计算机控制技术 第1章

1、 计算机控制技术计算机控制技术理论：理论：4040学时学时 实验：实验：8 8学时学时考核：平时考核：平时30% 30% 期末期末70%70%主讲：自动化教研室韦莉莉主讲：自动化教研室韦莉莉计算机控制技术计算机控制技术 前言前言随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的随着科学的发展、技术的进步和对控制的要求的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的提高，控制对象越来越复杂多样，使控制系统的控制越来越复杂控制越来越复杂，出现了多输入，出现了多输入多输出的多变多输出的多变量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制量系统、非线性系统控制、时变和分布参数控制系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和

2、手系统。对于这些系统，使用常规的控制方法和手段实现是十分困难的。段实现是十分困难的。现代控制理论现代控制理论和和计算机计算机技技术结合极大地推动自动控制技术发展。术结合极大地推动自动控制技术发展。信息化带动工业化是我国的基本国策，利用信息信息化带动工业化是我国的基本国策，利用信息技术改造传统产业是信息化带动工业化的基础工技术改造传统产业是信息化带动工业化的基础工作，作，计算机控制计算机控制是这项工作的主要手段。是这项工作的主要手段。1 1、为什么开设该课程？、为什么开设该课程？计算机技术成熟和普及，计算机技术成熟和普及，计算机的应用是非常计算机的应用是非常广泛的，它几乎渗透了人类社会的各个环节

3、。广泛的，它几乎渗透了人类社会的各个环节。如何将如何将计算机技术计算机技术、通信技术通信技术和和自动控制自动控制原理应用于原理应用于工业生产工业生产过过程控制，并程控制，并设计设计出所需的计算机出所需的计算机控制系统。控制系统。2 2、研究内容、研究内容3 3、课程总目标、课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：学完本课程后，你应具有以下能力：l熟悉计算机控制系统的组成原则熟悉计算机控制系统的组成原则l了解计算机控制系统结构了解计算机控制系统结构l掌握计算机控制系统设计的方法掌握计算机控制系统设计的方法l把握计算机控制系统的发展方向把握计算机控制系统的发展方向l灵活应用计算机控制技术解决一些

4、实际灵活应用计算机控制技术解决一些实际应用问题应用问题4 4、教材教材微型计算机控制技术 作 者：于海生 丁军航 出版社：清华大学出版社1 1）特点：特点：1.1 1.1 国家级精品课程配套教材、国家级国家级精品课程配套教材、国家级“十一五十一五”规划教材和高等教育面向二十一世纪教材规划教材和高等教育面向二十一世纪教材1.21.2第第1 1版于版于19991999年出版，先后印刷年出版，先后印刷2424次，发行量近次，发行量近1414万册，是计算机控制领域的经典教材。本书还荣万册，是计算机控制领域的经典教材。本书还荣获全国高校优秀教材二等奖。获全国高校优秀教材二等奖。1.31.3第第2 2版充

5、实新理论、新技术和新方法，以版充实新理论、新技术和新方法，以主流机主流机型型ISA/PCIISA/PCI总线总线工业控制机为控制工具，系统阐述计工业控制机为控制工具，系统阐述计算机控制系统的设计和工程实现方法。着力培养学算机控制系统的设计和工程实现方法。着力培养学生的实践能力与创新精神。生的实践能力与创新精神。3 3）. .前续基础课程前续基础课程程序设计技术（汇编、程序设计技术（汇编、C/C+/VCC/C+/VC、VBVB）自动控制理论（经典自动控制理论（经典/ /现代）现代）检测技术与自动化仪表检测技术与自动化仪表微机原理（单片机）与接口技术微机原理（单片机）与接口技术教材类：微型计算机控

6、制技术教材类：微型计算机控制技术 赖寿宏赖寿宏期刊杂志期刊杂志: :工业控制计算机工业控制计算机测控技术测控技术 自动化与仪表自动化与仪表专业网站：专业网站： 2 2）. . 参考资料参考资料5 5、主要教学内容、主要教学内容内容共分内容共分9 9章，内容包括：章，内容包括：第一章绪论第一章绪论 计算机控制系统及其组成、典型型式，工业控制机的计算机控制系统及其组成、典型型式，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；组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势； （了解）（了解）第二章计算机控制系统的输入输出接口与过程通道；第二章计算机控制系统的输入输出接口与过程通道；（重

