计算机控制系统
绪论
• 本章结构：
–计算机控制系统的实例 –计算机控制系统的组成 –计算机控制系统的分类 –计算机控制系统中的一些基本概念 –计算机控制系统的理论问题 –计算机控制系统的设计问题 –计算机控制系统的发展趋势、发展前景
计算机控制系统的实例
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集散控制系统 机器人 航空航天控制 电梯控制系统 超导限流器恒流电源 自动控制系统 • 智能楼宇控制系统 • 隧道led照明控制系统
计算机控制系统软件
工业组态软件 组态王：
• 现场的操作者可以完成设备的起停 • 中控室的工程师可以完成工艺参数的整定 • 办公室的决策者可以实时掌握生产成本，设备利用率及产 量等数据 组态王6.5的Internet功能逼真再现场画面，使您在任何时间任 何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得实现：包括： • 现场的流程画面 • 过程数据 • 趋势曲线 • 生产报表(支持报表打印和数据下载) • 操作记录和报警
计算机控制系统的分类
• 以参于控制方式分类 ：
–操作指导控制系统 –直接数字控制系统 –计算机监督控制系统 –多级控制系统 –分布式控制或集散控制系统 –计算机控制网络（现场总线控制系统）
操作指导控制系统
微 微 型 型 计 计 算 算 机 机
A/D A/D 转 转 换 换 器 器
工 工
……
测 量 元 件 测 量 元 件
计算机控制系统的组成
控制器
执行器 检测环节
对象
计算机控制系统的结构框图
操作台 操作台 打印 打印 机 机 I/O I/O 接口 接口 I/O I/O 接口 接口 计 计 算 算 机 机 显 显示 示 终端 终端 通用 外围设备 I/O I/O 接口 接口 主 主 机 机 I/O I/O 接口 接口 I/O I/O 接口 接口 I/O I/O 接口 接口 I/O 接口电路 D/A D/A 多路 多路 开关 开关 执行 执行 机构 机构 A/D A/D 多路 多路 开关 开关 传感器及 传感器及 变送机构 变送机构
摄像 摄像
中 中 央 央
话筒 话筒
多关节手臂 多关节手臂
计 计 算 算 机 机
知识库 知识库
扬声器 扬声器
行走机构 行走机构
显示器 显示器
航空航天
电梯控制系统
超导限流器恒流电源自动控制系统
电网
交流绕组
负载 铁芯 开关 直流绕组
直流电源
–
NI控制器
• •
可以独立运行的可编程嵌入式控制器，可靠性 高，适合严酷的工业环境 工作温度在-40 ~ 70 °C之间。内部带有一个 200 MHz 奔腾处理器，可以实现实时控制，数 据分析以及通信等任务。还带有10M/100M兼容 的以太网接口，可以与监控终端进行实时通 信，而且具有宽的输入范围11 to 30 V直流供 电，实时时钟，看门狗定时器等，具有很高的 可靠性。
高速数据公路
DDC 直接数 DDC 直接数 字控制站 字控制站 数据 数据 采集站 采集站 多功能 多功能 控制站 控制站 可编程逻辑 可编程逻辑 控制站 控制站 单回路调节 单回路调节 控制站 控制站
计算机控制网络 （现场总线控制系统,通用结构）
DCS和FCS的比较
• • DCS 大系统 ,投资一步到位,灵活性较 差 封闭 必须有D/A与A/D转换 ,模拟信 号传输 DCS的每秒2~5次 配备大量隔离器、端子柜、I/O 终端、I/O卡件、I/O柜 结构复杂,专用化 • • • • • • • • FCS 信息处理现场化 ,投资起点低， 可以边用、边扩、边投运 开放 全数字化 缩短了控制周期 , FCS的每秒 10~20次 减少大量电缆与敷设电缆用的 桥架等，同时也节省了设计、 安装和维护费用 FCS相对于DCS组态简单，结 构、性能标准化
工厂对象 A 工厂对象A
工厂对象 B 工厂对象B
图1-5 多级计算机控制系统
集散控制系统
生产管理级 过程管理级
管理计算机 管理计算机
中央操作台 中央操作台
网间连接器 网间连接器
LAN局域网 操 操作 作员 员站 站 监控计算机 监控计算机
网间连接器 网间连接器
工程师操作站 工程师操作站 过程控制级
工 工 业 业 对 对 象 象
数字量输入 数字量输入 数字量输出 数字量输出 I/O通道
主机 及操作台
信号检测 被控对象 及变送
计算机控制系统软件
工业组态软件 InTouch HMI软件：
• 为用户提供了今天的HMI 和监控应用所需的能力和通用性。 • 支持用户快速建立和部署实时工业生产过程的图形显示方 案。 • 支持用户为他们的过程快速、方便地开发定制的图形视图 。 • 编辑器使用QuickScript 编辑器可以扩展和定制InTouch 应 用，以满足特定的系统需求，使InTouch 成为市场上最灵活的 HMI产品之一。 • 快速切换 (Fast Switch)允许应用开发者通过点击按钮在运行 时和开发环境之间快速切换 。 • 提供了比其它 HMI 产品更多的数以百计的I/O 服务器，支 持用户连接任何工业自动化控制设备 。
