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1、计算机控制理论本讲稿第一页，共四十四页1.1 自动控制系统的一般形式自动控制系统的一般形式 从系统基本结构可以看出，自动控制系统的从系统基本结构可以看出，自动控制系统的基本功能是信号的传基本功能是信号的传递、加工和比较递、加工和比较。这些功能是由。这些功能是由检测元件、变送装置、控制器和执行检测元件、变送装置、控制器和执行机构机构来完成的。其中，来完成的。其中，控制器控制器是控制系统中最重要的部分，它决定是控制系统中最重要的部分，它决定了控制系统的性能和应用范围。了控制系统的性能和应用范围。本讲稿第二页，共四十四页 如果把系统基本结构中的控制器和比较环节用计算机来代替，再如果把系统基本结构中的

2、控制器和比较环节用计算机来代替，再加上加上A/D转换器、转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，如转换器等器件，就构成了计算机控制系统，如下图所示。下图所示。1.2 计算机控制系统的一般概念与组成计算机控制系统的一般概念与组成1.2.1 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的一般概念本讲稿第三页，共四十四页计算机控制系统的控制过程计算机控制系统的控制过程1 实时数据采集实时数据采集 对被控参数的瞬时值进行实时检测，并输入给计算机。对被控参数的瞬时值进行实时检测，并输入给计算机。2 实时决策控制实时决策控制 对采集到的被控参数进行处理后，按照已经确定的控制规律，对采集到的被控参数进

3、行处理后，按照已经确定的控制规律，决定当前的控制量。决定当前的控制量。3 实时控制输出实时控制输出 根据实时计算的结果，适时地向执行机构发出控制信号，实根据实时计算的结果，适时地向执行机构发出控制信号，实施控制。施控制。本讲稿第四页，共四十四页 “实时性实时性”是指计算机控制系统应该具有的是指计算机控制系统应该具有的能够在限定的时间内能够在限定的时间内对外来事件做出反应对外来事件做出反应的特性。的特性。在确定限定时间时，主要考虑两个因素：在确定限定时间时，主要考虑两个因素：1 根据工业生产过程出现的事件能够保持多长时间。根据工业生产过程出现的事件能够保持多长时间。2 该事件要求计算机在多长的时

4、间内必须做出反应，否则，该事件要求计算机在多长的时间内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。将对生产过程造成影响甚至造成损害。“实时性实时性”一般都要求计算机具有一般都要求计算机具有多任务处理能力多任务处理能力，以便将测控，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加速程序执行速度。任务分解成若干并行执行的多个任务，加速程序执行速度。本讲稿第五页，共四十四页 计算机控制系统由计算机控制系统由计算机计算机（通常称为（通常称为工业控制机工业控制机）和）和生产生产过程过程两大部分组成。两大部分组成。工业控制机工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，是指按生产过程控制

5、的特点和要求而设计的计算机，它它包括硬件和软件包括硬件和软件两部分。两部分。生产过程生产过程包括包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。等装置。1.2.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成本讲稿第六页，共四十四页1.硬件组成硬件组成 本讲稿第七页，共四十四页（1）计算机）计算机 计算机是控制系统的核心。计算机是控制系统的核心。它按照预先存放在存储器中的程序、指令，不断通过它按照预先存放在存储器中的程序、指令，不断通过过程输过程输入通道入通道获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的获取反映被控对象运行工况的信息，并按程序中规定的控控

6、制算法制算法，或操作人员通过键盘输入的，或操作人员通过键盘输入的操作命令操作命令自动地进行运算和判断，自动地进行运算和判断，及时地产生并通过及时地产生并通过过程输出通道过程输出通道向被控对象发出相应控制命令，以实向被控对象发出相应控制命令，以实现对被控对象的自动控制。现对被控对象的自动控制。（2）I/O接口接口 I/O接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带。计算机通过计算机通过I/O接口与外部设备进行数据交换。目前大多数接口与外部设备进行数据交换。目前大多数I/O接接口电路都是可编程的。比如常用的并行接口口电路都是可编程的。比如常用的并行接口8155

