第六章 计算机控制概述 In smart factories, machines are largely self-organizing, but humans retain control for making final decisions.

上课之前……     “我”来控制 仪表控制 计算机控制 手动挡汽车 自动挡汽车 自动驾驶汽车 进料口 出料口 H 液位计 进料口 进料口 变送器 执行器 控制站 变送器 调节器 显示仪表 执行器 “我”来控制  仪表控制  计算机控制 手动挡汽车  自动挡汽车  自动驾驶汽车 自动挡汽车是根据转速自动升挡或者降挡，不用驾驶员踩离合换挡 特斯拉？谷歌？

From Industry 1.0 to Industry 4.0……

一. 计算机控制系统的基本组成

（1）硬件组成 （2）软件组成 系统软件 支持软件 应用软件 + 4～20mA D/A － A/D 测量变送装置 + － 设定值 4～20mA 调节器 执行器 被控对象 被控变量 控制器 D/A A/D 00101011001100 01010101010101 工作过程 ①数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量测量值； ②控制决策：根据控制规律进行分析、处理、决策，产生控制信号；如PID运算； ③控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 （1）硬件组成 （2）软件组成 外 部 设 备 主 机 系 统 CPU RAM ROM CRT 通讯接口 人机接口 打印机 总 线 I/O接口 现场仪表 被 控 生 产 对 象 操作系统 模拟量输入（AI） 测量变送器 系统软件 支持软件 应用软件 模拟量输出（AO） 执行器 开发应用软件的软件，如高级语言、组态软件 开关量输入（DI） 电气开关 开关量输入（DO） 电气开关 针对特定需求开发的控制和管理程序

二. 计算机控制系统的简要发展过程 1.直接数字量控制 2.集中型计算机控制 3.集散控制系统 4.总线控制系统

常规仪表控制系统 上世纪80年代之前是主流，90年代后快速减 少，目前单纯的常规仪表控制系统几乎没有 过渡型结构 半数字，半分散 直接数字量控制DDC 集中型计算机控制系统 集散控制系统DCS 分布式IO DCS 现场总线控制系统FCS 始于50年代末期 具有里程碑意义 60年代 控制集中 危险集中 信息集中 70年代中 控制分散 危险分散 信息集中 模拟信号到IO站点 站站间总线连接 90年代 全数字通信 全分散控制 半数字，半分散 过渡型结构

（1）直接数字量控制 Direct Digital Control，DDC 计算机 本质: 用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地取代模拟控制技术。 AI/DI AO/DO 被控对象 检测仪表 执行器 优点: 计算灵活，精度高，可分时处理多个控制回路，DDC也很快发展到PID以外的多种复杂控制。 起始于50年代末期，开辟了一个轰轰烈烈的计算机工业应用时代 问题: 价格昂贵，功能极其有限，可靠性低

{ } （2）集中型计算机控制 过程控制 计算机 优越性： 问 题： …… 回路成本大大降低，信息集中（便于实现复杂控制、优化控制功能） DDC 很昂贵 和仪表系统相竞争 企图用一台计算机来控制尽可能多的回路 AI/DI 输入子系统 过程控制 计算机 AO/DO 输出子系统 被控过程（对象） 被控变量 操作变量 …… { } 优越性： 回路成本大大降低，信息集中（便于实现复杂控制、优化控制功能） 问 题： 由于当时计算机总体性能低，容易出现负荷过载，控制集中直接导致危险集中，高度集中使系统变得十分“脆弱”。

（3）集散控制系统 Distributed Control System, DCS 控制功能分散到若干个控制站实现 革命 危险的集中 信息的集中 集中测控信息，满足整体管控目标 继承 控制分散性&管理集中性 操作站/管理计算机 信息集中、管理集中 控制站1 控制站2 控制站 …… 控制站n 控制分散、危险分散 …… Part 1 Part 2 Part n 被控过程（对象）

DCS的功能层次示意 从“上级”获取指示，从“下级”获取信息，产生对“下级”的控制。 居于系统最高层，负责广泛的工程、经济、商务、人事以及其它工作。 根据订单、库存、能耗约束等进行生产规划、调度。通常为最高层。 直接控制 经营 管理 生产管理 过程管理 连续过程 间歇过程 离散过程 主要包括回路组态、优化、监控、故障诊断、记录、报警…… 现场数据采集、控制、安全性能和冗余性能的实施…… 常常将2个或多个功能层上的(部分)任务压缩到一个物理层上实现，简化DCS。 最常见的为2级DCS

半数字 半分散 DCS的物理层次示意 管理层网络 工程师站ES 操作站 控制管理层 OS 网络冗余 分散的 现场控制层 现场仪表 集中的 Web服务器 远程节点 数字的 管理层网络 操作站 OS 工程师站ES 控制管理层 网络冗余 数字的 分散的 现场控制层 模拟的 模拟的 模拟的 现场仪表 集中的 集中的 集中的 半数字 半分散 DCS的两种含义： 是一类特定的分布式计算机控制系统（狭义） 是一种具有分布式结构的计算机控制系统（广义）

（4）总线控制系统 Fieldbus Control System，FCS 输入子系统 控制站1 输出子系统 …… …… 输入子系统 控制站n 输出子系统   传统计算机控制系统的结构示意图 朴素意义上的 FCS结构示意图 半数字、半分散 全数字、全分散

请补充了解几组基本概念： 模拟信号与数字信号 并行传输与穿行传输 单工/半双工/双工通信 基带传输与频带传输 波特率 FSK、ASK、PSK RS-232、422、485 OSI-RM 硬件滤波与软件滤波 工程上常用的软件滤波算法 中位值滤波 算术平均滤波 递推平均滤波 加强递推平均滤波 一阶惯性滤波 ……