计算机控制技术1

1、23:241第一章第一章 微机计算机控制系统概述微机计算机控制系统概述计算机控制出现于20世纪50年代后期，它是计算机技术和自动化技术相结合的应用技术。20世纪70年代以后广泛使用。计算机控制已应用于各个领域没有微处理器的产品不能称为先进的产品，没有计算机的控制谈不上现代工业控制。23:2421.1 计算机控制系统组成与分类1.自动控制系统2.计算机系统组成3.计算机控制系统的分类4.计算机控制系统的发展概况和趋势23:2431.1.1 自动控制系统执行器被控对象 控制器控制量操作量输入量系统输出（给定量）开环控制执行器被控对象检测装置校正装置 （控制器）输入量控制量误差操作量系统输出-扰动（

2、给定量）闭环控制控制的目的控制的目的 系统输出满足给定的要求系统输出满足给定的要求23:2441.1.1 自动控制系统计算机控制的特点： 数字化； 可实现复杂的控制规律； 改变控制规律，不必改动硬件，只要修改控制程序即可。检测装置 数字 控制器给定值A/DD/A执行器被控对象-计算机计算机控制系统基本框图23:2451.1.2 计算机系统组成硬件软件主机过程通道人机联系设备应用软件系统软件计算机控制系统计算机系统组成23:246采样装置变送器变送器保持保持多路转换模/数转换数/模 转换开关量输入转换开关量输出转换被控对象计算机系统总线CPURAMROM 操作控制台过程通道接口接口接口接口接口放

3、大计算机控制系统组成框图一、计算机控制系统的硬件结构模拟量输入通道模拟量输出通道数字量输入通道数字量输出通道主机与操作台23:247一、计算机控制系统的硬件结构主机主机1、主机：由微处理器（CPU）、存储器ROM、RAM和系统总线等几部分组成，是构成计算机控制系统的核心。计算机的主要任务是按照预先编制好的程序进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、报警等。同时，通过接口电路向系统的各个部分发出各种控制命令，指挥整个计算机控制系统有条不紊地工作。常用微处理器： 8位：MCS-51、M6800、AVR 16位：MCS-96、8086、68000、ARM（嵌入式系统）等 32位：80386、8

4、0486 64位：Pentium CPU（用于工业控制计算机）23:248工业控制计算机主机嵌入式CPU卡一体化工业控制计算机平板式工业控制计算机主机主机23:249一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备2、控制操作台（人机联系设备） 控制操作台组成：CRT显示器或LED数码管显示器、打印机、记录仪等输出装置。键盘、功能控制按钮和扳键等输入装置。计算机外存储器，如硬盘、磁盘机、磁带机等。状态指示和报警指示的指示灯和声报警器。 控制操作台是人与计算机控制系统联系的必要设备，在控制操作台上随时显示记录系统的当前运行状态和被控对象的参数，使操作人员及时地了解生产过程的状态，进行必要的干预，修改有关

5、参数或紧急处理某些事件。另一方面，操作人员也可在控制操作台修改程序。23:2410控控制制操操作作台台23:2411一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备（1）作用开关：功能控制按钮和扳键，如：电源开关、自动/手动切换开关等，通过接口与计算机相连，以完成对计算机系统的启动、暂停，对控制系统的启停控制，对工作方式、控制算法和控制方式的选择；23:2412作用开关作用开关23:2413一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备（2）操作键盘：包括数字键和功能键，数字键用来输入数据和参数，功能键使计算机进入功能键所代表的功能服务程序，如打印、帮助、显示等。23:2414一、计算机控制系统的硬件结构人

6、机联系设备（3）显示器或LED数码管：显示器用来显示操作人员所要了解的内容，或监视系统工作进程及画面显示等等。CRT显示器显示器CRT显示器显示器LED显示屏显示屏23:2415LED数码管数码管23:2416液晶显示模块液晶显示模块23:2417一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备（4）打印机及记录仪：打印记录设备用来打印、记录各种参数、数据和曲线。23:2418记录仪记录仪23:2419一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备（5）计算机的外存储器，如硬盘、磁盘机等。硬盘硬盘硬盘阵列硬盘阵列光驱光驱电子硬盘23:2420一、计算机控制系统的硬件结构人机联系设备（6）状态和报警指示的指示