7、和和8255，定时器，定时器/计计数器数器8253等。等。本讲稿第八页，共四十四页（3）输入和输出通道）输入和输出通道 又称为又称为过程通道过程通道。工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（一工业对象的过程参数一般是非电物理量，必须经过传感器（一次仪表）变换为电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须次仪表）变换为电信号。为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息传输和转换在计算机和生产过程之间设置信息传输和转换的连接通道。的连接通道。输入和输出通道一般分为输入和输出通道一般分为模拟量输入通道模拟量输入通道、模拟量输出通道、数模拟量输出通道、数字量输入通道

8、和数字量输出通道字量输入通道和数字量输出通道。（4）通用外部设备）通用外部设备 主要是为了主要是为了扩大计算机的功能扩大计算机的功能而设置的。而设置的。它们用来显示、打印、存储及传送数据。目前已经有各种各样的它们用来显示、打印、存储及传送数据。目前已经有各种各样的通用外部设备可以选择，如打印机、显示器、声光报警器、光盘驱动通用外部设备可以选择，如打印机、显示器、声光报警器、光盘驱动器及扫描仪等。器及扫描仪等。本讲稿第九页，共四十四页（5）操作台）操作台 操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。操作台是一个实时的人机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测通过它人们

9、可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作命令等。主要包括以下参数以及发出各种操作命令等。主要包括以下4部分：部分：作用开关。作用开关。例如：电源开关，手动例如：电源开关，手动/自动开关等，利用这些开自动开关等，利用这些开关操作人员可以对主机进行启停、设置控制方式等。关操作人员可以对主机进行启停、设置控制方式等。功能键。功能键。例如：复位键、启动键、打印键、显示键、工作方式选例如：复位键、启动键、打印键、显示键、工作方式选择健等。利用这些功能键可以向计算机申请中断服务，选择连续工作或择健等。利用这些功能键可以向计算机申请中断服务，选择连续工作或单步操作等工作方式。单步操

10、作等工作方式。数字键。数字键。主要用来送入数据或修改控制系统的参数。主要用来送入数据或修改控制系统的参数。屏幕或显示器。屏幕或显示器。例如：例如：CRT、液晶显示器或、液晶显示器或LED、LCD数码管数码管显示器。利用这些显示设备，操作人员可以观察系统的工作状态，了解显示器。利用这些显示设备，操作人员可以观察系统的工作状态，了解一些过程参数及变化趋势图等，还可以报警。一些过程参数及变化趋势图等，还可以报警。本讲稿第十页，共四十四页（6）自动化仪表）自动化仪表 自动化仪表主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执自动化仪表主要包括测量元件、检测仪表、调节仪表、执行机构等。直接将输入和输出通道与工业

11、对象发生联系。行机构等。直接将输入和输出通道与工业对象发生联系。本讲稿第十一页，共四十四页 计算机控制系统的软件通常由计算机控制系统的软件通常由系统软件系统软件和和应用软件应用软件组成。组成。（1）系统软件）系统软件 系统软件完成人机交互、资源管理和系统维护等功能系统软件完成人机交互、资源管理和系统维护等功能。通常包括操作系统、编译程序和诊断程序等，具有一定的通用性，一通常包括操作系统、编译程序和诊断程序等，具有一定的通用性，一般由计算机生产商提供。般由计算机生产商提供。（2）应用软件）应用软件 应用软件则是专门开发用来完成程序控制、数据采集及处理、巡回检应用软件则是专门开发用来完成程序控制、

