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1、 计算机控制系算机控制系统Computer Control System课程基本要求n不旷课、迟到。无故旷课5次以上，重修n课外多读、多看n课程成绩：平日到课+课堂回答问题+作业+考试n做好笔记n参考教材：计算机控制系统，化学工业出版社计算机控制系统，化学工业出版社 视频资料增加感性认识理解综合自动化看看离开计算机能否实现自动化？n （自动灌装）n 疏离瓦机n 三色软管丝印机n 灌装封杯机 视频资料n苹果自动分级n足球机器人nDCS 介绍n 视频资料n在以计算机技术、网络技术、通讯技术和自动化技术等四大技术支持的综合自动化时代，自动化走进了人类社会的各个领域，而以PC机、工业PC机（IPC）为
2、代表的微型计算机在各个领域的自动化过程中发挥了重要作用。第一讲第一讲 计算机控制概述计算机控制概述本章要点 1.了解计算机控制系统的构成原理2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3.初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类 1 引言计算机控制技算机控制技术及工程及工程应用用-是把是把计算机技算机技术与自与自动化控制系化控制系统融融为一体的一一体的一门综合性学合性学问，是以，是以计算机算机为核心部件的核心部件的过程控制程控制系系统和运和运动控制系控制系统。从。从计算机算机应用的角度出用的角度出发，自，自动化控制工程化控制工程是其重要的一个是其重要的一个应用用领域；而从自域；而从自动化控制工程
3、来看，化控制工程来看，计算机技算机技术又是一个主要的又是一个主要的实现手段。手段。本本门课程立足于工程立足于工业自自动化的化的领域，域，讨论这种不同于普通种不同于普通计算机的算机的计算机控制系算机控制系统的的结构构组成、相关技成、相关技术及其工程及其工程应用用。下下图为一个制一个制药车间的自的自动化生化生产流程。流程。1.1 计算机控制系统的组成主要知识点主要知识点:1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成1.1.1 1.1.1 控制系统概念控制系统概念计算算机机控控制制系系统是是由由常常规仪表表控控制制系
4、系统演演变而而来的来的;常常规仪表表组成成的的自自动控控制制系系统根根据据不不同同的的控控制制要要求求，一一般般分分成成闭环控控制制(图1-1a1-1a所所示示)与与开开环控制控制(图1-1b1-1b所示所示)两种两种结构形式构形式;计算算机机控控制制系系统原原理理组成成 用用控控制制计算算机机代代替替图1-11-1的控制器，如的控制器，如图1-21-2所示；所示；（1）闭环控制系统 闭环控控制制系系统-闭环控控制制系系统中中，测量量变送送器器对被被控控对象象进行行检测，把把被被控控量量如如温温度度、压力力等等物物理理量量转换成成电信信号号再再反反馈到到控控制制器器中中，控控制制器器将将此此测
5、量量值与与给定定值进行行比比较形形成成偏偏差差输入入，并并按按照照一一定定的的控控制制规律律产生生相相应的的控控制制信信号号驱动执行行器器工工作作，执行行器器产生生的的操操纵变量量使使被被控控对象象的的被被控控量量跟跟踪踪趋近近给定定值，从从而而实现自自动控控制制稳定定生生产的的目目的的。这种种信信号号传递形形成成了了闭合回路，所以称此合回路，所以称此为按偏差按偏差进行控制的行控制的闭环反反馈控制系控制系统。euqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送器测量变送器偏差偏差给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 测量值测量值r+_zf干扰干扰图图1-1(a)闭环控制
6、系统闭环控制系统（2）开环控制系统开开环控制系控制系统-不同于不同于闭环系系统，它不需要被，它不需要被控控对象的象的测量反量反馈信号，控制器直接根据信号，控制器直接根据给定定值驱动执行器去控制被控行器去控制被控对象，所以象，所以这种信号的种信号的传递是是单方方向的。向的。环控制系控制系统不能自不能自动消除被控量与消除被控量与给定定值之之间的偏差，其控制性能不如的偏差，其控制性能不如闭环系系统。uqy控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象给定值给定值控制作用控制作用操纵变量操纵变量被控量被控量 r(b)(b)开环控制系统开环控制系统（3）计算机闭环控制系统原理组成 计算机算机闭环控制系控制系统