7、灯和声报警器。23:2421一、计算机控制系统的硬件结构过程通道3、过程通道 过程通道是计算机与被控对象之间交换数据信息的桥梁，是计算机控制系统按特殊要求设置的部分。 按传输信号的形式可分为模拟量通道和开关量通道 按信号的传输方向可分为输入通道和输出通道 过程通道有以下几种 模拟量输入通道（Analog Inputs，AI） 模拟量输出通道（Analog Outputs，AO） 开关量输入通道（Digital Inputs，DI） 开关量输出通道（Digital Outputs，DO） 脉冲量输入通道（Pulse Input，PI）23:2422一、计算机控制系统的硬件结构过程通道模拟量输入通

8、道（ Analog Inputs ，AI）：用来将被控对象的模拟量被控参数（被测参数）转换成数字信号，并送至计算机。模拟量输出通道（Analog Outputs，AO）：执行机构的控制信号基本上是，计算机输出的数字信号变换为模拟的电压或电流信号，控制执行机构动作。开关量输入通道（Digital Inputs，DI）：将现场的各种开关、限位或各种继电器的状态输入计算机。如：直流电压信号或开关、继电器的触点状态（干接点）。开关量输出通道（Digital Outputs，DO）：用来控制系统中的继电器、接触器、电磁阀门、指示灯、声光报警器等只有开、关两种状态的设备。输出信号：交流电压、电流信号，直流

9、电压、电流信号。脉冲量输入通道（Pulse Input，PI）：用来测量一些机械计数装置输出的脉冲信号。如转速计、涡轮流量计。23:2423一、计算机控制系统的硬件结构检测元件及执行机构4、检测元件及执行机构（1）传感器：把非电量（如：温度、压力、流量、液位、成分等）转换为电量（电压、电流）。如：温度传感器、压力传感器等温度温度温度温度倾角流量压力压力23:2424一、计算机控制系统的硬件结构检测元件及执行机构 （2）执行器：控制被控参数的流入量。执行器有电动、气动、液动控制的，也有采用电动机、步进电机、可控硅元件控制的。电动阀气动阀电液比例阀23:2425电机电机23:2426步进电机步进电

10、机23:2427晶闸管晶闸管 （可控硅）（可控硅）23:2428二、计算机控制系统的软件系统软件系统软件计算机软件有系统软件系统软件和应用软件应用软件（一）系统软件是计算机操作运行的基本条件之一，是计算机控制系统信息的指挥者和协调者，并具有数据处理、硬件管理等功能，包括程序设计语言、编译程序、诊断程序数据库管理系统等软件。系统软件由计算机厂家提供，是专门用来使用和管理计算机的程序。如：操作系统：Windows,DOS；开发系统：C51,TURBO C, C+，LABView,CVI等；数据库管理系统：SQL Server,FoxPro等 23:2429二、计算机控制系统的软件应用软件应用软件（

11、二）应用软件是用户根据自己的需要，面向生产过程，自行编制的控制程序、控制算法程序及一些服务程序，它的质量的好坏直接影响控制系统的控制效果。控制程序包括对系统的直接检测、控制的前沿程序，包括人机联系、对外围设备管理的服务性程序，还有保证系统可靠运行的自检程序等。控制算法程序包括过程控制的常用算法和针对控制对象设计的专用算法。如PID,串级调节，比值调节、前馈调节等，以及最优控制、系统辨识等算法。服务程序包括基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等程序。23:24301.1.3 计算机控制系统的分类根据计算机控制系统的工作特点，可以分成以下几种类型：（1）操作指导系统（2）直接数字控制系统 （3）

12、计算机监督系统（4）集散控制系统（分布式控制系统）（5）嵌入式系统（6）现场总线系统23:24311.1.3 计算机控制系统的分类操作指导系统操作指导控制系统（数据采集和数据处理系统）（Data Acquisition and Processing System)：对现场随时产生的数据（如温度、压力、流量等）进行巡回检测、收集、记录、统计、运算、分析、判断和处理，由显示器或打印机列出处理结果，供操作人员掌握和分析生产情况。若遇到某个参数超过限定值，操作人员还可进行处理。计算机并不直接控制生产过程。系统特点：简单、安全可靠。 缺点：需人工操作，操作速度慢，不能同时操作几个回路。 多路多路转换转换