12、数据采集及处理、巡回检测及报警等规定任务的各种程序测及报警等规定任务的各种程序。一般是由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和一般是由计算机控制系统设计人员根据所确定的硬件系统和软件环境来开发编写。软件环境来开发编写。2.软件组成软件组成 本讲稿第十二页，共四十四页1.3 工业控制计算机的特点工业控制计算机的特点工控机的特点如下：工控机的特点如下：1.可靠性高和可维修性好可靠性高和可维修性好 可靠性可靠性的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，的简单含义是指设备在规定的时间内运行不发生故障，为此需要采用可靠性技术来解决；为此需要采用可靠性技术来解决；可维修性可维修性是指工业控制机

13、发生故障时，维修快速、方便、简是指工业控制机发生故障时，维修快速、方便、简单。单。工控机通常用于控制连续的生产过程，工控机发生任何故障工控机通常用于控制连续的生产过程，工控机发生任何故障都将对生产过程产生严重后果。因此要求工控机具有很高的可靠都将对生产过程产生严重后果。因此要求工控机具有很高的可靠性和很好的可维修性。性和很好的可维修性。本讲稿第十三页，共四十四页2.控制的实时性好控制的实时性好 工控机对生产过程进行实时控制和监测，因此要求它必须实时地工控机对生产过程进行实时控制和监测，因此要求它必须实时地响应控制对象各种参数的变化，当发生异常时能及时处理和报警。因响应控制对象各种参数的变化，当

14、发生异常时能及时处理和报警。因此需要配有此需要配有实时操作系统和中断系统实时操作系统和中断系统。3.环境适应性强环境适应性强 工控机一般来说都安装在控制现场，所处的环境往往比较恶劣。工控机一般来说都安装在控制现场，所处的环境往往比较恶劣。这就要求工控机具有防尘、防潮、防腐蚀、耐高温以及抗震动等能力。这就要求工控机具有防尘、防潮、防腐蚀、耐高温以及抗震动等能力。4.输入和输出通道配套好输入和输出通道配套好 工控机要有丰富的工控机要有丰富的输入和输出通道配套模板输入和输出通道配套模板，如模拟量、开关，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入和输出模板。具有多种类型的信号调理量、脉冲量、频率量等输入和

15、输出模板。具有多种类型的信号调理功能，如各类热电偶、热电阻信号的输入调理等。功能，如各类热电偶、热电阻信号的输入调理等。本讲稿第十四页，共四十四页5.系统的扩充性好系统的扩充性好 随着工厂自动化水平的提高，控制规模不断地扩大，要求工随着工厂自动化水平的提高，控制规模不断地扩大，要求工控机具有灵活的扩充性。控机具有灵活的扩充性。6.控制软件包功能强控制软件包功能强 工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时性好等性能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时和历史的趋势记录与显示功能；具有系统组态和系统生成功能；具有实时和历史的趋势记录与

16、显示功能；具有实时报警及事故追忆功能；具有丰富的控制算法程序等。实时报警及事故追忆功能；具有丰富的控制算法程序等。7.系统通信功能强系统通信功能强 有了强有力的通信功能，工控机便可以构成更大的控制系统，有了强有力的通信功能，工控机便可以构成更大的控制系统，所以要求工控机具有串行通信和网络通信功能。所以要求工控机具有串行通信和网络通信功能。本讲稿第十五页，共四十四页1.4 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类1.4.1 操作指导控制系统操作指导控制系统OIS（Operational Information System）本讲稿第十六页，共四十四页系统特点系统特点:1.计算机采集被控对象的参数

17、计算机采集被控对象的参数,处理后输出相关数据；处理后输出相关数据；2.操作人员根据计算机的输出数据进行控制操作；操作人员根据计算机的输出数据进行控制操作；3.计算机输出不直接用来控制被控对象。计算机输出不直接用来控制被控对象。OIS是一种开环控制结构是一种开环控制结构。优点：优点：控制过程简单，并且即使计算机发生故障，也不会影响正控制过程简单，并且即使计算机发生故障，也不会影响正常生产过程，因而比较安全。适用于控制规律不是很清楚的系统，常生产过程，因而比较安全。适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。缺点：缺点：需

