《微型计算机控制技术》教案1

1、第 周 第 次课 年 月 日章节名称第1章 计算机控制系统概述授 课方 式理论课（*）；实践课（）；实习（）教学时数2教学目的及要求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教学重点与难点重点：计算机控制系统硬件组成与软件组成。 难点：计算机控制系统分类与装置种类教学手段介绍、讨论与多媒体教学 主 要内容时间分配计算机控制系统的构成原理计算机控制系统硬件组成与软件组成。初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类小结（15）（30）（35）（5）复习思考题1计算机控制系统与常规仪表控制系统的主要异同点是什么？2分析说明图

2、1-3计算机控制系统的硬件组成及其作用。3计算机控制系统的软件由哪些部分构成？4按控制方案来分，计算机控系统划分成那几大类？ 5计算机控制装置可以分成哪几种机型？小结本章概要介绍了计算机控制系统的构成原理、硬件组成与软件组成。分别从计算机控制系统的控制方案与装置种类这两个不同的角度讨论分析了计算机控制系统的分类。本书将在本章的基础上渐次对计算机控制系统的各个组成部分展开讨论。第1章: 绪论随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。 本章主要介

3、绍计算机控制系统及其组成、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势。§11 计算机控制系统概述自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用。自动控制 就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。近年来，计算机已成为自动控制技术不可分割的重要组成部分，并为自动控制技术的发展和应用开辟了广阔的新天地。§1.1.1计算机控制系统及其组成 1计算机控制系统计算机控制系统 利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。计算机输出通道D/A输入通道A/D对象被控变量y输入通道（1）计算机控制系统的工作原理典型的计算机控制系统，如图11。图 1.1

4、 在计算机控制系统中，由于工业控制机的输入和输出是数字信号，因此需要有AD转换器和DA转换器。从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤： 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。 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。 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。上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。 （2）在线方式和离线方式在计算机控制系统中，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；

5、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作相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 （3）实时的含义实时 指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，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系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。2.计算机控制系统的组成典型的过程计算机控制系统如图1.2。生产过程执行机构反多路开关多路开关开关量 输 出 时钟操作台计算机（主机）接口接口接口接口A/DD/A磁盘驱动器打印机CRT显示终端软件变送器传感器通用外部设备主机、操作台接口输入输出通道检测、变送执行被控对象

6、开关量输 入以微型计算机为核心的过程控 图1.2 基本组成：硬件部分和软件部分。各部件功能简介： 硬件部分 主机 组成：中央处理器（CPU）和内存储器(RAM和ROM)组成。作用：根据输入通道送来的被控对象的状态参数，进行信息处理、分析、计算，作出控制决策，通过输出通道发出控制命令。接口电路 作用：主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换时，通过接口电路的协调工作，实现信息的传送。过程输入/输出通道 作用：主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。输入/输出通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道、开关量输出通道。外部设备 外部设备按功能可分成三类：输入设备、输出设备和外存储器。常

7、用的输入设备有键盘、磁盘驱动器、纸带输入机等，输入设备主要用来输入程序和数据。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。输出设备主要用来把各种信息和数据以曲线、字符、 数字等形式提供给操作人员，以便及时了解控制过程。外存储器有磁盘、磁带等，主要用来存储程序和数据。操作台一般操作台有（CRT）显示器或(LED)数码显示器，用以显示系统运行的状态；有功能键，以便操作人员输入或修改控制参数和发送命令。软件部分软件是指计算机中使用的所有程序的总称。软件通常又可分为系统软件和应用软件。（l）系统软件系统软件：给用户使用维护和管理计算机专门设计的一类程序，它具有一定的通用性。组成：操作系统、语言加工系统、

8、诊断系统。 1操作系统操作系统：就是对计算机本身进行管理和控制的一种软件。计算机自身系统中的所有硬件和软件统称为资源。从功能上看，可把操作系统看作是资源的管理系统，实现对处理器、内存、设备以及信息的管理，例如对上述资源的分配、控制、调度和回收等。 2语言加工系统 语言加工系统就是将用户编写的源程序转换成计算机能够执行的机器代码（目的程序）。语言加工系统主要由编辑程序、编译程序、连接、装配程序、调试程序、及子程序库组成： (1) 编辑程序： 建立源程序文件的过程就是由编辑程序完成的。该程序可对一个程序进行插入、增补、删除、修改、移动等编辑加工，并且在磁盘上建立源程序文件。 (2) 编译程序： 将