7、点）（重点）第三章数字控制技术；第三章数字控制技术；（重点：插补原理）（重点：插补原理）第四章常规及复杂控制技术；第四章常规及复杂控制技术；（重点：数字控制器的离散化设计、（重点：数字控制器的离散化设计、纯滞后控制技术）纯滞后控制技术）第五章现代控制技术；第五章现代控制技术；（不讲）（不讲）第六章应用程序设计与实现技术；第六章应用程序设计与实现技术；（重点：测量数据预处理技术）（重点：测量数据预处理技术）第七章第七章HMI/SCADAHMI/SCADA技术与监控组态软件；技术与监控组态软件；（了解）（了解）第八章分布式测控网络技术；第八章分布式测控网络技术；（了解）（了解）第九章计算机控制系统

8、设计与实现。第九章计算机控制系统设计与实现。（课程设计）（课程设计） 思考思考：可编程序控制器（：可编程序控制器（PLCPLC）技术）技术是不是属于计算机控制系统范畴？是不是属于计算机控制系统范畴？第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.2 1.2 计算机控制系统的典型型式计算机控制系统的典型型式1.3 1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点1.4 1.4 计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的发展概况和趋势1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器就是在没有人直接参与的情

9、况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。使生产过程自动地按照预定的规律运行。 自动控制自动控制系统系统原理框图：原理框图：什么是自动控制？什么是自动控制？1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述典型的工业生产过程：典型的工业生产过程：连续过程：产品为液体或气体连续过程：产品为液体或气体离散过程：也称制造业，其产品为固态，按离散过程：也称制造业，其产品为固态，按 件计量件计量批量过程：间歇性多品种生产过程，是连续批量过程：间歇性多品种生产过程，是连续 过程和离散过程交替进行过程和离散过程交替进行茶饮料生产场景茶饮料生产场景轮胎生产部分设备轮胎生产部分设备1. 1. 计算机

10、控制系统工作原理计算机控制系统工作原理 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。术飞速发展的基础上产生的。 将将模拟式模拟式自动控制系统中的自动控制系统中的控制器的功能控制器的功能用用计计算机算机来实现，组成一个来实现，组成一个典型的计算机控制系统典型的计算机控制系统。 简单简单地说，计算机控制系统就是利用计算机地说，计算机控制系统就是利用计算机( (通常称为工业控制计算机，简称工业控制机通常称为工业控制计算机，简称工业控制机) )来实来实现生产过程自动控制的系统。现生产过程自动控制的系统。 1.1.1计算机控制系统计算机控制系

11、统 计算机控制系统的工作原理：计算机控制系统的工作原理： 实时实时数据采集数据采集：对来自测量变送装置的：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。被控量的瞬时值进行检测和输入。 实时实时控制决策控制决策：对采集到的被控量进行：对采集到的被控量进行分析和处理分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。采取的控制行为。 实时实时控制输出控制输出：根据控制决策，适时地：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。对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2. 2. 在线方式和离线方式在线方式和离线方式 在线在线方式（方式（on-line

12、on-line）: : 生产过程和计算机直接连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。接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式。 离线离线方式方式(off-line):(off-line): 生产过程不和计算机相连，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。方式称为离线方式或脱机方式。 计算机控制系统由计算机计算机控制系统由计算机( (工业控制工业控制机机) )和生产过程两大部分组成。和生产过程两大部分组成。 1.1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系

13、统的组成1.1.3 常用的计算机控制系统常用的计算机控制系统主机主机 可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC） PLCPLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在是一种数字运算操作的电子系统，专为在工工 业环境应用业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，而设计的。它采用一类可编程的存储器， 用于其内部存储程序，执行面向用户的指令，并通用于其内部存储程序，执行面向用户的指令，并通过过 数字或模拟式输入数字或模拟式输入/ /输出，控制各种类型的机械或输出，控制各种类型的机械或生生 产过程。是工业控制的产过程。是工业控制的核心核心部分。部分。 特点：特点：可靠性高、编程容易、功能完善、扩展

14、灵活、可靠性高、编程容易、功能完善、扩展灵活、安装调试简单方便等特点。安装调试简单方便等特点。 1.1.3 常用的计算机控制系统常用的计算机控制系统主机主机2. 2. 工控机（工控机（IPCIPC） 是一种是一种面向工业控制面向工业控制、采用、采用标准总线标准总线技术和开放技术和开放式体系结构的计算机，配有丰富的外围接口产品。广式体系结构的计算机，配有丰富的外围接口产品。广为流行的工控机总线有：为流行的工控机总线有：PCPC、ISAISA、PCIPCI、STDSTD、VMEVME总总线。线。特点：特点：可靠性高、可维修性好、环境适应性强、控制可靠性高、可维修性好、环境适应性强、控制实时性强、软