18、要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。充分发挥计算机的作用。本讲稿第十七页，共四十四页1.4.2 直接数字控制系统直接数字控制系统DDCS（Direct Digital Control System）本讲稿第十八页，共四十四页系统特点系统特点:1.计算机巡回检测、采集被控对象的多个参数计算机巡回检测、采集被控对象的多个参数,处理后输出相关数处理后输出相关数据；据；2.计算机将检测结果与设定值进行比较，按一定的控制规律进行运算；操计算机将检测结果与设定值进行比较，按一定的控制规律进行运算；操作人员根据计算机

19、的输出数据进行控制操作；作人员根据计算机的输出数据进行控制操作；3.计算机根据运算结果直接控制执行机构；计算机根据运算结果直接控制执行机构；4.计算机重复上述过程，使被控参数达到预定要求。计算机重复上述过程，使被控参数达到预定要求。直接数字控制系统为闭环控制结构直接数字控制系统为闭环控制结构。计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的参数调节，而计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的参数调节，而且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，且不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等，因此直接数字控制系统设计灵活方便，如串级控制、自

20、适应控制等，因此直接数字控制系统设计灵活方便，经济可靠。经济可靠。本讲稿第十九页，共四十四页1.4.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统SCCS（Supervisory Computer Control System）本讲稿第二十页，共四十四页1SCC+模拟调节器的控制系统模拟调节器的控制系统 计算机系统对各个信号进行巡回检测，按给定的数学模型及工艺计算机系统对各个信号进行巡回检测，按给定的数学模型及工艺信息计算出最佳给定值并送给模拟调节器，由模拟调节器与检测值进信息计算出最佳给定值并送给模拟调节器，由模拟调节器与检测值进行比较并输出结果，然后输出到执行机构进行控制调节。当行比较并输出结果

21、，然后输出到执行机构进行控制调节。当SCC计算计算机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。本讲稿第二十一页，共四十四页本讲稿第二十二页，共四十四页2SCC+DDC的控制系统的控制系统 该系统实际上是一个两级控制系统。该系统实际上是一个两级控制系统。SCC计算机可完成顶级的最计算机可完成顶级的最优化分析和计算，并给出最佳控制值送给优化分析和计算，并给出最佳控制值送给DDC级执行控制过程。两级级执行控制过程。两级计算机之间通过通信接口进行信息联系。当计算机之间通过通信接口进行信息联系。当DDC级计算机发生故障时，级计算机发生故障时，SCC级计算机可以完成

22、级计算机可以完成DDC的控制功能，使系统可靠性得到了提高。的控制功能，使系统可靠性得到了提高。在监督计算机控制系统中，监督计算机（在监督计算机控制系统中，监督计算机（SCC计算机）按照生计算机）按照生产过程的数学模型及原始工艺信息，计算出最佳给定值，送给模拟产过程的数学模型及原始工艺信息，计算出最佳给定值，送给模拟调节器或以直接数字控制方式工作的计算机（调节器或以直接数字控制方式工作的计算机（DDC计算机），最后计算机），最后由模拟调节器或由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。于最优工况。本讲稿第二十三页，共四十四页1.

23、4.4 集散控制系统（分布式控制系统）集散控制系统（分布式控制系统）DCS（Distributed Control System）本讲稿第二十四页，共四十四页设计原则设计原则 分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调；分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调；系统从上到下分为：系统从上到下分为：分散过程控制级（分散过程控制级（DDC）、计算机监督控制级）、计算机监督控制级（SCC）、生产管理）、生产管理/综合信息管理级（综合信息管理级（MIC）。）。1.分散过程控制级分散过程控制级 DDC是是DCS的基础，用于直接控制生产过程。它由各工作站组成，每的基础，用于直接控制生产过程。

