计算机控制技术-教案.ppt

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1、计算机控制技术 (教案),第1章 微型计算机控制技术概述,微型计算机控制技术研究的内容及特点 研究的内容： 主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。 主要的特点： 1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等 2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等 3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等 4）理论与实践相结合 5）实用性强 6）应用广泛等,第1章 微型计算机控制技术概述,计算机控制技术发展迅

2、速 1、近30年计算机发展迅速 微机、单片机，从8位机到32位、64位机，主频从几兆到几千兆，集成度达数千万只晶体管，可靠性提高、体积小、功耗低。 2、计算机控制系统发展迅速 应用机型：单板机、单片机、STD总线工控机、工业PC机 控制方式：从单机控制到集散控制、现场总线网络控制 应用范围：从大型企业到一般企业 控制对象：从生产过程到检测设备一般的仪器仪表,第1章 微型计算机控制技术概述,本章主要内容 1.1 微型计算机控制系统组成 1.2 微型计算机控制系统分类 1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,1.1 微型计算机控制系统组成（1）,微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测

3、部件、执行机构、外部通用设备等五部分组成。如图1-1所示。,1.1 微型计算机控制系统组成（2）,1.1.1 微型机控制系统硬件结构 系统硬件主要由以下5部分构成 1、主机 作用为系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。 选型：STD总线机、工业PC机、8位或16位或32位单片机等。 2、I/O接口 并行接口8255或8155 串行接口8251等 直接数据传输控制器8237 中断控制器8259 定时器/计数器8253 A/D转换器ADC0809等 D/A转换器DAC0832等,1.1 微型计算机控制系统组成（3）,3、通用外部设备 作用：显示、打印、存储、传输数据。 4、检测元件

4、作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0-5V或4-20mA）。 器件：各种传感器、变送器 5、执行机构 作用：根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。 设备：电动的、气动的、液压传动的等。 6、操作台 作用：实现人-机对话，进行各种操作 组成：功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器。,1.1 微型计算机控制系统组成（4）,1.1.2 微型机控制系统软件 这里所说的微型机控制系统软件，指的是应用软件。其功能结构为： 1、过程监控 包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。 2、过程控制计算 包

5、括的程序有：控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。 3、公共服务 包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,1.2 微型计算机控制系统分类（1）,所采用的控制系统与具体的过程、对象有关，可以分为6类。 1.2.1 操作指导控制系统 “操作指导”是指计算机输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，操作人员根据这些数据进行必要的操作。 该系统的特点是较简 单、安全可靠。常用于 试验调试过程。 该系统的缺点是要人 工操作，速度不能太快、 操

6、作不能太多。,1.2 微型计算机控制系统分类（2）,1.2.2 直接数字控制系统（DDC） DDC（Direct Digital Control）是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。 如右图所示。 DDC控制的特点：可一机 多控，经济、灵活、可靠。 可实现各种复杂控制，如串 级、前馈、自选控制、大滞 后控制等。,1.2 微型计算机控制系统分类（3）,1.2.3 计算机监督系统（SCC） 计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称为SCC。

7、 1、计算机监督系统SCC 在SCC系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。 2、SCC系统的优点与问题 优点：可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应控制等。是操作指导系统和DDC系统的综合与发展。 问题：由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，因此该系统实现比较困难。 3、SCC系统的结构 SCC+模拟调节器的控制系统（一般模拟调节器其给定值不变） SCC+DDC的控制系统（比一般DDC系统灵活方便）,1.2 微型计算机控制系统分类（4）,计算机监督系统的两种结构如下图所示,1.2 微型计算机控制系统分类（5）,

8、1.2.4 分布控制系统（DCS） 分布控制系统（Distributed Control System）也称集散控制系统。 1、系统结构 由三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。 是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。 2、各级功能 分散过程控制级DDC，用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。 监督控制级SCC，任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。 管理级MIC（Manage

9、 information Control），是整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。,1.2 微型计算机控制系统分类（6）,3、分布控制系统的特点 通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。,1.2 微型计算机控制系统分类（7）,1.2.5 计算机集成制造系统（CIMS） CIMS是“Computer Integrated Ma

10、nufacturing System”的缩写。 1、计算机集成制造系统CIMS的概念 CIMS是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整体，将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控，做整体优化决策。 CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理。 2、计算机集成制造系统CIMS的结构 CIMS采用的是多任务、分层体系结构。 有多种结构方案，如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMS结构、连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等。其基本思想都是“递阶控制（Hierarchical Control）”。 递阶控制是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令/反馈控制方式

11、。高一级的控制次一级的，次一级的功能更具体。,1.2 微型计算机控制系统分类（8）,图1-7为清华大学CIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构。 工厂/车间层：主要是预 测、规划、生产计划。 单元层(如一个流水线)： 主要是制定详细计划、工 艺过程、对工作站进行调 度和监控等。 工作站层(具体的控制部 分) ：控制设备进行生产。 设备层 ：生产设备。,1.2 微型计算机控制系统分类（9）,1.2.6 现场总线控制系统（FCS） 现场总线系统FCS （Fieldbus Control System）是分布控制系统（DCS）的更新换代产品。 1、结构 是一种用数字通信协议 连接智能现场设

