计算机技术知识课件

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1、计算机技术知识计算机技术知识第一章第一章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.2 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类1.3 计算机控制系统的控制核心计算机控制系统的控制核心1.4 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制系统的发展概况及趋势计算机技术知识计算机技术知识1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念闭环控制系统框图闭环控制系统框图有哪些重要的概念有哪些重要的概念?反馈反馈传递函数传递函数系统响应系统响应拉氏变化拉氏变化动态性能动态性能稳定性稳定性计算机技术知识计算机技术知识

2、1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成+re偏偏差差计计算算机机D/A执执行行器器被被控控对对象象uqyA/D测测量量变变送送器器z测测量量值值给给定定值值控控制制计计算算机机生生产产过过程程控控制制作作用用操操纵纵变变量量被被控控量量图图1 1-3 3 计计算算机机控控制制系系统统原原理理框框图图-闭环控制系统框图闭环控制系统框图计算机控制系统：计算机控制系统：计算机控制系统框图计算机控制系统框图+re偏偏差差计计算算机机D/A执执行行器器被被控控对对象象uqyA/D测测量量变变送送器器z测测量量值值给给定定值值控控制制计计算算机机生生产产过过程程控控制制作作用用操操纵纵变变量量被

3、被控控量量图图1 1-3 3 计计算算机机控控制制系系统统原原理理框框图图-计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图a.a.实时数据采集实时数据采集-对来自测量变送器的被控量的瞬时对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入值进行采集和输入 ；b.b.实时数据处理实时数据处理-对采集到的被控量进行分析、比较对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；算，进行控制决策；c.c.实时输出控制实时输出控制-根据控制决策，适时地对执行器发根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务。出控制信号，完成监控任务。计算机技术知识计算机技术知

4、识1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.1.2 1.1.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统的硬件组成通用外部通用外部设备设备人机联系人机联系设备设备接口接口电路电路过程通道过程通道信息变换和传递信息变换和传递的作用的作用主机主机计算机技术知识计算机技术知识硬件仅为计算机控制系统的躯体，必须有软件硬件仅为计算机控制系统的躯体，必须有软件软件软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，是指完成各种功能的计算机程序的总和，它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的。动作都是在软件程序指挥下协调工作的。软件通常分

5、为软件通常分为系统软件系统软件和和应用软件应用软件两大类；两大类；1.1 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.1.2 1.1.2 计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件厂家提供，用以管理厂家提供，用以管理计算机本身的程序。计算机本身的程序。由用户根据控制系由用户根据控制系统的需要设计统的需要设计汇编软件、汇编软件、C语言、组态软件语言、组态软件计算机技术知识计算机技术知识1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）1.2.3 1.2.3 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（

6、SCCSCC）1.2.4 1.2.4 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）1.2.5 1.2.5 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）1.2.6 1.2.6 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）1.2 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类按功能和特点分类按功能和特点分类计算机技术知识计算机技术知识操作指导控制系统操作指导控制系统(Operation Guide Control)(Operation Guide Control)：-基于数据采集系统的一种开环结构。基于数据采集系统的一种开环结构。1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统

7、 (OGC)(OGC)计算机技术知识计算机技术知识操作指导控制系统操作指导控制系统(Operation Guide Control)(Operation Guide Control)：1.2.1 1.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1操作过程操作过程：（1）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后）计算机只对系统过程参数进行收集、加工处理，而后输出（显示或打印）（提供准确的参照数据）。输出（显示或打印）（提供准确的参照数据）。（2）现场人员参照显示的数据，根据经验对系统进行调节）现场人员参照显示的数据，根据经验对系统进行调节2应用场合：应用场合：尚未摸清控制

8、规律的系统（计算机系统的初级阶段）。尚未摸清控制规律的系统（计算机系统的初级阶段）。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。用来摸索新系统的数学模型和控制规律。3特点：特点：简单、可靠、人工操作、慢、不能同时控制几个回路。简单、可靠、人工操作、慢、不能同时控制几个回路。计算机技术知识计算机技术知识计计算算机机生生产产过过程程显示显示打印机打印机报警报警操作台操作台）ID，D/A（入入输输程程过过）O D，A/D（出出输输程程过过 直接数字控制系统直接数字控制系统（Direct Digital ControlDirect Digital Control）：是）：是用一台计算机完成对多个被控参数的数据

