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3｜物联网控制｜计算机控制-刘川来胡乃平版｜第1章:绪论｜青岛科技大学课堂笔记｜U1 ppt

news 2025/6/10 16:09:09

1.1 计算机控制系统概述

计算机控制，是关于将计算机技术应用于工农业生产、国防等行业自动控制的一门综合性学科与技术。

计算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电子学和自动化仪表为基础的综合学科。

计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。

1.1.1计算机控制系统产生的原因

随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂，出现了多输入—多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的，因此，电子计算机尤其是微型计算机的出现并应用于自动控制领域，使自动控制水平产生了巨大的飞跃。

1.1.2计算机控制技术的发展

微电子技术和计算机技术的发展，为计算机控制的发展奠定了坚实的基础。

自1946年世界上第一台可以由程序控制的计算机（称为电子数字器与计算器）ENICA诞生以来，人们就试图将这种运算速度快，又能存储又能进行算术和逻辑计算的机器应用于自动控制系统中来。然而这种昂贵的运算机器在作为控制器来说是大材小用，于是人们希望用这种计算机来完成许多回路的数据采集与控制，而当时计算机的可靠性又难以胜任作为控制器所需要的高可靠性。

20世纪50年代初，美国首先用计算机来完成对生产过程进行巡检数据采集和数据处理。

1959年美国TRW航空公司和Texaco公司合作成功地在得克萨斯州的一家炼油厂将一台计算机投入在线控制。该控制系统以综合指标出发确定了热水循环系统的最佳参数，同时也揭开了计算机控制的辉煌一页。

在20世纪60年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。1962年英国帝国化工公司制造出一套可以直接取代常规仪表对生产过程直接进行控制的计算机控制系统，开创了直接数字控制的新时期。

自1971世界上第一片四位微处理器的出现，微型计算机得以快速的发展，1993年Pentium处理器的出现更使微型计算机在运算速度等诸多方面得以长足发展，同时也使计算机控制得以飞速发展。

微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现分散控制创造了良好的条件。

1975年美国Honeywell公司研制成功世界上第一套集散型控制系统TDC－2000并投入使用，开创了计算机应用于实际生产过程控制的新纪元。随后一直到80年代末，集散控制系统迅速发展，有几万套集散系统投入运行，不但得到使用者的高度评价同时也为制造商和使用企业带来了巨大的经济效益。

随着3C技术和网络技术的发展，现场总线控制系统和网络控制系统应运而生。可编程控制器的综合应用已打破了原工业控制的格局，并共同融入到计算机控制系统的大门类之中。

目前，由于计算机这个工具从深度和广度的综合应用和发展，自动控制技术也向着其深度和广度发展。

在广度方面，向着大系统或系统工程的方向发展，向着管理控制一体化的方向发展。从单一过程、单一对象的局部控制，发展到对整个工厂、整个企业，甚至对社会经济、国土利用、生态平衡、环境保护等大规模复杂对象和系统进行综合控制。

在深度方面，则向着智能化方向发展，人们逐步地引入了自适应、自学习等控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉和触觉，能够自动地识别图像、文字、语言进一步根据感知的信息进行推理分析、直观判断、自学习、自行解决故障和问题。计算机在控制系统中的应用，不但带动了计算机技术的发展，同时也推动了自动控制理论和工程的发展。

1.2计算机控制系统的组成及分类

1.2.1 计算机控制系统

自动控制是在非人工直接参与的前提下，应用自动控制装置自动地、有目的地控制设备和生产过程，使他们具有一定的状态和性能，完成相应的功能，实现预定的目标，自动控制系统一般可以分为：开环控制系统和闭环控制系统两大类。

(1)分类

1.开环控制系统

如图1.1所示的系统为开环控制系统，所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方案对对象或系统进行控制，使被控制的对象或系统能够按照约定来运动或变化。

2.闭环控制系统

闭环控制系统的结构如图1.2所示，很明显闭环控制系统较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自被控参数的反馈信号。