24、它由各工作站组成，每一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分一工作站分别完成数据采集、顺序控制或某一被控制量的闭环控制等。分散过程控制级采集到的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信散过程控制级采集到的数据供监控级调用，各工作站接收监控级发送的信息，并以此工作。息，并以此工作。分散过程控制级基本上属于分散过程控制级基本上属于DDC系统形式系统形式,只不过由多个工作站分只不过由多个工作站分别完成。别完成。本讲稿第二十五页，共四十四页2.计算机监督控制级计算机监督控制级 对生产过程进行监控和操作。该级根据生产管理级的技术要求和对生产过程进行监控和操作。该级根据生产管理

25、级的技术要求和通过分散过程控制级获得的生产过程的数据，对分散过程控制级进行通过分散过程控制级获得的生产过程的数据，对分散过程控制级进行最优控制。从计算机监督控制级能全面地反映各工作站的情况，提供最优控制。从计算机监督控制级能全面地反映各工作站的情况，提供充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。充分的信息，因此本级的操作人员可以据此直接干预系统的运行。3.综合信息管理级综合信息管理级 整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要整个系统的中枢，它根据监控级提供的信息及生产任务的要求，编制全面反映整个系统工作情况的报表，审核控制方案，选求，编制全面反映整个系统工作情况的报

26、表，审核控制方案，选择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。择数学模型，制定最优控制策略，并对下一级下达命令。本讲稿第二十六页，共四十四页1.4.5 计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）本讲稿第二十七页，共四十四页 计算机集成制造系统既能完成计算机集成制造系统既能完成直接面向过程的控制和优化直接面向过程的控制和优化任务，任务，还能完成还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。的任务。系统按其功能自上而下可以分成系统按其功能自上而下可以分

27、成过程直接控制层、过程优化监控过程直接控制层、过程优化监控层、生产调度层、企业管理层和经营决策层层、生产调度层、企业管理层和经营决策层等。等。系统除了常见的系统除了常见的过程直接控制、先进控制与过程优化控制功能过程直接控制、先进控制与过程优化控制功能以以外，还具有外，还具有生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输生产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售、运输等非传统控制的各种功能等非传统控制的各种功能。因此计算机集成制造系统所要解决的不仅是局。因此计算机集成制造系统所要解决的不仅是局部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个部最优问题，而是一个工厂、一个企业乃至一个区域的

28、总目标或总任务区域的总目标或总任务的全局多目标最优的全局多目标最优，即，即企业综合自动化企业综合自动化问题。问题。本讲稿第二十八页，共四十四页1.4.6 现场总线控制系统现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）本讲稿第二十九页，共四十四页 现场总线控制系统的结构模式为现场总线控制系统的结构模式为“工作站工作站现场总线智能仪表现场总线智能仪表”二级结构模式，这样就可以将原二级结构模式，这样就可以将原DCS系统中处于控制室的控制模块、各种系统中处于控制室的控制模块、各种输入输出模块置入测控现场，充分利用输入输出模块置入测控现场，充分利用现场总线设备所具有的数字通信能

29、现场总线设备所具有的数字通信能力力，安装于现场的，安装于现场的测量变送器直接与阀门等执行机构进行信号传输测量变送器直接与阀门等执行机构进行信号传输，因而控制系统可以脱离位于控制室内的主计算机而工作，直接因而控制系统可以脱离位于控制室内的主计算机而工作，直接在现场完在现场完成测量与控制信号的传递成测量与控制信号的传递，彻底实现了系统的分散控制。，彻底实现了系统的分散控制。本讲稿第三十页，共四十四页现场总线控制系统特点现场总线控制系统特点1.全数字化全数字化 无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与无论是现场底层的传感器、执行器、控制器之间的信号传输，还是与上层工作站之间的信息

30、交换，上层工作站之间的信息交换，全部采用数字信号全部采用数字信号。2.开放性开放性 开放是指系统对某种标准的一致、公开和对该标准的共同遵开放是指系统对某种标准的一致、公开和对该标准的共同遵守程度。现场总线是开放的，从总线的标准、产品检验到信息发守程度。现场总线是开放的，从总线的标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。因此，它可以和布都是公开的，面向所有的产品制造商和用户。因此，它可以和任任何厂商生产的同一标准何厂商生产的同一标准的系统、设备相连，进行信号传递和通讯，用的系统、设备相连，进行信号传递和通讯，用户可以共享网络资源。户可以共享网络资源。3.智能化智能化 由于由

