内蒙古农业大学机电工程学院
吴利斌
Email,wulibin@163.com
第一章 绪论
一,计算机控制系统概论
二,工业控制机的组成结构及特点
三,计算机控制系统的发展概述
?
1.1 计算机控制系统概论
1,计算机控制系统
图示计算机控制系统就是利用计算机 (通常称
为工业控制计算机,简称工控机 )来实现生产过程
自动控制的系统。
y
控制器
-
被控对象
e给定量
执行机构
+
r
D /A
被控量
测量变送
u
A /D
生产过程工控机
2 计算机控制系统的工作原理
? （ 1）实时数据采集：对来自测量变送装置的
被控量的瞬时值进行检测和输入；
? （ 2）实时控制决策：对采集到的被控量进行
分析和处理，并按已定的控制规律，决定将
要采取的控制行为。
? （ 3）实时控制决策：根据控制决策，适时地
对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
3.计算机控制系统的组成
计算机控制系统的典型形式
? （ 1）操作指导控制系统
? 所谓操作指导是指计算机的输出不直
接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，
计算机进行一次数据采集，将系统的一些
参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算
及处理，然后进行报警、打印和显示。操
作人员根据这些结果去改变调节器的给定
值或直接操作执行机构。
? 该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控
制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出
供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操
作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给
定值或直接操作执行机构。
? 优点：结构简单、控制灵活和安全
? 缺点：要由人工操作，速度不高，不能控制多个
对象
（ 2）直接数字控制系统
（ Direct Digital Control）
? DDC系统属于计算机闭环控制系统。计
算机首先通过模拟量输入通道（ AI）和开
关量输入通道（ DI）实时采集数据，然后
按照一定的控制规律进行计算，最后发出
控制信息，并通过模拟量输出通道（ AO）
和开关量输出通道（ DO）直接控制生产过
程。直接数字控制（ DDC）系统是计算机用
于工业过程控制最普遍的一种方式。
要求：实时性好、可靠性高和适应性强。一
台计算机通常要控制几个或几十个回路
（ 3）监督控制系统
（ Supervisory Computer Control)
? 监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其
他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他
方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制
方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程
始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低
消耗、低成本等等）。 从这个角度上说，它的
作用始改变设定值，又称为设定值控制 SPC(Set
Point Control).
? SCC＋模拟调节器
该系统是由微型机系
统对各物理量进行巡
回检测，并按一定的
数学模型对生产工况
进行分析、计算后得
出控制对象各参数最
优值送给调节器，使
工况保持在最优状态。
当 SCC微型机出现故障时，可由模拟调节器
独立完成操作。
? SCC＋ DDC调节器
SCC微型机可完成
工段、车间高一级的最
优化分析和计算，并给
出最优给定值，送给
DDC级执行过程控制。
当 DDC级微机出现
故障时，可由 SCC微型
机完成 DDC的控制功能，
该系统提高了可靠性。
（ 4）分散型控制系统
（ Distributed Control System-DCS)
? DCS采用分散控制，集中操作，分级管
理，分而自治和综合协调的设计原则，把
系统从上到下分为分散过程控制级、集中
操作监控级、综合信息管理级，形成分级
分布式控制。
（ 5）现场总线控制系统
（ Fieldbus Control System-FCS)
? FCS是新一代分布式控制结构。 20世纪 80年代
发展起来的 DCS，其结构模式为, 操作站－控制站
－现场仪表, 三层结构，系统成本较高，而且各
厂商的 DCS又各自的标准，不能互连。 FCS于 DCS不
同，它的结构模式为, 工作站－现场总线仪表,
二层结构，完成了 DCS三层结构的功能，降低了成
本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真
正的开放式互连系统结构。
1.2 工业控制机的组成结构及特点
1.工业控制机
PC总线工控机 （ X86 CPU)
? STD总线工控机（ X86 CPU)
? VME总线工控机（ Motorola CPU）
? 多总线（ MULTIBUS)工控机（ X86 CPU)
1.2.1 工业控制机的组成
工
业
控
制
机
硬件
软件
系统软件
支持软件
应用软件
主机（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ）板
内部总线和外部总线、人 — 机接口、
系统支持板、磁盘系统、通信接口、
输入输出通道
１、工业控制机的硬件组成
主
机
板
人机
接口
系统
支持
磁盘
系统
通信
接口
模拟量
输入通道
（ ＡＩ ）
模拟量
输出通道
（ Ａ Ｏ ）
数字量
输入通道
（ Ｄ Ｉ ）
数字量
输出通道
（ ＤＯ ）
外部总线
内部总线
2,PC总线标准
XT总线（书上的 PC总线）,62线,16位，数据传
输率 2.38Mbps
ISA (AT) 总线：对 XT总线的扩充,98线,16位，
寻址空间 16MB，数据传输率 16Mbps
EISA 总线：对 ISA总线的扩充,32位,98+98线，
数据传输率 32Mbps
VESA总线：局部总线标准，是 ISA总线的扩展，
适应多媒体技术，数据交换由 CPU总线直接进行，
运行速度为 66MHz或更高，最大数据传输率为
132Mbps。
?