9、源程序“翻译”成机器代码。 (3)连接、装配程序： 使用连接、装配程序可将不同语言编写的不同的程序模块的源程序连接起来，成为一个完整的可运行的绝对地址目标程序。 (4)调试程序： 调试程序用来检查源程序是否符合程序设计者的设计意图。(5)子程序库：为了用户编程方便，系统软件中都提供了子程序库。了解这些子程序的功能和调用条件之后，就可直接在程序中调用它们 3诊断系统诊断系统是用于维修计算机的软件。 （2）应用软件应用软件：是用户为了完成特定的任务而编写的各种程序的总称。 包括：控制程序、数据采集及处理程序、巡回检测程序和数据管理程序等。 控制程序：主要实现对系统的调节和控制，它根据各种控制算法和

10、被控对象的具体情况来编写，控制程序的主要目标是满足系统的性能指标。 数据采集及处理程序：包括：数据可靠性检查程序用来检查是可靠输入数据还是故障数据；AD转换及采样程序；数字滤波程序用来滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据；线性化处理程序对检测元件或变送器的非线性特性用软件进行补偿。 巡回检测程序：包括：数据采集程序完成数据的采集和处理；越限报警程序用于在生产中某些量超过限定值时报警；事故预告程序根据限定值，检查被控量的变化趋势，若有可能超过限定值，则发出事故预告信号；画面显示程序用图、表在CRT上形象地反映生产状况。 数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括：统计报表程序；产品销售、生产

11、调度及库存管理程序；产值利润预测程序等。3.工业控制机的特点 可靠性高和可维修性好。 环境适应性强。 控制的实时性。 完善的输入输出通道。 丰富的软件。 适当的计算机精度和运算速度。§1.1.2 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统大致可分为以下几种典型的形式。 1操作指导控制系统操作指导控制系统的构成如图13。系统功能：数据采集、数据处理、给出操作指导信息。模拟量输入（AI）通道数字量输入（DI）通道操作人 员生 产 过 程计 算 机打印机调节器CRT 图1.3 系统优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。 该控制系统属于开环控制结构

12、。 2直接数字控制系统直接数字控制（Direct Digital Control，简称DDC）系统的构成如图 14。工作过程： （略）DDC系统属于计算机闭环控制系统。输入通道（AI.DI）输出通道(AO.DO)打印机报 警操作台CRT计 算 机生 产 过 程 图 1.4 系统优点：要求实时性好、可靠性高和适应性强；一台计算机可控制几个或几十个回路。 3监督控制系统监督控制 SCC（Supervisory Computer Control）。监督控制系统的结构形式，如图 1 5。工作过程： （略）监督控制系统的两种结构形式，如图。模拟 调节器DDC计算机生 产 过 程生 产 过 程SSC计 算

13、 机SSC计 算 机记录显示打印记录显示打印调节调节测量测量设定值设定值(a)(b)工艺数据工艺数据 图 1.5 （l）SCC加上模拟调节器的控制系统 当SCC微型机出现故障时，可由模拟调节器独立完成操作。 （2）SCC加上DDC的分级控制系统 这实际上是一个分级控制系统，SCC可采用高档微型机，它与DDC之间通过接口进行信息联系。 4分散型控制系统分散型控制系统（Distributed Control SystemDCS）。系统特点：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，其结构如图

14、16。集中操作监控级管 理计算机网 间联接器工程师操作站操作员操作站监 控计算机网 间联接器现 场控制站 PLC智 能调节器其它测控装置至其它局域网局域网络（LAN)通信联络综合信息管理级分级过程控制级 图1.6 5现场总线控制系统现场总统控制系统（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制结构。 DCS结构模式为：“操作站控制站现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS有各自的标准，不能互联。FCS结构模式为：“工作站现场总线智能仪表”二层结构，FCS用二层结构完成了DCS中的三层结构功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互

15、连系统结构。系统结构如图17。系统工作过程：（略）图17§1.2计算机控制系统的发展概况及趋势 1946年世界上第一台电子计算机ENICA正式使用以来，电子计算机在世界各国得到了极大的重视和迅速的发展。计算机控制技术的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展，本节回顾一下计算机控制系统的发展概况，并讨论计算机控制系统的发展趋势。§1.2.1计算机控制系统的发展概况 1计算机控制技术的发展过程 计算机技术的发展，我们可按以下四个阶段来描述其发展过程： （1）开创时期（19551962年） （2）直接数字控制时期（19621967年） （3）小型计算机时期（19671972年）（4）微型计算机时期（1972年至今） 2计算机控制理论的发展过程 （1）采样定理 （2）差分方程 （3）Z变换法 （4）状态空间理论 （5）最优控制与随机控制 （6）代数系统理论 （7）系统辨识与自适应控制