31、于现场总线设备具有内置高性能的微处理器现场总线设备具有内置高性能的微处理器，因此它具有测，因此它具有测量、变送、信号调理、运算、控制、通讯等功能，是一种底层智能设量、变送、信号调理、运算、控制、通讯等功能，是一种底层智能设备，可完成自动控制系统的各种功能，且具有逻辑判断能力。备，可完成自动控制系统的各种功能，且具有逻辑判断能力。本讲稿第三十一页，共四十四页4.互操作性互操作性 不同厂商生产的设备，只要其不同厂商生产的设备，只要其遵守的是一个协议标准遵守的是一个协议标准，则可以相互操，则可以相互操作，打破了传统的作，打破了传统的DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。产品互不兼容的缺点，方便了用户

32、。5.风险分散性风险分散性 现场总线是一种全新的分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现场总线是一种全新的分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了集中式计算机控制系统和现有的集中式计算机控制系统和现有的DCS集中、分散相结合的集散控制系统的集中、分散相结合的集散控制系统的体系结构，体系结构，减轻了主计算机的负担和风险，现场单元具有更高的智能特减轻了主计算机的负担和风险，现场单元具有更高的智能特性性，因此，简化了结构，提高了可靠性。，因此，简化了结构，提高了可靠性。6.环境适应性强环境适应性强 现场总线对现场环境的适应性优于其他系统。它工作在生产现场前现场总线对现场环境的适应性优于其他系统。它

33、工作在生产现场前端，作为端，作为工厂网络底层的现场总线工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等传输介质，具有较双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等传输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足安全防暴要求强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足安全防暴要求等。等。本讲稿第三十二页，共四十四页1.4.7 嵌入式控制系统嵌入式控制系统ECS（Embedded Control System）嵌入式控制系统是嵌入式控制系统是计算机技术、控制技术、通信技术、半导体技术、计算

34、机技术、控制技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术微电子技术、语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用和具体应用对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统，反映当代最新技术的先进水高度分散、不断创新的知识密集型系统，反映当代最新技术的先进水平。平。嵌入式系统与一般的嵌入式系统与一般的PC机上的应用系统不同，是机上的应用系统不同，是面向特定的具体应面向特定的具体应用而设计用而设计的、对的、对功能、可靠性、成本、体积、功耗等进行严格

35、要求的专用功能、可靠性、成本、体积、功耗等进行严格要求的专用计算机控制系统计算机控制系统，不同的嵌入式系统之间差别也很大。，不同的嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式控制系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，嵌入式控制系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求特别适合于要求实时的和多任务的体系实时的和多任务的体系。在兼容性方面要求不高，但是在。在兼容性方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。大小，成本方面限制较多。本讲稿第三十三页，共四十四页嵌入式控制系统特点：嵌入式控制系统特点：（1）嵌入式系统是将先进的）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技

36、术计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点就决定了它必然是一个技的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（2）嵌入式系统通常是）嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用面向用户、面向产品、面向特定应用，通常，嵌，通常，嵌入式系统入式系统CPU都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从

37、而有利于整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设整个系统设计趋于小型化。在对嵌入式系统的硬件和软件进行设计时必须重视效率，去除冗余，针对用户的具体需求，对系统进计时必须重视效率，去除冗余，针对用户的具体需求，对系统进行合理配置，才能达到理想性能。行合理配置，才能达到理想性能。本讲稿第三十四页，共四十四页（3）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和升级换代也是和具体产品同步进行具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。生命周期。（4）为了提高执