9、采集，且按一定用一台计算机完成对多个被控参数的数据采集，且按一定的控制规律进行实时决策，并通过输出通道发出控制信号的控制规律进行实时决策，并通过输出通道发出控制信号以实现对生产过程的闭环控制。以实现对生产过程的闭环控制。1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）计算机技术知识计算机技术知识1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）作法：作法：计算机对多个参数进行巡回检测；计算机对多个参数进行巡回检测；将检测值与给定值加以比较；将检测值与给定值加以比较；根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。根据偏差，按适当的控制规律对系统进行控制。特点：特

10、点：一台计算机可同时控制多回路；一台计算机可同时控制多回路；可靠。可靠。控制灵活：控制灵活：每个参数的控制可各异；每个参数的控制可各异；各参数在不同情况下可采用不同的控制规律或方法（各参数在不同情况下可采用不同的控制规律或方法（串级、前馈、模糊、自适应控制等）；串级、前馈、模糊、自适应控制等）；应用广泛。应用广泛。微机控制技术使检测值使检测值给定值给定值 1.2.3 1.2.3 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCCSCC）监督计算机控制系统监督计算机控制系统（Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）：）：是是O

11、GCOGC系统与常规仪表系统或与系统与常规仪表系统或与DDCDDC系统综合而成的两级系统。系统综合而成的两级系统。管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.SCC+模模拟拟调调节节器器SCC+DCC控控制制系系统统计算机技术知识计算机技术知识1.2.3 计算机监督系统（计算机监督系统（SCCSCC）作法：作法：（1）系统中，给定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描）系统中，给定值不是人为预先给定，而是由计算机按照描述生产过程的数学模型，述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值。计算出最佳给

12、定值。（2）送给模拟调节器）送给模拟调节器 或或 DDC，对生产过程进行控制。，对生产过程进行控制。特点：特点：更接近于生产的实际情况，增加了更接近于生产的实际情况，增加了“冗余量冗余量”，更可靠。，更可靠。计算机技术知识计算机技术知识1.2.4 1.2.4 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）集散控制系统集散控制系统（Distributed Control SystemDistributed Control System）：是以微处理）：是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理集中管理和和分散控制分散控制的先进计算机控制系统。又

13、称分散控制系统。的先进计算机控制系统。又称分散控制系统。运运行行员员操操作作站站工工程程师师工工作作站站计算站计算站管管理理级级监监控控级级控控制制级级现现场场级级管理网络管理网络管管理理计计算算机机管理计算机管理计算机过程控过程控制站制站通信通信接口接口基本控基本控制单元制单元基本控基本控制单元制单元基基本本控控制制单单元元通信通信接口接口监控网络监控网络控制网络控制网络控制网络控制网络数数据据输输入入输输出出单单元元数数据据输输入入输输出出单单元元数数据据输输入入输输出出单单元元数据数据采集站采集站M常规仪表常规仪表常规仪表常规仪表图1-9 分散控制系统图1-9 分散控制系统现场网络现场网

14、络管理级管理级操作级操作级过程级过程级计算机技术知识计算机技术知识1.2.4 1.2.4 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）作法：作法：（1）过程级过程级：直接控制生产过程。：直接控制生产过程。（2）操作级操作级：用于监控过程级各站点的所有信息，实现信息的：用于监控过程级各站点的所有信息，实现信息的集中显示和对生产过程的集中控制操作，实现各控制回路就集中显示和对生产过程的集中控制操作，实现各控制回路就的组态、参数的设定和修改以及优化控制等。的组态、参数的设定和修改以及优化控制等。（3）管理级管理级：工厂管理信息系统，向决策者提供各种信息。：工厂管理信息系统，向决策者提供各种信息。特点：

15、特点：功能强大、性能优越、技术成熟、软件支持广泛。功能强大、性能优越、技术成熟、软件支持广泛。传送信号精度低、抗干扰能力差，系统复杂，维护管理麻烦传送信号精度低、抗干扰能力差，系统复杂，维护管理麻烦计算机技术知识计算机技术知识1.2.5 1.2.5 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFieldbus Control System）：）：是现场总线为基础，将现场控制装置和现场智能仪表互联是现场总线为基础，将现场控制装置和现场智能仪表互联的实时网络控制系统。的实时网络控制系统。第六章详细介绍第六章详细介

