级由工程师站, 操作员站, 管理计算机和显示装置组成直接
完成对过程控制级的集中监视和管理, 通常称为 操作站 。
? DCS的生产管理级, 经营管理级是由功能强大的计算机来实现, 没有
更多的硬件构成, 这里不作阐述 。
DCS的硬件体系结构
以典型的中小型 DCS－ CENTUM-μXL 为例论述 FCU和操作站的硬件构成
系统
软件 现场控制站
应用软件
报警检测、输入、输出
操作站
应用软件
人机接口
报表打印和管理
过程画面显示和管理
历史数据存储
顺序控制
连续过程控制
实时数据库
DCS
软件
系统
DCS软件系统
应用
软件
通信
软件
组态
软件
DCS的软件系统
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
控制器 被控对象
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
D/A
A/D
数字信号 —— 例如 4～ 20mA 信号经 12
位 A/D转换以后的结果为 0～ 4095
4 mA输入 —— 0000 0000 0000 20mA输入 —— 1111 1111 1111
12mA输入 ——？
计算机控制
典型单回路控制系统方块图
第 14章 计算机控制系统
第一节 概述
工作过程
控制器 被控对象
测量变送装置
+
－ SP
执行器
4～ 20mA
4～ 20mA
D/A
A/D
工作过程,①数据采集,实时检测来自于测量变送装置的被控变
量瞬时值；
②控制决策,根据采集到的被控变量按一定的控制
规律进行分析和处理，决定控制行为，
产生控制信号；如 PID运算
③控制输出,根据控制决策实时地向执行机构发出
控制信号，完成控制任务。
第二节 计算机控制系统的基本组成
过程输入输出设备
外
部
设
备
主
机
系
统
CPU
RAM
ROM
CRT
通讯接口
人机接口
打印机
其它
系
统
总
线
模拟量输入（ AI）
模拟量输出（ AO）
开关量输入（ DI）
开关量输入（ DO）
测量变送器
执行器
电气开关
电气开关
被
控
生
产
对
象
常规计算机系统 I/O系统
（模块或卡件）
现场仪表 被控
对象
硬件组成
?
?
?
系统软件
支持软件
应用软件
系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是
支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。
如,Windows操作系统,Unix操作系统等都属于系统软件。
它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。
例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。
对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，
能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支
持软件会有所不同
应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理
程序。 不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。
软件组成
计算机控制系统的主要设计思想
1,可靠性
2,可维护性
3,实时性
4,性能价格比
定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。
它通常用 概率 来表示
可维护性是指故障发生后通过维修使系统恢复的能力。
它主要体现在 易于查找故障，易于排除故障 。
计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时
间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号
的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。
一个良好的计算机控制系统，在充分考虑系统性能的同时，也需要分析系统应该带
来的经济效益，即系统性能和投入之间的关系以及系统投入与产出之间的关系。
一般我们要掌握以下两个原则,
一是系统设计的性能价格比要尽可能高；
二是投入产出比要尽可能低。
第三节 计算机控制系统的发展过程
1,直接数字量控制 （ Direct Digital Control－ DDC）
2,集中型计算机控制系统
3,集散控制系统 （ Distributed Control System－ DCS）
4,现场总线控制系统 （ Fieldbus Control System－ FCS）
第四节 直接数字量控制
本质 —— 用一台计算机取代一组模拟调节
器，构成闭环控制回路，用数字
控制技术简单地取代模拟控制技
术。
过程控制计算机 SP
AI,DI AO,DO
检测仪表 执行器
被控过程 （ 对象 ）
起始于 50年代末期，开辟了一个轰
轰烈烈的计算机工业应用时代
优点 —— 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的 PID控制规律，还可
以分时处理多个控制回路。此外，此 DDC也很快发展到 PID以
外的多种复杂控制。
问题 —— 当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速
过程实时控制的需求。
拓展一,集中型计算机控制系统
出发点,由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计
算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制
尽可能多的控制回路。
CRT、键盘 ……
过程控制计算机 AI DI AO DO
被控过程（对象）
被控变量 操作变量
…… …… } {
输入子系统 输出子系统
集中型计算机控制系统原理图
优越性,从表面上看 —— 信息集中，集中型计算机控制可以实现
先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现
优化控制和优化生产。
问 题,由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利
用一台计算机控制成很多个回路 容易出现负荷过载,而
且控制的集中也直接导致 危险的集中,高度的集中使系
统变得十分, 脆弱, 。
在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的
好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结
构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。
拓展二,集散控制系统
出发点（ 2个方面）,
(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分
散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；
(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运
行应当服从工业生产管理的总体目标。
根本特征,控制的分散性 和 管理的集中性
拓展三、现场总线控制系统
传统计算机控制系统的结构示意图 朴素意义上的 FCS结构示意图
? ?