38、行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌固化在存储器芯片或单片机中，而不是存贮于磁盘等载体中。由于嵌入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由入式系统的运算速度和存储容量仍然存在一定程度的限制，另外，由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求特别是可靠性，有着较高的要求。本讲稿第三十五页，共四十四页（5）嵌入式系统本身）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一

39、步开发的能力并不具备在其上进行进一步开发的能力。在设计。在设计完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一完成以后，用户如果需要修改其中的程序功能，也必须借助于一套开发工具和环境。套开发工具和环境。（6）通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面）通用计算机的开发人员通常是计算机科学或者计算机工程方面的专业人士，而的专业人士，而嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专嵌入式系统开发人员却往往是各个应用领域中的专家家，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。，这就要求嵌入式系统所支持的开发工具易学、易用、可靠、高效。本讲稿第三十六页，共四十四页1.5

40、 计算机控制系统的发展概况与趋势计算机控制系统的发展概况与趋势1.5.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况 计算机控制技术的发展过程，大致经历了计算机控制技术的发展过程，大致经历了试验阶段、实用普及阶段试验阶段、实用普及阶段和分级控制阶段和分级控制阶段。1.1965年以前是计算机控制技术的试验阶段年以前是计算机控制技术的试验阶段，这时的计算机控制系统，这时的计算机控制系统能够完成计算机自动检测和数据处理，实现计算机监督控制和直接数字能够完成计算机自动检测和数据处理，实现计算机监督控制和直接数字控制。控制。2.随着小型计算机的出现，计算机控制技术进入了实用普及阶段随着小型计算机的

41、出现，计算机控制技术进入了实用普及阶段。计算机在生产过程控制中的应用得到快速发展。但在这个阶段仍计算机在生产过程控制中的应用得到快速发展。但在这个阶段仍然主要是集中型的计算机控制系统。然主要是集中型的计算机控制系统。本讲稿第三十七页，共四十四页3.随着计算机技术的不断发展，到了随着计算机技术的不断发展，到了20世纪世纪60年代后期，已出现专用于工年代后期，已出现专用于工业生产过程控制的小型计算机。业生产过程控制的小型计算机。70年代由于微型计算机的出现年代由于微型计算机的出现，计算机，计算机控制技术从传统的集中控制系统改进为控制技术从传统的集中控制系统改进为分布式控制系统分布式控制系统。4.在

42、在20世纪世纪70年代末期到年代末期到80年代初期年代初期，随着计算机技术和企业管理水，随着计算机技术和企业管理水平的提高，平的提高，CIMS的实施开始提到日程的实施开始提到日程上来，最初的开发应用比较集上来，最初的开发应用比较集中到机械制造领域主要解决机械制造离散型生产的自动化问题，接着逐中到机械制造领域主要解决机械制造离散型生产的自动化问题，接着逐渐向其他离散型生产领域。渐向其他离散型生产领域。本讲稿第三十八页，共四十四页5.到到20世纪世纪80年代中期年代中期，现场总线技术逐渐发展现场总线技术逐渐发展起来，它是计算机控起来，它是计算机控制、通信和电子技术等飞速发展的产物。它是继制、通信和

43、电子技术等飞速发展的产物。它是继集中式控制系统集中式控制系统、分布式控制系统分布式控制系统后的新一代控制系统。后的新一代控制系统。6.同时，随着微电子工艺水平的提高，制造出面向同时，随着微电子工艺水平的提高，制造出面向I/O设计的微控制器，设计的微控制器，也就是单片机，成为也就是单片机，成为嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后异军突起的一支新秀。其后发展的发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、仪器仪表、速地渗入到消费电子、医用电子、智能控制、通信电子、

44、仪器仪表、交通运输等各种领域。交通运输等各种领域。本讲稿第三十九页，共四十四页7.20世纪世纪90年代年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速发展。面向实时信号处理算法的信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。在产品向着高速、高精度、低功耗发展。在这一时期，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的这一时期，随着现场总线控制技术的逐渐成熟、以太网技术的逐步普及、智能化与功能自治性的现场设备的广泛应用，使逐步普及、智能化与功能自治性的现