16、绍 现场总线现场总线（FieldbusFieldbus）：）：是是连接现场智能设备和自动化系连接现场智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分统的数字式、双向传输、多分支结构的支结构的通信网络通信网络。特点：特点：全数字化、全分全数字化、全分散、双向串行传输、多散、双向串行传输、多分支结构、多点通信、分支结构、多点通信、可互操作的和全开放式可互操作的和全开放式的新型控制系统的新型控制系统。计算机技术知识计算机技术知识1.2.7 1.2.7 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMSCIMS）CIMS CIMS 递阶层次结构图递阶层次结构图 计算机集成制造系统计算机集成制造系统（Comp

17、uter Integrated Manufacturing System）是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术和系统工是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管理技术和系统工程技术等新技术发展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设程技术等新技术发展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，计、加工制造、销售及服务等环节和人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，求得生产活动的最优化进行统一控制，求得生产活动的最优化。计算机技术知识计算机技术知识1.3 计算机控制系统的控制

18、核心计算机控制系统的控制核心1.3.1 1.3.1 单片机单片机1.3.2 DSP1.3.2 DSP1.3.3 ARM1.3.3 ARM1.3.4 1.3.4 工控机工控机1.3.5 1.3.5 可编程控制器可编程控制器计算机技术知识计算机技术知识1.3.1 1.3.1 单片微型计算机（单片机）单片微型计算机（单片机）将将CPU、存储器、时钟及接口电路等主要计算机部件，、存储器、时钟及接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上。集成在一块集成电路芯片上。集成度高，功能强集成度高，功能强 结构合理结构合理抗干扰能力强抗干扰能力强指令丰富指令丰富省电省电成本低成本低速度有限速度有限计算机技

19、术知识计算机技术知识1.3.2 DSP1.3.2 DSP 专门用于数字信号处理的微处理器。专门用于数字信号处理的微处理器。哈佛结构哈佛结构采用流水作业，独立的乘法器和累加器采用流水作业，独立的乘法器和累加器较高的时钟速度和极快的运算能力较高的时钟速度和极快的运算能力接口丰富接口丰富 代表：代表：TI公司的公司的TMS320C2000/C5000/C6000常与常与FPGA或或CPLD配合使用：配合使用：用用FPGA硬件实现大量的低层信号预处理算法硬件实现大量的低层信号预处理算法所处理的数据，同时兼顾速度和灵活性。所处理的数据，同时兼顾速度和灵活性。高层处理算法采用运算速度高、寻址方式灵活、高层

20、处理算法采用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的通信机制强大的DSP 芯片来实现芯片来实现计算机技术知识计算机技术知识1.3.3 ARM 1.3.3 ARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）是一种微处理器。是一种微处理器。体积小、低功耗、低成本、高性能。体积小、低功耗、低成本、高性能。大量使用寄存器，指令速度高。大量使用寄存器，指令速度高。大多数数据操作都在寄存器中完成。大多数数据操作都在寄存器中完成。计算机技术知识计算机技术知识1.3.4 1.3.4 工控机工控机 工控机：工控机：是一种面向工业控制、采用标准总线是一种面向工业控制

21、、采用标准总线技术和开放体系结构的计算机。技术和开放体系结构的计算机。计算机技术知识计算机技术知识（1）用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板；）用通用底板总线插座代替个人计算机中的大母板；（2）将母板分为）将母板分为 PC 插件（若干），如插件（若干），如 CPU板，存储板板，存储板 等；等；（3）把原）把原 PC 电源改为工业电源；电源改为工业电源；（4）采用密封机箱，内部压送风；）采用密封机箱，内部压送风；（5）配相应的工业软件。）配相应的工业软件。（6）既利用了）既利用了PC 机丰富的资源，又在结构上实现了块化。机丰富的资源，又在结构上实现了块化。1.3.4 1.3.4 工控机工控

22、机工控机与一般工控机与一般PC机比较机比较计算机技术知识计算机技术知识1.3.5 1.3.5 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（PLCPLC）可编程控制逻辑器可编程控制逻辑器 (Programmable Logical Controller)，简称，简称 PLC。是是继电器逻辑控制系统继电器逻辑控制系统 与与 微型计算机技术微型计算机技术相结合的产物。相结合的产物。PLC 采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为存储器及采用微处理器作为主控制器，大规模集成电路作为存储器及I/O接口。接口。其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完美的境界。并其可靠性、功能、价格、体积都达到了较成熟和完