PCI总线：在 CPU和外设间插入协调数
据传输的管理层，提供一致的总线接口，
形成了开放的局部总线标准，而不依赖
于 CPU芯片。工作频率 33MHz,PCI总
线的数据宽度为 32位和 64两种，
数据传输率分别为 133Mbps和 266Mbps，
PCI Express数据传输率可以达到
8Gbps。
?
3,基于 PC总线的工业控制机常见类型
ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与 ISA兼容
的基础上缩小模板尺寸，降低功耗，
满足嵌入式系统的要求。有 104条信
号线，模板尺寸为 3.6 in× 3.8 in
(90mm× 96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机,PCI总线＋欧式
插卡结构。
1.2.3 工业控制机的特点
?可靠性高和可维修性好；
?环境适应性强；
?控制的实时性；
?完善的输入输出通道；
?丰富的软件；
?适当的计算精度和计算速度。
三 计算机控制系统的发展概述
1 推广应用成熟的先进技术
（ 1）普及应用可编程序控制器 (PLC)
（ 2）广泛使用调节器
（ 3）采用新型的 DCS和 FCS
2 大力研究和发展智能控制系统
（ 1）分级递阶智能控制系统
（ 2）模糊控制系统
（ 3）专家系统
（ 4）学习控制系统
（ 5）神经网络控制系统
? 主机板
由中央处理器（ＣＰＵ）、内存储器
等部件组成，是工业控制机的核心
在控制系统中，主机主要进行必要的
数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。
返回
内部总线和外部总线
?内部总线：是工业控制机内部各组成部分进行信
息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。
常用的有 IBM PC总线和 STD总线
?外部总线：是工业控制机与其它智能设备进行信
息传送的公共通道。
常用的有 RS-232总线和 IEEE-488总线
返回
系统支持功能
?监控定时器
?电源掉电监测
?保护重要数据的后备存储体
?实时日历时钟
返回
输入输出通道
? 是工业控制机与生产过程间设置的信号
传递和变换的连接通道。
其作用是：
?将生产过程的信号变换成主机能够接受和
识别的代码；
?将主机输出的控制命令和数据，变换后作
为执行机构或电气开关的控制信号。
返回
吴利斌
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第一章 绪论
一,计算机控制系统概论
二,工业控制机的组成结构及特点
三,计算机控制系统的发展概述
?
1.1 计算机控制系统概论
1,计算机控制系统
图示计算机控制系统就是利用计算机 (通常称
为工业控制计算机,简称工控机 )来实现生产过程
自动控制的系统。
y
控制器
-
被控对象
e给定量
执行机构
+
r
D /A
被控量
测量变送
u
A /D
生产过程工控机
2 计算机控制系统的工作原理
? （ 1）实时数据采集：对来自测量变送装置的
被控量的瞬时值进行检测和输入；
? （ 2）实时控制决策：对采集到的被控量进行
分析和处理，并按已定的控制规律，决定将
要采取的控制行为。
? （ 3）实时控制决策：根据控制决策，适时地
对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
3.计算机控制系统的组成
计算机控制系统的典型形式
? （ 1）操作指导控制系统
? 所谓操作指导是指计算机的输出不直
接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，
计算机进行一次数据采集，将系统的一些
参数经 A/D 转换后送入计算机进行计算
及处理，然后进行报警、打印和显示。操
作人员根据这些结果去改变调节器的给定
值或直接操作执行机构。
? 该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控
制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出
供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操
作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给
定值或直接操作执行机构。
? 优点：结构简单、控制灵活和安全
? 缺点：要由人工操作，速度不高，不能控制多个
对象
（ 2）直接数字控制系统
（ Direct Digital Control）
? DDC系统属于计算机闭环控制系统。计
算机首先通过模拟量输入通道（ AI）和开
关量输入通道（ DI）实时采集数据，然后
按照一定的控制规律进行计算，最后发出
控制信息，并通过模拟量输出通道（ AO）
和开关量输出通道（ DO）直接控制生产过
程。直接数字控制（ DDC）系统是计算机用
于工业过程控制最普遍的一种方式。
要求：实时性好、可靠性高和适应性强。一
台计算机通常要控制几个或几十个回路
（ 3）监督控制系统
（ Supervisory Computer Control)
? 监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其
他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他
方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制
方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程
始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低
消耗、低成本等等）。 从这个角度上说，它的
作用始改变设定值，又称为设定值控制 SPC(Set
Point Control).