计算机控制系统的发展特征
随着局域网,Internet,IT技术迅速发展，计算机
控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发
展成为一种趋势
系统结构 向网络化、网络扁平化方向发展
系统功能 向综合化方向发展
系统设备 向多样化方向发展
概述
? 集散控制系统 DCS是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和
过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统 。
? Distributed Control System—— DCS
? DCS可直译为, 分布式控制系统,
?, 集散控制系统, 是按中国人习惯理解而称谓的 。
? DCS的主要特征是它的 集中管理 和 分散控制
? 它采用危险分散, 控制分散, 而操作和管理集中的基本设计思想,
多层分级, 合作自治的结构形式
? DCS在电力, 冶金, 石油, 化工, 制药等各种领域都得到了极其
广泛的应用 。
第五节 集散控制系统
DCS的特点
经营管理级
生产管理级
控制管理级
过程控制级
根本,管理集中和控制分散
具体表现在,
分级递阶结构
现场仪表, 各种检测仪表, 执行器 ……
DCS必不可少的两级
? 向开放式系统发展
? 智能变送器、远程 I/O和现场总线的发展，进一步使现场测控
功能下移分散
? DCS,PLC,PCCS相互渗透融合，形成数字化、模块化、
网络化的分布式控制系统
? 现场总线集成于 DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势
? ① 现场总线于 DCS系统 I/O总线上的集成
? ② 现场总线于 DCS系统网络层的集成
? ③ 现场总线通过网关与 DCS系统并行集成
DCS的发展趋势
? 未来的 DCS将采用智能化仪表和现场总线技术, 从而彻底实现分
散控制, 并可节约大量的布线费用, 提高系统的易展性 。 OPC标
准的出现从根本上解决了控制系统的共享问题, 使系统的集成更
加方便, 从而导致控制系统价格的下降 。
? 基于 PC机的解决方案将使控制系统更具有开放性 。 Internet技术在
控制系统中的应用, 将使操作界面更加友好, 数据访问更加方便,
并且 Window NT将成为控制系统的优秀平台 。 总之, DCS通过不
断采用新技术将向标准化, 开放化, 通用化的方向发展 。
? DCS的层次结构中, 最低级是与生产过程直接相连的过程控制级 。
? 在不同的 DCS中, 过程控制级所采用的装置结构形式大致相同, 但名
称各异, 如过程控制单元, 现场控制站, 过程监测站, 基本控制器,
过程接口单元等, 在这里, 我们统称 现场控制单元 FCU(或控制站 ） 。
? FCU实现了 DCS的分散控制功能, 是 DCS的核心部分 。 生产过程的各
种参量由传感器接受并转换送给现场控制单元作为控制和监测的依据,
而各种操作通过现场控制单元送到各执行机构 。 有关信号的转换, 各
类基本控制算法都在现场控制单元中完成 。
? 过程管理级由工程师站, 操作员站, 管理计算机和显示装置组成直接
完成对过程控制级的集中监视和管理, 通常称为 操作站 。
? DCS的生产管理级, 经营管理级是由功能强大的计算机来实现, 没有
更多的硬件构成, 这里不作阐述 。
DCS的硬件体系结构
以典型的中小型 DCS－ CENTUM-μXL 为例论述 FCU和操作站的硬件构成
系统
软件 现场控制站
应用软件
报警检测、输入、输出
操作站
应用软件
人机接口
报表打印和管理
过程画面显示和管理
历史数据存储
顺序控制
连续过程控制
实时数据库
DCS
软件
系统
DCS软件系统
应用
软件
通信
软件
组态
软件
DCS的软件系统