15、件丰富等。实时性强、软件丰富等。厂家品牌：台湾研华、中国研祥、德国西门子厂家品牌：台湾研华、中国研祥、德国西门子1.1.3 常用的计算机控制系统主机常用的计算机控制系统主机3. 3. 嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统是控制、监控或者辅助装置、机器嵌入式系统是控制、监控或者辅助装置、机器和设备运行的设备。嵌入式系统是和设备运行的设备。嵌入式系统是软件和硬件的软件和硬件的综合体综合体，其中核心是嵌入式微处理器。，其中核心是嵌入式微处理器。 微处理器可以分成下面几类：微处理器可以分成下面几类： （1 1）嵌入式微处理器（）嵌入式微处理器（MPU)MPU)：3232位以上处理位以上处理器，器，只保留只

16、保留和嵌入式应用紧密相关的和嵌入式应用紧密相关的功能硬件功能硬件，以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。以最低功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 （2 2）嵌入式微控制器）嵌入式微控制器(MCU)(MCU)：典型代表是单：典型代表是单片机，最大特点片机，最大特点单片化单片化，体积大大减小，功耗成，体积大大减小，功耗成本下降、可靠性高，是嵌入式系统本下降、可靠性高，是嵌入式系统主流主流，适用于，适用于控制控制。 1.1.3 常用的计算机控制系统主机常用的计算机控制系统主机3. 3. 嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统是控制、监控或者辅助装置、机器嵌入式系统是控制、监控或者辅助装置、机器和设备

17、运行的设备。嵌入式系统是和设备运行的设备。嵌入式系统是软件和硬件的软件和硬件的综合体综合体，其中核心是嵌入式微处理器。，其中核心是嵌入式微处理器。 微处理器可以分成下面几类：微处理器可以分成下面几类： （3 3）嵌入式）嵌入式DSPDSP处理器处理器(EDSP)(EDSP)：专门用于：专门用于信号信号处理处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行面进行特殊设计特殊设计，具有很高的编译效率和指令的，具有很高的编译效率和指令的执行速度。执行速度。 （4 4）嵌入片上系统）嵌入片上系统(SoC(SoC）：成功实现）：成功实现软硬件软硬件无缝结合无缝结合，直

18、接在处理器，直接在处理器片内嵌入片内嵌入操作系统的操作系统的代代码模块。码模块。1.1.3 常用的计算机控制系统主机常用的计算机控制系统主机4 4、智能调节器：是一种、智能调节器：是一种数字化数字化的过程控制仪表，一的过程控制仪表，一微处理器或单片微型计算机为核心，具有微处理器或单片微型计算机为核心，具有数据通信数据通信功功能，能完成生产过程能，能完成生产过程多个回路多个回路直接直接数字控制数字控制任务。任务。智能调节器可以接受智能调节器可以接受4-20mA4-20mA电流信号，具有异步通电流信号，具有异步通信接口信接口RS-422/485RS-422/485、RS-232RS-232等，可与

19、上位机通信，等，可与上位机通信，发送和接收过程参数和控制参数。发送和接收过程参数和控制参数。常用的智能调节器：日本岛电、日本横河、美国霍常用的智能调节器：日本岛电、日本横河、美国霍尼韦尔、日本欧姆龙、日本理化，中国厦门宇光尼韦尔、日本欧姆龙、日本理化，中国厦门宇光AIAI系列。系列。1.2 1.2 计算机控制系统的典型形式计算机控制系统的典型形式1.2.1 1.2.1 操作指导操作指导控制系统控制系统 优点：结构简单，控制灵活和安全。特别适用于未摸清优点：结构简单，控制灵活和安全。特别适用于未摸清控制规律的系统，常用于控制系统研制的控制规律的系统，常用于控制系统研制的初级阶段初级阶段。缺点：要

20、由人工操作，缺点：要由人工操作，开环开环结构，控制的实时性差，不结构，控制的实时性差，不能控制多个对象。能控制多个对象。1.2.2 1.2.2 直接数字控制（直接数字控制（DDCDDC）系统）系统DDC系统属于计算机闭环控制系统，是最普遍的一种应系统属于计算机闭环控制系统，是最普遍的一种应用方式。用方式。不需改变硬件不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多，只需通过改变程序就能实现多种复杂控制。要求控制的实时性好、可靠性高、适应性种复杂控制。要求控制的实时性好、可靠性高、适应性强。可以控制多个回路或对象。强。可以控制多个回路或对象。1.2.3 1.2.3 监督控制（监督控制（SCCSCC）系统