? SCC＋模拟调节器
该系统是由微型机系
统对各物理量进行巡
回检测，并按一定的
数学模型对生产工况
进行分析、计算后得
出控制对象各参数最
优值送给调节器，使
工况保持在最优状态。
当 SCC微型机出现故障时，可由模拟调节器
独立完成操作。
? SCC＋ DDC调节器
SCC微型机可完成
工段、车间高一级的最
优化分析和计算，并给
出最优给定值，送给
DDC级执行过程控制。
当 DDC级微机出现
故障时，可由 SCC微型
机完成 DDC的控制功能，
该系统提高了可靠性。
（ 4）分散型控制系统
（ Distributed Control System-DCS)
? DCS采用分散控制，集中操作，分级管
理，分而自治和综合协调的设计原则，把
系统从上到下分为分散过程控制级、集中
操作监控级、综合信息管理级，形成分级
分布式控制。
（ 5）现场总线控制系统
（ Fieldbus Control System-FCS)
? FCS是新一代分布式控制结构。 20世纪 80年代
发展起来的 DCS，其结构模式为, 操作站－控制站
－现场仪表, 三层结构，系统成本较高，而且各
厂商的 DCS又各自的标准，不能互连。 FCS于 DCS不
同，它的结构模式为, 工作站－现场总线仪表,
二层结构，完成了 DCS三层结构的功能，降低了成
本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真
正的开放式互连系统结构。
1.2 工业控制机的组成结构及特点
1.工业控制机
PC总线工控机 （ X86 CPU)
? STD总线工控机（ X86 CPU)
? VME总线工控机（ Motorola CPU）
? 多总线（ MULTIBUS)工控机（ X86 CPU)
1.2.1 工业控制机的组成
工
业
控
制
机
硬件
软件
系统软件
支持软件
应用软件
主机（ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ）板
内部总线和外部总线、人 — 机接口、
系统支持板、磁盘系统、通信接口、
输入输出通道
１、工业控制机的硬件组成
主
机
板
人机
接口
系统
支持
磁盘
系统
通信
接口
模拟量
输入通道
（ ＡＩ ）
模拟量
输出通道
（ Ａ Ｏ ）
数字量
输入通道
（ Ｄ Ｉ ）
数字量
输出通道
（ ＤＯ ）
外部总线
内部总线
2,PC总线标准
XT总线（书上的 PC总线）,62线,16位，数据传
输率 2.38Mbps
ISA (AT) 总线：对 XT总线的扩充,98线,16位，
寻址空间 16MB，数据传输率 16Mbps
EISA 总线：对 ISA总线的扩充,32位,98+98线，
数据传输率 32Mbps
VESA总线：局部总线标准，是 ISA总线的扩展，
适应多媒体技术，数据交换由 CPU总线直接进行，
运行速度为 66MHz或更高，最大数据传输率为
132Mbps。
?
PCI总线：在 CPU和外设间插入协调数
据传输的管理层，提供一致的总线接口，
形成了开放的局部总线标准，而不依赖
于 CPU芯片。工作频率 33MHz,PCI总
线的数据宽度为 32位和 64两种，
数据传输率分别为 133Mbps和 266Mbps，
PCI Express数据传输率可以达到
8Gbps。
?
3,基于 PC总线的工业控制机常见类型
ISA 总线工控机
PCI 总线工控机
PC104 总线工控机：总线与 ISA兼容
的基础上缩小模板尺寸，降低功耗，
满足嵌入式系统的要求。有 104条信
号线，模板尺寸为 3.6 in× 3.8 in
(90mm× 96mm)，可以层叠。
CompactPCI工控机,PCI总线＋欧式
插卡结构。
1.2.3 工业控制机的特点
?可靠性高和可维修性好；
?环境适应性强；
?控制的实时性；
?完善的输入输出通道；
?丰富的软件；
?适当的计算精度和计算速度。
三 计算机控制系统的发展概述
1 推广应用成熟的先进技术
（ 1）普及应用可编程序控制器 (PLC)
（ 2）广泛使用调节器
（ 3）采用新型的 DCS和 FCS
2 大力研究和发展智能控制系统
（ 1）分级递阶智能控制系统
（ 2）模糊控制系统
（ 3）专家系统
（ 4）学习控制系统
（ 5）神经网络控制系统
? 主机板
由中央处理器（ＣＰＵ）、内存储器
等部件组成，是工业控制机的核心
在控制系统中，主机主要进行必要的
数值计算、逻辑判断、数据处理等工作。
返回
内部总线和外部总线
?内部总线：是工业控制机内部各组成部分进行信
息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。
常用的有 IBM PC总线和 STD总线
?外部总线：是工业控制机与其它智能设备进行信
息传送的公共通道。
常用的有 RS-232总线和 IEEE-488总线
返回
系统支持功能
?监控定时器
?电源掉电监测
?保护重要数据的后备存储体
?实时日历时钟
返回
输入输出通道
? 是工业控制机与生产过程间设置的信号
传递和变换的连接通道。
其作用是：
?将生产过程的信号变换成主机能够接受和
识别的代码；
?将主机输出的控制命令和数据，变换后作
为执行机构或电气开关的控制信号。
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