45、场设备的广泛应用，使嵌嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业入式控制器、智能现场测控仪表和传感器方便地接入现场总线和工业以太网络，直至与以太网络，直至与Internet相连相连。本讲稿第四十页，共四十四页1.5.2 计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展趋势1.普及应用普及应用PLC，并向微型化、网络化和开放性方向发展；，并向微型化、网络化和开放性方向发展；2.自动化仪器仪表向自动化仪器仪表向数字化、智能化、网络化和微型化数字化、智能化、网络化和微型化方向发展；方向发展；3.采用新型的采用新型的DCS和和FCS 发展发展以现场总线等先进网络通信技术为基础的以现场总

46、线等先进网络通信技术为基础的DCS和和FCS控制结构，控制结构，并采用并采用先进的控制策略先进的控制策略，向低成本，向低成本综合自动化综合自动化系统的方向发展，实系统的方向发展，实现计算机集成制造系统；现计算机集成制造系统；本讲稿第四十一页，共四十四页先进的控制策略：先进的控制策略：1.最优控制最优控制 最优控制就是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件最优控制就是恰当地选择控制规律，在控制系统的工作条件不变以及某些物理条件的限制下，使得不变以及某些物理条件的限制下，使得系统的某种性能指标取得系统的某种性能指标取得最大值或最小值最大值或最小值，即获得最好的经济效益。，即获得最好的经济效益。2

47、.自适应控制自适应控制 若在系统本身工作条件变化的情况下，能若在系统本身工作条件变化的情况下，能自动地改变控制规律，自动地改变控制规律，使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳使系统仍能处于最佳工作状态，其性能指标仍能取得最佳，这就，这就是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和修改三是自适应控制。自适应控制包括性能估计（系统辨识）、决策和修改三部分。部分。本讲稿第四十二页，共四十四页3.人工智能人工智能 人工智能是人工智能是用计算机来模拟人工所从事的推理、学习、思考、规用计算机来模拟人工所从事的推理、学习、思考、规划等思维活动划等思维活动，从而解决需要人类专家才能处理

48、的复杂问题。其中具有，从而解决需要人类专家才能处理的复杂问题。其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人。（1）专家系统）专家系统 即计算机专家咨询系统，是一个即计算机专家咨询系统，是一个具有大量专门知识的计算机程序系统，具有大量专门知识的计算机程序系统，它将各领域专家的知识分类，以适当的形式存放于计算机中它将各领域专家的知识分类，以适当的形式存放于计算机中，根据这些，根据这些专门知识系统，可以对输入的原始数据做出判断和决策，以回答用户的专门知识系统，可以对输入的原始数据做出判断和决策，以回答用户的咨询。咨询。（2）机器人）机器人 是一种是一种能模拟

49、人类智能和肢体工作的装置能模拟人类智能和肢体工作的装置，它不仅能提高工业，它不仅能提高工业产品的质量和生产效率，降低成本，而且能完成有害地区的工作，产品的质量和生产效率，降低成本，而且能完成有害地区的工作，从而具有实用价值。从而具有实用价值。本讲稿第四十三页，共四十四页4.模糊控制模糊控制 在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制在自动控制领域中，对于难以建立数学模型、非线性和大滞后的控制对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模对象，模糊控制技术具有很好的适应性。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。糊语言变量及

50、模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是模糊控制是一种非线性控制，属于智能控制一种非线性控制，属于智能控制的范畴。的范畴。5.模型预测控制模型预测控制 由于工业对象通常是多输入、多输出的复杂关联系统，具有非线性、由于工业对象通常是多输入、多输出的复杂关联系统，具有非线性、时变性、强耦合与不确定性等特点，难以得到精确的数学模型。出现了时变性、强耦合与不确定性等特点，难以得到精确的数学模型。出现了一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制。这类算法一类新型计算机控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制。这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，采用以对象的阶跃响应或脉冲响应