12、备和自动 化系统的数字式、全分散 、双向传输、多分支结构 的通信网络。 简言之，是一种用数字 局域网络连接起来的分布 式控制系统。,1.2 微型计算机控制系统分类（10）,2、采用的技术 控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术 3、特点 1）数字化的信息传输2）分散的系统结构 3）方便的互操作性4）开放的互连网络 5）多种传输媒介的拓扑结构 4、FCS系统的基本设备 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表。基本设备有： 1）传感器变送器、2）执行器 3）服务器和网桥、 4）辅助设备 5）监控设备,1.2 微型计算机控制系统分类（11）,现场总线系统与分布控制系统的区别，前者为一条总线连接，后

13、者为星形连接。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（1）,1.3.1 微机控制系统种类 按被控对象的规模可分为以下4种 一、单片微型计算机(Single Chip Microcomputer) 特点：用于自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低级语言、也可用高级语言编程。 与微机相比其特点： 1、集成度高、功能强 在一个芯片上，集成有计算机的5部分功能。 2、结构合理 为哈佛（Harvard）结构，即数据存储器与程序存储器相互独立。 1）容量大（16位地址线时，有64K的程序存储器和64K的数据存储 器）、2）速度快（可达40MHz及以上）。 3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低,1

14、.3 微机控制系统概况及发展趋势（2）,4、指令丰富 有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（3）,二、可编程逻辑控制器（PLC） 可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller）简称为PLC。是继电器逻辑控制系统与微机相结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。 1、PLC的功能 条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、A/D及D/A转换、数据处理、通信与连网功能等。 2、PLC的特点 可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。,3、PLC的分类 低档类：以开关量为主，内部有2

15、00多个继电器、定时器/计数器等资源。 中档类：继电器数目更多（达512）、增加有模拟量接口，软件上增加有PID运算、数学运算、数制转换等。 高档类：控制点数达1000以上，具有计算、控制和调节功能，具有通信和连网能力，显示器用CRT，接近工业PC的功能。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（4）,三、STD总线工业控制机 STD（Standard）总线工业控制机，是一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统。 1、STD的特点 1）小板结构模块化设计 165.1mm*114.3mm；每一模块有一两个功能，如CPU、A/D、D/A、开关量I/O、电机控制等。 2）标准化及兼容性 3）面向I/O设计

16、 其总线是面向I/O端口的，可扩展20块I/O模块。 4）高可靠性 能适应恶劣环境、抗干扰力强、Watchdog监控、掉电保护等。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（5）,1.3 （6）,2、STD总线工业控制机 的系统组成 系统由总线母板机架、微处 理器板、存储器板、及其它控 制板组成。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（7）,四、工业PC机 是一种采用STD总线工业控制 机结构的个人微型计算机。 1、特点 模块化结构、软件资源极其丰 富、软件开发容易、使用方便等。 2、工业PC机与个人PC的区别 1）变主板为通用的底板总线插座板 2）模块化插件板，如CPU板、 I/O板、A/D、D/A

17、板等。 3）电源改为工业电源 4）机箱密封，并采用正压送风 5）配有工业应用软件,微机控制系统的选用原则 1）对于小型控制系统、智能化仪器、智能化接口尽量采用单片机，并自己设计。 2）对于一个产品或用量较大的设备，应采用单片机并自行设计。 3）对于中等规模的控制系统，为了加快开发速度，应选用现成的工业控制机。如PLC、STD机等，应用软件可自己开发。 4）对于大型的工业控制系统，最好选用工业PC机、专用集散控制系统，软件可用高级语言开发。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（8）,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（9）,1.3.2 微机控制系统的发展趋势 1、大力推广应用成熟的先进技术 可编

18、程控制器（PLC）、智能化调节器 （温度、速度等调节器） 集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS） 现场总线系统（FCS）将成为微机控制系统发展的方向 2、大力研究和发展智能控制系统 分级递阶智能控制系统，是一种智能化的分级控制系统，系统一般分为组织级、协调级、执行级 模糊控制系统，是一种应用模糊集合理论的控制方法。 专家控制系统，是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统。 学习控制系统，能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统。 3、单片机的应用更加深入 将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用。,课程参考书,1. 微型计算机控制技术 李锡雄等 编著，科学出版社，1999年8月 2. 微机控制技术 冯根生等 编著，中科大出版社，2002年9月 3自动控制原理 刘舒 编著，中国人民公安大学出版社，2002年1月 4单片机原理及接口技术 李朝青 编著，北京航空航天大学出版社，2000年3月,5 80X86汇编语言程序设计教程 杨季文等 编著，清华大学出版社，2000年6月 6. 微型计算机技术及应用 戴梅萼 史嘉权编著，清华大学出版社，2000年5月,