7、的原理的原理组成成-是把是把图1-11-1中的控制中的控制器用控制器用控制计算机即微型算机即微型计算机及算机及A/DA/D（模（模/数）数）转换接口与接口与D/AD/A（数（数/模）模）转换接口代替，由于接口代替，由于计算机采用的是数字信号算机采用的是数字信号传递，而一次，而一次仪表多采用模表多采用模拟信号信号传递，因此需要有，因此需要有A/DA/D转换器将模器将模拟量量转换为数字量作数字量作为其其输入信号，以及入信号，以及D/AD/A转换器将器将数字量数字量转换为模模拟量作量作为其其输出信号。出信号。图图1-2 计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图（4）计算机控制系统的监控过程步骤a.a
8、.实时数据采集数据采集-对来自来自测量量变送器的被控量的送器的被控量的瞬瞬时值进行采集和行采集和输入入；b.b.实时数据数据处理理-对采集到的被控量采集到的被控量进行分析、行分析、比比较和和处理，按一定的控制理，按一定的控制规律运算，律运算，进行控制决策；行控制决策；c.c.实时输出控制出控制-根据控制决策，适根据控制决策，适时地地对执行行器器发出控制信号，完成出控制信号，完成监控任控任务；1.1.2 1.1.2 硬件组成硬件组成计算机控制系算机控制系统硬件一般包括：硬件一般包括：主机主机-CPUCPURAMRAMROMROM系系统总线 常常规外部外部设备-输入入/输出出设备、外存、外存储器等
9、器等过程程输入入输出通道出通道 AIAI、AOAO、DIDI、DODO操作台操作台 CRTCRT、LEDLED、LCDLCD 等等通信通信设备 交交换机、机、modemmodem、集集线器等器等图 1-31-3所示硬件所示硬件组成框成框图 图1-31-3计算机控制系算机控制系统硬件硬件组成框成框图1.1.3 1.1.3 软件组成软件组成硬硬件件仅为计算算机机控控制制系系统的的躯躯体体。要要使使计算算机机正正确确地地运行解决各种运行解决各种问题，必，必须为它它编制制软件。件。所所谓软件件是是指指完完成成各各种种功功能能的的计算算机机程程序序的的总和和，它它是是计算算机机控控制制系系统的的神神经中
10、中枢枢，整整个个系系统的的动作作都都是是在在软件程序指件程序指挥下下协调工作的。工作的。软件件通通常常分分为系系统软件件和和应用用软件件两两大大类；系系统软件件一一般般由由计算算机机厂厂家家提提供供，专门用用来来使使用用和和管管理理计算算机机本本身身的的程程序序；应用用软件件是是用用户针对生生产过程程要要求求而而编制的各种制的各种应用程序。用程序。总结总结1：计算机控制系统的组成：计算机控制系统的组成软件部分件部分计算机控制系算机控制系统 硬件部分硬件部分控制控制计算机算机主机、外主机、外设、系、系统总线生生产过程程输入入输出通道出通道人人机机联系系设备、通信、通信设备 现场仪表（表（测量量传
11、感器、感器、执行机构等）行机构等）操作系操作系统 组态软件件.系系统软件件 应用用软件件 过程程输入入/输出程序、出程序、过程控制程序程控制程序 人机接口程序、打印人机接口程序、打印显示程序示程序 各种公共子程序各种公共子程序 历史数据史数据库、实时数据数据库计计算机控制系算机控制系算机控制系算机控制系统统的的的的组组成示意成示意成示意成示意图图总结总结2：计算机控制系统与常规控制区别：计算机控制系统与常规控制区别图（a）模拟系统控制器被控对象+_r(t)e(t)u(t)y(t)执行机构测量环节变送器图（b）计算机控制系统计算机控制对象控制器被控对象+_r(k)e(k)u(k)y(t)执行机构
12、变送器D/AA/Du(t)y(k)测量环节计算机控制系统主要特点：计算机控制系统主要特点：实现最优控制；实现最优控制；实现集中监视与操作；控制灵活；控制灵活；控制精度高。1.2 控制系统分类 主要知主要知识点点1.2.1 1.2.1 数据采集系统（数据采集系统（DASDAS）1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统 (OGC)(OGC)1.2.3 1.2.3 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDCDDC）1.2.4 1.2.4 监督计算机控制系统（监督计算机控制系统（SCCSCC）1.2.5 1.2.5 分散控制系统（分散控制系统（DCSDCS）1.2.6 1.2.6 现场