23、美的境界。并以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到广泛的应用，受到以其卓越的技术指标和优异的抗干扰能力得到广泛的应用，受到工业界人士的瞩目。工业界人士的瞩目。应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工应用：单机自动化、工厂自动化，从柔性制造系统、机器人到工业局部网络无不有它的踪影。业局部网络无不有它的踪影。计算机技术知识计算机技术知识PLC 的功能的功能 (1)条件控制条件控制 (2)定时控制定时控制 (3)计数控制计数控制 (4)顺序控制顺序控制 (5)模数模数(A/D)、数模、数模(D/A)转换转换 (6)数据处理数据处理 (7)通讯与联网通讯与联网微机控制技术广泛应用在控

24、制系统中广泛应用在控制系统中1.3.5 1.3.5 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（PLCPLC）计算机技术知识计算机技术知识2PLC 的特点的特点 (1)可靠性高可靠性高(2)编程容易编程容易(3)组合灵活组合灵活(4)输入输出功能模块齐全输入输出功能模块齐全(5)安装方便安装方便(6)运行速度快运行速度快 1.3.5 1.3.5 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（PLCPLC）3PLC的分类的分类 (1）低档）低档PLC (2）中档）中档PLC (3）高档）高档PLC计算机技术知识计算机技术知识1.3 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制系统的发展概况及趋势1.3.1 1.3.1

25、 发展概况发展概况随计算机技术的发展而发展随计算机技术的发展而发展 （1 1）2020世纪世纪5050年代产生。年代产生。（2 2）20 20世纪世纪6060年代以来，集成电路和计算机技术的发展。年代以来，集成电路和计算机技术的发展。（3 3）2020世纪世纪9090年代以来，网络技术的发展。年代以来，网络技术的发展。计算机控制理论计算机控制理论随自动控制理论的发展而发展随自动控制理论的发展而发展 PID PID、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、神经网络等、鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、神经网络等计算机技术知识计算机技术知识1 1大力推广应用成熟的先进技术大力推广应用成熟的先进技术 (1)(

26、1)普及应用可编程序控制器普及应用可编程序控制器(PLC)(PLC)(2)(2)广泛使用智能化调节器广泛使用智能化调节器 (3)(3)采用新型的采用新型的 DCS DCS 和和 FCSFCS (4)FPGA(4)FPGA将成为微型计算机控制技术的新宠将成为微型计算机控制技术的新宠1.3 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制系统的发展概况及趋势1.3.2 1.3.2 发展趋势发展趋势2 2综合自动化：综合自动化：网络技术、数据库、接口技术、先进控制技术、网络技术、数据库、接口技术、先进控制技术、软测量技术、生产过程的安全保护技术等。软测量技术、生产过程的安全保护技术等。3.3.网络化网络化4

27、.4.智能控制系统智能控制系统5.5.虚拟化：虚拟化：虚拟实现、虚拟产品开发、虚拟制造、虚拟企业虚拟实现、虚拟产品开发、虚拟制造、虚拟企业6.6.绿色化：绿色化：减少或消除自动化设备对人类和环境的污染与损害。减少或消除自动化设备对人类和环境的污染与损害。计算机技术知识计算机技术知识本章小结 本章概要介绍了：本章概要介绍了：（1 1）计算机控制系统的）计算机控制系统的构成原理构成原理、硬件组成硬件组成与与软件组成软件组成;（2 2）计算机控制系统的）计算机控制系统的分类分类、控制核心控制核心；（3 3）计算机控制系统的）计算机控制系统的发展概况发展概况和和趋势趋势。计算机技术知识计算机技术知识思

28、考题1简述计算机控制系统与常规仪表控制系统的基简述计算机控制系统与常规仪表控制系统的基本结构及主要异同点。本结构及主要异同点。2分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。分析说明计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？类？5计算机控制系统的控制核心主要有哪些？计算机控制系统的控制核心主要有哪些？计算机技术知识计算机技术知识内容要求：内容要求：（1）详细介绍控制对象的特性）详细介绍控制对象的特性（2）对象数学模型描述）对象数学模型描述（3）计算机控制系统配置、结构等（如）计算机控制系统配置、结构等（如PLC、DCS 或工控机等型号、类型等）或工控机等型号、类型等）（4）所应用的控制算法（）所应用的控制算法（PID、预测、串级控制算法等）、预测、串级控制算法等）（5）分析所应用的控制算法的有效性（证明，仿真）。）分析所应用的控制算法的有效性（证明，仿真）。举一个计算机控制系统实例并举一个计算机控制系统实例并分析分析之：之：