计算机控制系统的基本概念
• • • •
信号的种类 系统的分类 采样的操作 数据采集、转换与分配系统
计算机控制系统的基本概念
• 信号的种类：
1. 模拟信号: 定义在连续时间上的信号，且其幅值也是连续变化的。 2. 连续时间信号: 时间上连续，幅值上可能是跳跃的。（如模拟信号经过采 样保持）。 3. 离散时间信号： 定义在离散时间上的瞬时信号。包括， a）采样信号：经过采样操作，且信号的幅值未经量化。 b）数字信号：幅值被量化的离散时间信号。可以用二进 制数表示。
绪论
• 本章结构：
–计算机控制系统的实例 –计算机控制系统的组成 –计算机控制系统的分类 –计算机控制系统中的一些基本概念 –计算机控制系统的理论问题 –计算机控制系统的设计问题 –计算机控制系统的发展趋势、发展前景
计算机控制系统的分类
• 以参于控制方式分类 • 以自动控制形式分类 • 以调节规律分类
天津市行政审批中心系统集成
地下停车场监控界面
隧道led照明控制系统
系统结构
485总线 控制中心 控 制 台
灯具
绪论
• 本章结构：
–计算机控制系统的实例 –计算机控制系统的组成 –计算机控制系统的分类 –计算机控制系统中的一些基本概念 –计算机控制系统的理论问题 –计算机控制系统的设计问题 –计算机控制系统的发展趋势、发展前景
计算机控制系统软件
工业组态软件 FIX组态软件：
• • • • • • • • • • • 分布式客户机/服务器体系结构 直观的人机界面 100%的数据完整性 实时过程监视 监督控制和数据采集 SQL/ODBC关系数据库连接 报警和报警管理 完整且精确的报告 实时和历史趋势 统计过程控制 适用于各种规模的MMI和SCADA解决方案
+
-
控制器
采样开关
采样开关
检测 装置
受控 对象
保持器
采样开关
离散时间控制系统
• 数字控制系统: 控制器只能处理数字（离散）信 号，控制系统内必有、转换器完成连续信号与离 散信号之间的相互转换。
u (t )
+
-
A/D
计算机 或微处理器 反馈 装置
D/A
受控对象
y (t )
数字控制系统
• 数字控制系统的基本控制方案结构包括反馈控制 和前馈控制。对于一个给定的被控对象，选择合 适的性能指标，然后设计控制器来优化选定的性 能指标。
计算机控制系统软件
PLC软件 GE CIMPLICITY编程，冗余，监控软件：
• 具有一系列广泛的可选文本和图形功能 • 配备按部就班的指导及简易的组态 • 可以随时随心所欲的编程
计算机控制系统软件
PLC软件 西门子Wincc Step7 Soft net 冗余软件：
• • • • • • • • • 面向对象, 直观的用户界面 组态取代了编程 统一的数据库 硬件组态，参数设置 建立通讯 编程(梯形图、语句表、功能块) 调试 文档 诊断
–计算机开环控制系统 –计算机闭环控制系统 –在线控制系统 –离线控制系统 –实时控制系统
绪论
• 本章结构：
–计算机控制系统的实例 –计算机控制系统的组成 –计算机控制系统的分类 –计算机控制系统中的一些基本概念 –计算机控制系统的理论问题 –计算机控制系统的设计问题 –计算机控制系统的发展趋势、发展前景
采 样 器 采 样 器 操 作 人 员 操 作 人 员
……
业 业 对 对
打印机
象 象
调节器
显示设备
图1-1 操作指导控制系统组成框图
直接数字控制系统
管理命令 报告
人工监管 人工监管 给定值 给定值 D/A D/A 反多路开关 反多路开关 DDC 微型计算机 DDC微型计算机 测量值 测量值 A/D A/D 多路开关 多路开关 检测元件 检测元件 生产过程 生产过程 图1-2 DDC控制系统原理图
机器人
战场机器人 娱乐机器人 航天机器人 清洁机器人
美军排爆机器人执行任务
无人作战机器人
智能娱乐机器人-童童
骑自行车的机器人-村田顽童
智能机器人结构图
图像 图像 处理机 处理机 控制 控制 计算机 计算机 控制 控制 计算机 计算机 语言识别 语言识别 计算机 计算机 语言 语言 合成器 合成器 显示 显示 计算机 计算机
装置控制级 装置控制级 … 装置控制级 装置控制级 DDC DDC DDC DDC …… ……
至其他工厂
至其他工厂
车间监督计算机 车间监督计算机 （ SCC） （SCC）
装置控制级 装置控制级 … 装置控制级 装置控制级 DDC DDC DDC DDC …… …… 工厂对象 C 工厂对象C 工厂对象 D 工厂对象D