13、总线控制系统（现场总线控制系统（FCSFCS）数据采集系统数据采集系统（DASDAS）数据采集系数据采集系统(DataAcquisitionSystem)-(DataAcquisitionSystem)-是是计算机算机应用于生用于生产过程控制最早、程控制最早、也是最基本的一种也是最基本的一种类型，如型，如图1-51-5所示。生所示。生产过程中被控程中被控对象的大量参数象的大量参数经测量量变送送仪表表发送和送和A/DA/D通道或通道或DIDI通道巡回采集后送入通道巡回采集后送入计算机，由算机，由计算机算机对这些数据些数据进行分析行分析和和处理，并按操作要求理，并按操作要求进行屏幕行屏幕显示、制表
14、打印和越限示、制表打印和越限报警。警。1.2.2 1.2.2 操作指导控制系统操作指导控制系统(OGC)(OGC)操操作作指指导控控制制系系统-是是基基于于数数据据采采集集系系统的的一一种种开开环结构构，如如图1-61-6所所示示。计算算机机根根据据采采集集到到的的数数据据以以及及工工艺要要求求进行行最最优化化计算算，计算算出出的的最最优操操作作条条件件，并并不不直直接接输出出控控制制被被控控对象象，而而是是显示示或或打打印印出出来来，操操作作人人员据据此此去去改改变各各个个控控制制器器的的给定定值或或操操作作执行行器器，以以达达到到操操作作指指导的的作作用用。它它相相当当于于模模拟仪表表控控
15、制制系系统的的手手动与与半半自自动工工作作状状态。OGCOGC系系统的的优点点是是结构构简单，控控制制灵灵活活和和安安全全。缺缺点点是是要要由由人人工工操操作作，速速度度受受到到限制，不能同限制，不能同时控制多个回路。控制多个回路。直接数字控制系统直接数字控制系统（DDCDDC）DDCDDC系系统-是是用用一一台台计算算机机不不仅完完成成对多多个个被被控控参参数数的的数数据据采采集集，而而且且能能按按一一定定的的控控制制规律律进行行实时决决策策，并并通通过过程程输出出通通道道发出出控控制制信信号号，实现对生生产过程程的的闭环控控制制，为了了操操作作方方便便，DDCDDC系系统还配配置置一一个个
16、包包括括给定定、显示示、报警警等等功功能能的的操操作作控控制制台台。DDCDDC系系统中中的的一一台台计算算机机不不仅完完全全取取代代了了多多个个模模拟调节器器，而而且且在在各各个个回回路路的的控控制制方方案案上上，不不改改变硬硬件件只只通通过改改变程序就能程序就能有效地有效地实现各种各各种各样的复的复杂控制控制。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）OD，A/D（出出输输程程过过图图1-7 1-7 直接数字控制系统直接数字控制系统监督计算机控制系统监督计算机控制系统（SCCSCC）监督督计算机控制系算机控制系统即即SCCSCC-
17、是是OGCOGC系系统与常与常规仪表控制系表控制系统或与或与DDCDDC系系统综合而成的两合而成的两级系系统，如，如图1-81-8所示。所示。显然，然，这属于属于计算机在算机在线最最优控制的一种形式。控制的一种形式。当上位机出当上位机出现故障故障时，可由下位机独立完成控制。下位，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生机直接参与生产过程控制，要求其程控制，要求其实时性好，可靠性高性好，可靠性高和抗干和抗干扰能力能力强；而上位机承担高；而上位机承担高级控制与管理任控制与管理任务，应配置数据配置数据处理能力理能力强，存，存储容量大的高档容量大的高档计算机。算机。集散控制系统（集散控制系统（DCSD
18、CS）集散控制系集散控制系统-是是以微以微处理器理器为基基础，借助于，借助于计算机网算机网络对生生产过程程进行集中管理和分散控制的行集中管理和分散控制的先先进计算机控制系算机控制系统。由于早期开。由于早期开发的分散控制系的分散控制系统在体系在体系结构上具有分散式系构上具有分散式系统的特征，因此国外的特征，因此国外将将该类系系统取名取名为分散控制系分散控制系统，国内也有人将其，国内也有人将其称称为集散型控制系集散型控制系统，或者是分布式控制系，或者是分布式控制系统。集。集散控制系散控制系统简称称为DCSDCS。DCSDCS采用分散控制、集中采用分散控制、集中操作、分操作、分级管理、分而自治和管理