3.计算机控制系统

在上述的开、闭环控制系统中都少不了控制器这样一个环节。若用计算机替代了系统中的控制器这样就形成了计算机控制系统。由于计算机处理的是数字信号，而自然界中的信号又都是模拟信号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A），如图1.3所示。

(2)计算机控制系统的控制过程

计算机控制系统的控制过程可简单地归纳为三个过程：

1.信息的获取

计算机可以通过计算机的外部设备获取被控对象的实时信息和人的指令性信息。

2.信息的处理

计算机可根据预先编好的程序对从外设获取的信息进行处理。

3.信息的输出

计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作输出其处理或获取信息的情况。

1.2.2 计算机控制系统的硬件组成

(1)计算机控制系统的组成

在计算机控制系统中包括了硬件和软件两大部分，硬件是由计算机主机、接口电路、外部设备组成，是计算机控制系统的基础，软件是安装在计算机主机中的程序，它能够完成对其接口和外部设备的控制，完成对信息的处理，它包含有维持计算机主机工作的系统软件和为完成控制而进行信息处理的应用软件的两大部分，软件是计算机控制系统的关键。

典型的计算机控制系统的硬件主要包括：计算机主机、过程控制通道、操作控制台和常用的外设，如图1.4所示。应该指出的是，随着计算机网络技术的快速发展，网络设备也成为计算机控制系统硬件不可少的一部分。

(2)主机

主机是指我们用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。

它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象的控制，实现人机对话和网络通信。

由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设备的控制。

(3)过程控制通道

过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通道，根据信号的方向和形式，过程控制通道又可分为：

1.模拟量输入通道

完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，使之成为计算机能够接收的标准数字信号。

2.模拟量输出通道

目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量输出通道完成对数字量转换为模拟量并且保持。

3.数字量输入通道

数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计算机。

4.数字量输出通道

数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备，应该强调的是数字量输出通道输出的信号有时是直接驱动外部设备，其功率和阻抗的匹配是应该特别注意的。

(4)操作控制台

操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制方案和程序，操作控制台一般应包括：

信息的显示

信息的记录

工作方式状态的选择

信息输入

(5)通讯设备

随着信息技术的发展和网络的广泛应用及自动化的普及，通信已经变得无所不在。现代化工业生产过程的规模也越来越大。企业信息化的需求也要求生产过程的数据能够实时的上传到企业信息管理系统。计算机控制系统作为网络上的一个结点的方案已经被广泛采纳。通讯设备已成为计算机硬件的一个重要部分。这些设备可以完成计算机控制系统的信息交换。

1.2.3 计算机控制系统的软件组成

对于计算机控制系统来讲，除了硬件之外，还必须有软件。控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件水平的高低.

所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它分为系统软件和应用软件两大部分。

(1)系统软件

系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工具。系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用户不需自己设计开发。

(2)应用软件

应用软件是用户根据控制对象、控制要求，为实现高效、可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。它们包括：数据采集、数字滤波、标度变换、键盘的处理、过程控制算法、输出与控制等程序。

用于应用软件开发的程序设计语言，一般有：汇编、C# 、C++、VB、VC 等。目前也有一些专门用于控制的引用组态软件，这些软件功能强，使用方便，组态灵活，具有很强的应用前景。

1.2.4 计算机控制系统的分类

在生产过程中，根据被控对象的特点和控制功能，计算机控制系统有各种各样的结构和形式，按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环控制系统；按采用的控制方案，又分为程序和顺序控制、常规控制、高级控制（最优、自适应、预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、专家系统和神经网络等）。

计算机控制系统的分类不是严格的按照其结构或者功能进行分类的。计算机控制系统的分类，是根据计算机控制系统的发展历史和在实际应用中的状态并参考以往的教材进行分类的。一般分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统和计算机集成制造系统六大类。

(2023年 2月19日 15:27首次发布)

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