第一章 绪论
自动控制系统：在没有人参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定规律运行的系统。 开环控制系统：指无被控量反馈的控制系统，即需要控制的是被控对象的某一量，而测量的只是给定信号，被控量对于控制作用没有任何影响的系统。 闭环控制系统：指有被被控量反馈的控制系统，即系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道的系统。
典型工业生产过程：连续过程（流体）、离散过程（固体）、批量过程（连续过程和离散过程交替进行）。
计算机控制系统：利用计算机（通常称为工业控制计算机，简称工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统。
计算机控制系统的组成：计算机（工业控制机）和生产过程。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，包括硬件和软件。硬件包括主机板、内部总线和外部总线、人机接口、磁盘系统、通信接口、输入输出通道。软件包括系统软件和应用软件，系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序，包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。生产过程包括被控对象和测量变送、执行机构、电气开关等装置。
计算机控制系统的工作原理：①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。③实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
计算机控制系统的工作过程：测量、计算、控制、管理。
在线方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；
离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统不一定是一个实时的系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。
计算机控制系统的典型型式：（1）操作指导控制系统（DAC）（定义：计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。）（2）直接数字控制(DDC) （定义：计算机通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。优点：能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。这种结构是计算机控制的最基本结构！）（3）监督控制系统（SCC）（定义：计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况。优点：计算机坏了，模拟仪表可以直接控制；
DDC计算机可以直接控制，SCC计算机只是采集，优化；这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制，只存在传递设定值的关系。提高系统的可靠性。缺点：造价高、效益差，现在已经不用了。）（4）集散控制系统（DCS）（定义：采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。特点：①分散过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道；②集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作③综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。）（5）现场总线控制系统(FCS)（FCS即新一代分布式控制系统，采用“工作站---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。优点：降低DCS成本，提高可靠性。）（6）综合自动化系统（CIMS\CIPS）（由企业资源信息管理系统、生产执行系统和生产过程控制系统构成的三层结构，已成为综合自动化系统的整体解决方案。综合自动化系统主要包括制造业的计算机集成制造系统和流程工业的计算机集成过程系统。）
计算机控制系统的发展趋势：(1)控制系统网络化(2)控制系统扁平化(3)控制系统智能化(4)控制系统综合化。
第二章 计算机控制系统的硬件设计技术
接口：接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接口和输出接口。
接口技术：研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
过程通道：在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
总线：所谓总线，就是计算机各模块之间和传送信息（指令、地址和数据）的一组信号线。
内部总线：又称系统总线，或板极总线、微机总线，是用于微机系统中各插件之间信息传输的通路。内部总线又可分为片级总线和系统总线。片级总线包括数据总线、地址总线、控制总线等；系统总线包括ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线等。
外部总线：又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统之间信息传输的通路。外部总线包括RS-232C、RS-485、IEEE-488等总线。