19、、分而自治和综合合协调的的设计原原则。它的它的结构构组成如下成如下图所示。所示。w计算机集散控制系算机集散控制系统（DCS）监督控制计算机监督控制计算机CRT操作站操作站基本调节器基本调节器基本调节器基本调节器 被控对象被控对象被控对象被控对象高高 速速 数数 据据 通通 道道w计算机集成控制系算机集成控制系统（CIMS/CIPS）经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销,财务财务,计划计划,管理等管理等第三层：生产调度，系统优化第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优
20、化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化第一层：单元自动化,简单控制简单控制生生 产产 过过 程程 流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图 现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS）现场总线控制系控制系统即即FCS-FCS-是新一代分布式控制是新一代分布式控制结构。构。该系系统改改进了了DCSDCS成本高和由于各厂商的成本高和由于各厂商的产品通信品通信标准不准不统一而造成的不能互一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与身的工作站与现场总线智能智能仪表的二表的二层结构模式，把原构模式，把原DCSDCS控制站的功能分散到智能型控
21、制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个表中去，形成一个彻底的分散控制模式。每个底的分散控制模式。每个现场仪表表(例如例如变送器、送器、执行行器器)都作都作为一个智能一个智能节点，都点，都带CPUCPU单元，可分元，可分别独立完成独立完成测量、校正、量、校正、调节、诊断等功能，靠网断等功能，靠网络协议把它把它们连接接在一起在一起统筹工作。筹工作。现场总线控制系统现场总线控制系统FCSFCS 设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行上位机FF控制装置控制装置控制装置总线网络控制系统网络控制系统NCSNCS 设备1检测/执行设备2检测/执行设备n检测/执行控制机2互联网控制机1控制机n
22、NCS计算机系统发展概况及趋势计算机系统发展概况及趋势19461946年美国生产出了世界上第一台电子计算机。年美国生产出了世界上第一台电子计算机。5050年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行。年代末计算机控制系统在工业生产中投入运行。6060年年代代，DDCDDC技技术术大大发发展展时时期期；计计算算机机发发展展，出出现现小小型型机机。19621962年年，美美国国帝帝国国化化学学公公司司用用计计算算机机代代替替模模拟拟控控制制，直直接接控控制制过过程程变变量量，此此种种控控制制称称为为直直接接数数字字控控制制DDCDDC（Direct Direct Digital ControlDigi
23、tal Control）。）。7070年年代代，出出现现微微型型机机，控控制制方方式式由由集集中中控控制制转转向向分分散散控制控制 DCSDCS（Distributed Control SystemDistributed Control System）。）。8080年代，年代，DCSDCS系统大发展时期。系统大发展时期。9090年代，现场总线技术出现与发展。年代，现场总线技术出现与发展。2121世世纪纪初初，出出现现了了基基于于网网络络的的控控制制系系统统技技术术，即即网网络络化控制系统化控制系统NCSNCS（Networked Control SystemNetworked Control
24、System）。）。1.3 控制装置种类 主要知主要知识点点1.3.1 可编程控制器1.3.2 可编程调节器1.3.3 总线式工控机1.3.4 单片微型计算机 可编程控制器可编程控制器可可编程程逻辑控制器控制器-简称可称可编程控制器或程控制器或PLCPLC，是，是计算机技算机技术与与继电逻辑控制概念相控制概念相结合的合的产物，其低端物，其低端为常常规继电逻辑控制的替代装置，而高端控制的替代装置，而高端为一种高性能的一种高性能的工工业控制控制计算机。它主要由算机。它主要由CPUCPU、存、存储器、器、输入入组件、件、输出出组件、件、电源及源及编程器等程器等组成。外成。外观如如图所示。所示。可可编