13、模模 / /数数 转换转换开关量通开关量通道转换道转换被被控控对对象象计计算算机机显示显示打印打印报警报警数据采集和数据处理系数据采集和数据处理系统统（1）操作指导控制系统23:24321.1.3 计算机控制系统的分类直接数字控制系统使用一台计算机对一个或多个参数进行检测，并将检测结果与给定值比较，然后按照事先规定的控制规律进行计算，并将控制量通过接口直接去控制执行机构，对被控对象进行控制。计算机直接控制生产过程。系统特点：灵活性大，可靠性高，可实现复杂的控制规律。 缺点： 危险集中。（2）直接数字控制系统（Direct Digital Control，DDC）被控对象计算机检测输入通道接口执

14、行机构输出通道接口打印报警显示键盘直接数字控制系统直接数字控制系统23:24331.1.3 计算机控制系统的分类监督控制系统(3) 监督控制系统（Supervisory Computer Control，SCC）两级控制系统。上位机是监督计算机，面向被控对象的下位机可以是DDC系统或模拟调节器。监督计算机的主要任务是采集现场信息，根据数学模型进行最优控制和其它复杂的控制，指挥下位机工作，并可调整下位机的设定值，向操作人员发出操作指示。当某台下位机出现故障时，上位机也可以代替下位机进行实时控制操作。下位机实现生产过程的自动调节和实时控制。系统特点： 可以控制多个回路，系统结构灵活，可靠性高，如果

15、下位控制器出现故障，可以由上位计算机行使控制功能。缺点：基于模型的控制，实现比较困难。被控对象模入通道 模拟 调节 器模出通道监督计算机打印报警显示键盘以模拟调节器为下位机的监督控制系统被控对象模入通道模出通道监督计算机打印报警显示键盘 DDC 计算 机以DDC为下位机监督控制系统23:24341.1.3 计算机控制系统的分类集散控制系统(4) 集散控制系统（Distributed Control System，DCS，分布式控制系统）管理计算机监控计算机CRT操作站基本控制器基本控制器基本控制器现场控制对象通信总线集散控制系统集散控制系统系统特点：多级多层结构，集中管理，分散控制多台以微处理

16、器为核心的控制器分散于整个生产过程的各个部分，实现控制任务；整个系统采用单元模块组合式结构，各个单元通过通信线路连接成一个整体，由中央管理计算机协调统一。23:2435 通信控制器DDCDDCDDCDDC 通信控制器DDCDDCDDCDDC 通信控制器DDCDDCDDCDDC第n层楼面控制子系统第2层楼面控制子系统集中监控主干网络网络服务器区域控制计算机照明 空调 给排水 电视监控照明 空调 给排水 电视监控照明 空调 给排水 电视监控区域控制计算机区域控制计算机监控管理计算机电梯运行管理消防监控安保监控第1层楼面控制子系统现场通讯网络现场通讯网络现场通讯网络BAS系统23:2436网络服务器

17、系统监测中央管理空调系统 通信控制器 DDC DDC DDC DDC照明系统 通信控制器 DDC DDC DDC DDC电梯监控系统 通信控制器 DDC DDC DDC DDC安保系统 通信控制器 DDC DDC DDC DDC （局域控制计算机 或分站计算机）BAS系统23:24371.1.3 计算机控制系统的分类嵌入式系统（5）嵌入式系统（Embedded system） 一般指非PC系统，它具有计算机的功能但又不称之为计算机的设备或器材。嵌入式系统是一种完全嵌入被控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等

18、综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。23:24381.1.3 计算机控制系统的分类嵌入式系统嵌入式系统的分类： （1）嵌入式微处理器(EMPU): 采用通用计算机的CPU , 如：386EX，改进后适应工业控制的要求。【嵌入式计算机系统，PC104】 （2）嵌入式控制器(EMCU)：单片机，是嵌入式系统的主流。产品种类多。 （3）嵌入式DSP处理器(EDSP)：在数字信号处理方面有优势，多种常用的数字信号处理算法被植入。TI公司的TMS320XX系列。 （4）嵌入式片上系统（SOC）：超大规模集成电路技术的产物。把应用系统的大部分功能集中在一个或几个芯片上。如：ARM，C8051F23:24391.1.3 计算机控制系统的分类现场总线控制系统（6）现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）FCS是DCS的更新换代产品，产生于20世纪90年代，是目前工业自动化的一个热点。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. 开放的互联网络；5. 多种传输介质和拓扑结构。23:24401.1.3 计算机控制系统的分类现场总线控制系统FCS技术将网络通讯