串行总线：就是使数据一位一位地进行传输而实现通信的总线。
并行总线：信息以并行方式同时传送。
非平衡电气特性：信号采用单线传输，以地线作为信号回路，干扰信号直接叠加到信号上，易造成信号传输错误。
平衡电气特性：信号采用双线（双绞线）传输，即使有干扰信号，也是同时加载到信号传输线的两端，只要传输系统的共模抑制比高，干扰信号不会造成实质性的影响。
ISA：IBM公司推出的基于80286CPU的PC/AT微型计算机所采用的扩展总线标准就是ISA总线。
PCI：PCI 是美国SIG集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输为80MB/s(峰值传输率为133MB/s)。
RS-232：是由美国电子工业协会EIA于1969年制定并采用的一种串行通信接口标准。
RS-232性能特点：（1）距离小于15m；（2）速率小于20Kb/s(目前可达到115Kb/s)；（3）电气特性，逻辑“1”：－3V～－15V；逻辑“0”：＋3V～＋15V；（4）传输距离≤15米；
（5）最大负载电容≤2500Pf；（6）波特率≤20kb/s；（7）接受器输入阻抗：3～7kΩ；（8）驱动器输出阻抗≤300Ω；（9）驱动器转换速率≤30V/μs；（10）输出短路电流≤0.5A。（11）对共模干扰信号抵抗较差。
RS-422：RS-422有RS-232发展而来。为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，允许在一条平衡总线上连接最多粉尘收集10个接受器。RS-422是一种单机发送、多机接受的单向、平衡传输规范。RS-422的数据信号采用差分传输方式，也称做平衡传输。它使用一对双绞线进行数据传输。
RS-485：RS-485是RS-422的变型，它与RS-422都采用平衡差分电路，区别在于RS-485为半双工工作方式，因而可以采用一对平衡差分信号线来连接。
RS-485性能特性：（1）距离小于1200m；（2）速率到100Kbit/s；（3）电气特性，逻辑“1”：－2V～－6V；逻辑“0”：＋2V～＋6V；（4）传输距离≤1200米；（5）波特率≤10Mb/s；（6）接受器输入阻抗≥4kΩ；（7）节点数，1发10收；（8）抗干扰能力，共模抑制比高，干扰信号不会造成实质性的影响。
USB:称为通用串行总线，是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT七大共同推出的新一代接口标准。它是一种连接外部设备的机外总线。USB的主要性能特点：（1）具有热插拔功能；（2）USB采用“级联”方式连接各个外部设备；（3）适用于低速外设连接。
ISA的主要性能：（1）具有16位数据线、20根地址线；（2）支持16MB的存储器寻址空间和64KB的I/O寻址空间；（3）支持11级中断；（4）支持7个DMA传输通道；（5）支持主从控制、I/O等待和I/O校验等功能；（6）最大传输率为8MBPs。
PCI的主要性能：（1）支持10台外设；（2）总线频率33.3MHz/66MHz；（3）数据传输率133MB/s；（4）总线宽度32bit/64bit；（5）时钟同步方式；（6）与CPU及时钟频率无关；（7）自动识别外设。
CompactPCI特点：紧凑式、欧式连接器、热插拔。
PCIe特点：串行、高速、点对点、×4 … ×32
RS-422/RS485具有更强的抗扰能力：平衡传输（差分传输）
RS-485网络的地址分配：唯一。
RS-422转为RS-485：Rx+ Tx+ →DATA+；Rx- Tx- →DATA-。
单极性：如果参考电压为+5V，则当数字量N从00H至FFH变化时，对应的模拟电压Vo的输出范围是-5V~0V。
双极性：gps信号转发器当数字量从00H至FFH变化时，对应的电压Vo输出范围是-5V~+5V 。电子岗哨
离散信号：信号是脉冲序列或数码。
输入调理信号：将输入信号经过转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能接受的逻辑信号。
信号调理电路：主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。
采样过程：按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻O、T、2T、…KT的一连串脉冲输出信号的过程。起重机在线
采样保持：把采样时刻的采样值保持到A/D转换结束，采样信号恢复为连续信号。
量化：所谓量化，就是采用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码。将采样信号转换为数字信号的过程为量化过程，执行量化动作的装置是A/D转换器。二进制数的大小和量化单位有关。
孔径时间：在模拟量输入通道中,完成一次A/D转换所需的时间。
孔径误差：对于随时间变化的模拟信号,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转化误差。
采样保持器：在数据采样期间，保持输入信号不变的电路称为保持器。
石墨钢
采样保持器的作用：四辊冷轧机可以消除孔径误差，提高被采样模拟量输入信号的频率范围。
采样保持器的目的:为了提高模拟量输入信号的频率范围,以适应某些随时间变化较快的信号的要求。
模拟开关：又称多路开关，是用来切换模拟电压信号的关键元件。利用多路开关可将各个输入信号以次地或随机地连接公用放大器或A/D转换器上。