25、程控制器（程控制器（PLCPLC）特点：）特点：一种数字运算操作的一种数字运算操作的电子系子系统,专为工工业环境下境下应用而用而设定定;采用可采用可编程序的存程序的存储器，在其内部存器，在其内部存储执行行逻辑运算、运算、顺序控制、定序控制、定时、计数和算数和算术操作的指令，并通操作的指令，并通过数字数字式、模式、模拟式的式的输入和入和输出；出；应用广泛用广泛-不不仅在在顺序程序控制序程序控制领域中具有域中具有优势，而且，而且在运在运动控制、控制、过程控制、网程控制、网络通信通信领域方面也毫不域方面也毫不逊色；色；PLCPLC具有系具有系统构成灵活，构成灵活，扩展容易，展容易，编程程简单，调试容
26、容易，抗干易，抗干扰能力能力强；可编程调节器可编程调节器可可编程程调节器器-又称又称单回路回路调节器、智能器、智能调节器、数器、数字字调节器。它主要由微器。它主要由微处理理单元、元、过程程I IO O（输入入/输出）出）单元、面板元、面板单元、通信元、通信单元、硬手操元、硬手操单元和元和编程程单元等元等组成。外成。外观如如图所示。所示。可可编程程调节器特点：器特点：一种一种仪表化了的微型控制表化了的微型控制计算机算机易操作，易易操作，易编程、方便灵活程、方便灵活设计时无需考无需考虑接口、通接口、通讯的硬件的硬件设计软件件编程上也只需使用一种面向程上也只需使用一种面向问题的的组态语言言具有断具有
27、断电保保护、自、自诊断功能、通信等功能断功能、通信等功能可以可以组成多成多级计算机控制系算机控制系统，实现各种高各种高级控控制和管理制和管理 大型分散控制系大型分散控制系统中最基中最基层的控制的控制单元元适用于适用于连续过程中模程中模拟量信号的控制系量信号的控制系统中中 1.3.3 1.3.3 总线式工控机总线式工控机总线式工控机，式工控机，是基于是基于总线技技术和模和模块化化结构的一构的一种种专用于工用于工业控制的通用性控制的通用性计算机，一般称算机，一般称为工工业控制控制计算机，算机，简称称为工工业控制机或工控机。通常，控制机或工控机。通常，计算机的算机的生生产厂家是按照某个厂家是按照某个
28、总线标准，准，设计制造出若干符合制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的的设计人人员则根据不同的生根据不同的生产过程与技程与技术要求，要求，选用相用相应的功的功能模板能模板组合成自己所需的合成自己所需的计算机控制系算机控制系统。总线式工控式工控机的外形机的外形类似普通似普通计算机，如算机，如图所示。所示。不同的是它的外壳采用全不同的是它的外壳采用全钢标准的工准的工业加固型机加固型机架机箱，机箱密封并加正架机箱，机箱密封并加正压送送风散散热，机箱内的原普，机箱内的原普通通计算机的大主板算机的大主板变成通用的底板成通用的底板总线插座系插座系统
29、，将主，将主板分解成几板分解成几块PCPC插件，采用工插件，采用工业级抗干抗干扰电源和工源和工业级芯片，并配以相芯片，并配以相应的工的工业应用用软件。件。总线式工控机具有式工控机具有小型化、模板化、小型化、模板化、组合化、合化、标准准化化的的设计特点，能特点，能满足不同足不同层次、不同控制次、不同控制对象的需要，象的需要，又能在又能在恶劣的工劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等合，尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系模的控制系统中。中。1.3.4 1.3.4 单片微型计算机单片微型计算机随随着着微微电
30、子子技技术与与超超大大规模模集集成成技技术的的发展展，计算算机机技技术的的另另一一个个分分支支超超小小型型化化的的单片片微微型型计算算机机(Single(SingleChipChipMicrocomputer)Microcomputer)简称称单片片机机诞生生了了。它它是是将将CPUCPU、存存储器器、串串并并行行I/OI/O口口、定定时/计数数器器、甚甚至至A/DA/D转换器器、脉脉宽调制制器器、图形形控控制制器器等等功功能能部部件件全全都都集集成成在在一一块大大规模模集集成成电路路芯芯片片上上，构构成成了了一一个个完完整整的的具具有有相相当当控控制制功能的微控制器功能的微控制器。单片片机机
31、的的应用用软件件可可以以采采用用面面向向机机器器的的汇编语言言，但但这需需要要较深深的的计算算机机软硬硬件件知知识，而而且且汇编语言言的的通通用用性性与与可可移移植植性性差差。随随着着高高效效率率结构构化化语言言的的发展展，其其软件件开开发环境境正正在在逐逐步步改改善善。目目前前，市市场上上已已推推出出面面向向单片片机机结构构的的高高级语言言，如如早早期期的的ArchimedesArchimedes C C和和FranklinCFranklinC，现在的在的KeilKeilC51C51、DynamicCDynamicC等等语言。言。由由于于单片片机机具具有有体体积小小、功功耗耗低低、性性能能可
32、可靠靠、价价格格低低廉廉、功功能能扩展展容容易易、使使用用方方便便灵灵活活、易易于于产品品化化等等诸多多优点点，特特别是是强大大的的面面向向控控制制的的能能力力，使使它它在在工工业控控制制、智智能能仪表表、外外设控控制制、家家用用电器器、机机器器人人、军事事装装置等方面得到了极置等方面得到了极为广泛的广泛的应用。用。单片片机机的的应用用从从4 4位位机机开开始始，历经8 8位位、1616位位、3232位位四四种种。但但在在小小型型测控控系系统与与智智能能化化仪器器仪表表的的应用用领域域里里，8 8位位单片片机机因因其其品品种种多多、功功能能强、价价格格廉廉，目目前前仍仍然是然是单片机系列的主流
33、机种。片机系列的主流机种。表5-1 三种常用工业控制计算机的性能比较 1.4计算机控制系统举例例 1-1 卫星姿态控制运行中的卫星经常要求对其姿态进行控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位。为此，计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制。图1-6 画出了一个轴的运动情况。假设只允许绕垂直于本书页面的轴进行旋转，该系统的运动方程如下：图图1-7 卫星姿态控制系统框图卫星姿态控制系统框图式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；MC是由助推器加上的控制转矩；MD是扰动力矩；是卫星轴相对于基准线的角。由运动方程求传递函数令可得上式的拉氏变换为如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：例1
34、-2 天线方位控制伺服系统卫星跟踪天线的仰角控制(见右图)假设天线及其可动部分具有惯性转矩J，由于直流驱动电机的反电势及由于轴承和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为B，则运动方程为：式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是刮风时的扰动转矩。图1-8 天线示意图如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，则方程化简为：其拉氏变换式为如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：例1-3 工业炉控制图图1-9 工业炉的典型控制工业炉的典型控制工业炉控制的典型情况。为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少
35、时，由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，必须采用压力控制回路。测得的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。为了提高炉子的热效率，还须对炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。这是一个原料混合和加热的控制系统，该装置的任务是：(1)装入原料A，使液面达到贮槽的一半；(2)装入原料B，使液面进一步升到百分之七十五；(3)开始搅拌
36、并加热到95，在此恒定温度上维持20min；(4)停止搅拌和加热，开动排料泵抽出混合液，一直到液位低于贮槽的5为止。上述过程由计算机自动控制，按照一定的顺序重复进行，完成原料混合和加热控制。例1-4 计算机用作顺序控制的例子图图1-11 计算机顺序控制计算机顺序控制n2.微型计算机控制的电动机调速系统n图5-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器、速度调节器和电流调节器均由计算机实现。n3.计算机数字程序控制系统 n在图5-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统
37、。图中的微型计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。n4.工业机器人n图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计算机，就没有现代的工业机器人。补充：计算机控制研究的课题 计算机控制研究的课题主要是控制理论和控制技术在工程应用与实现两个方面，在工程的实现又反映出硬件系统的结构和软件的实现两大类。1.控制理论方面涉及到的课题（1）数字描述和分析方法 计算机控制系统的外特性应该同模拟系统是一样的，但是在实际的处理过程中严格地讲计算机控制系统是离散系统，所以计算机控制系
38、统的设计和分析多年来一直存在模拟和离散两种分析方法。这两种方法人理论上讲是有严格的差别的，而在实际应用中往往我们都近似地把它们视同为模拟系统。离散系统的描述通常我们都会用差分方程和Z传递函数以及离散状态空间方法来进行分析。（2）采样周期的选取模拟系统离散化一个非常关键的问题就是计算机控制系统的采样周期的选择。严格地讲计算机控制系统的采样周期分为信号采集的采样周期和计算机控制算出的控制周期，我们都很清楚：信号采样将模拟信号采样为离散信号，采样周期越小越好，采样周期取决于计算机的运算速度，过小的采样周期，计算机很难胜任，为了保证采样信号在采样后能够正确地反映模拟信号，信号采集的采样周期选取就满足S
39、HANNON采样定理：采样的最低频率须大于信号最高变化频率的两倍。n有很多学者认为，离散系统的控制周期越小，越接近于模拟系统，其控制质量越好。其实这种观点有时是错误的。对一般的系统来说离散系统的控制周期越小系统的控制质量越好。系统越稳定，但对一些滞后环节的系统来讲，一般取控制周期等于纯滞后时间是正确的。n由于上述采样周期和控制周期的差异，我们在选择采样周期时必须综合上述两种因素考虑，从系统的整体考虑。（3）现代控制系统的研究由于计算机技术的发展使现代控制理论的许多设想可以实现。智能控制模糊控制、人工神经元等近代控制方法的研究也变得越来越热门。计算机CPU技术的发展和并行处理可以大大提高计算机的
40、运算速度，使复杂运算应用于实时控制变为可能。2.应用于控制系统计算机硬件技术的研究随着计算机控制逐渐取代常规的模拟控制系统的进展，计算机硬件技术的发展也是我们研究的重要课题。为了适应不同的行业，不同的工艺设备的需求，计算机制造厂家已研究出多种典型的标准化机型。（1）可编程序控制器（PLC）可编程序控制器过去被称为可编程序逻辑控制器，它原来是利用电子器件替代了继电器，实现了过去由硬件完成的逻辑控制，随着计算机控制系统的发展，PLC大大地改变了以往主要用于开关量逻辑控制的用途，许多专用的过程控制模块和网络通讯模块已经结合PLC成为计算机控制系统中的主力军。（2）可编程序调节器（3）单片微型计算机的
41、应用研究（4）总线式工控机的研究（5）新型微型控制单元的研究3.计算机控制系统软件的研究与开发软件是计算机的灵魂，伴随着硬件技术课题的研究，计算机控制系统软件的研究也从未放松过。新型的系统设计、仿真软件越来越得到控制工程师的青睐，嵌入式系统的大量应用又为嵌入式操作系统的研究带来了大量的课题。随着计算机控制系统的普及应用，计算机控制系统的应用软件的研究和开发带给用户的是一种更开放、更简单易操作的应用系统。计算机控制系统的发展方向计算机控制系统的发展方向n计算机控制系统的未来的发展主要从深度和广度两个方面发展。n在深度方面更小型化，超大容量，高速稳定的计算机应用，使复杂控制系统和大系统的控制能够有
42、效得以实现。现代控制和近代控制理论，将会越来越多应用于实际的控制工程中去。现代管理技术同计算机、网络技术的发展，使计算机控制同生产、企业管理融为一体，自动化程度大大提高。在广度方面，超微处理器的应用和嵌入式管理的广泛应用及控制系统成本的大幅下降。计算机已变得无处不在，今后我们的地球，人类的生活到处都会见到计算机控制系统。它不仅能对我们的家居全面实现自动控制，大大提高我们的生活质量，它还能进入人的身体，切除肿瘤，疏通血管，大大减少冠心病的发病率，它不仅能使盲人重见光明，还能使肢体残疾的病人，重新站立行走。总之，计算机已成为全世界最不可缺少的工具，计算机控制系统又将会在地球和人类社会无处不在。思考题1计计算算机机控控制制系系统统与与常常规规仪仪表表控控制制系系统统的的主主要要异同点是什么？异同点是什么？2分分析析说说明明计计算算机机控控制制系系统统的的硬硬件件组组成成及及其其作作用。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按按控控制制方方案案来来分分，计计算算机机控控系系统统划划分分成成那那几几大类？大类？5计算机控制装置可以分成哪几种机型？计算机控制装置可以分成哪几种机型？