21、）系统 计算机根据原始工艺信息和过程参量检测值，计算机根据原始工艺信息和过程参量检测值，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动自动地改变地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的微型机中的给定值，给定值，从而使生产过程始终处于最从而使生产过程始终处于最优工况。优工况。又称设定值控制。又称设定值控制。 a a） SCC+SCC+模拟调节器的控制系统模拟调节器的控制系统b b） SCC+DDCSCC+DDC的分级控制系统的分级控制系统SCC+DDCSCC+DDC的分级控制系统是的分级控制系统是二级控制系统二级控

22、制系统，SCCSCC微机微机完成高一级的最优化分析和计算，给出最优给定完成高一级的最优化分析和计算，给出最优给定值，送给值，送给DDCDDC级执行过程控制。级执行过程控制。 在在SCCSCC控制系统中，计算机主要任务是输入采控制系统中，计算机主要任务是输入采样和计算给定值，可以有时间进行复杂规律控制样和计算给定值，可以有时间进行复杂规律控制算法计算，因此算法计算，因此SCCSCC可以进行最优控制、自适应可以进行最优控制、自适应控制等控制等复杂控制规律复杂控制规律的控制。的控制。1.2.4 1.2.4 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS） 亦称分布式控制系统，采用亦称分布式控制系统，采用分

23、散控制、集中分散控制、集中操作操作、分级管理、分而治之和综合协调的方法，、分级管理、分而治之和综合协调的方法，把系统分为控制级、监控级、管理级，形成分布把系统分为控制级、监控级、管理级，形成分布式控制。式控制。 现场总线和现场总线和FCSFCS的变革的变革(1) (1) 现场总线对自动化领域的变革现场总线对自动化领域的变革现场总线对当今的自动化领域带来以下现场总线对当今的自动化领域带来以下7 7个方面的变革个方面的变革： 用用一对通信线一对通信线连接连接多台数字仪表多台数字仪表代替一对信号线只能代替一对信号线只能连接连接一台一台仪表；仪表； 用用多变量、双向、数字多变量、双向、数字通信方式代替

24、通信方式代替单变量、单向、单变量、单向、模拟模拟传输方式；传输方式； 用多功能的现场用多功能的现场数字仪表数字仪表代替单功能的现场代替单功能的现场模拟模拟仪表；仪表； 用用分散式分散式的虚拟控制站代替的虚拟控制站代替集中式集中式的控制站；的控制站； 用现场总线控制系统用现场总线控制系统FCSFCS代替传统的代替传统的DCSDCS； 变革传统的变革传统的信号标准、通信标准和系统标准信号标准、通信标准和系统标准； 变革传统的自动化系统变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调体系结构、设计方法和安装调试方法。试方法。1.2.6 1.2.6 综合自动化系统综合自动化系统 1.2.6 1.2.6

25、综合自动化系统综合自动化系统 计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS-Computer CIPS-Computer Integrated Process SystemIntegrated Process System）综合自动化系统的整体解决方案：综合自动化系统的整体解决方案： 企业资源信息管理系统企业资源信息管理系统ERPERP 生产执行系统生产执行系统MESMES 生产过程控制系统生产过程控制系统PCSPCS1.3.1 工业控制机的组成工业控制机的组成 工业控制机包括硬件和软件两部分。 硬件：包括主机(CPU、RAM、ROM)板、内部总线和外部总线、人机接口、系统支持板、磁盘系统

26、、通信接口、输入输出通道。 软件：包括系统软件、支持软件和应用软件。1.3 工业控制机的组成结构及特点工业控制机的组成结构及特点主机板人机接口系统支持磁盘系统通信接口模拟量输入通道(AI)模拟量输出通道(AO)数字量输入通道(DI)数字量输出通道(DO)外部总线内部总线图1-10 工业控制机的硬件组成结构 1. 工业控制机的硬件组成2. 工业控制机的软件组成工业控制机的软件组成 l(1)系统软件：专门用来使用和管理计算机的程序，包括：操作系统、引导程序、调度执行程序等。 l(2)支持软件包括：各种汇编语言、高级语言、编译程序、调整程序及故障诊断程序等。l(3)应用软件：面向生产过程的程序。包括

27、过程输入输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。l计算机控制系统的软件构成软软件件系统软件系统软件操作系统操作系统管理程序、磁盘操作系统程序管理程序、磁盘操作系统程序诊断系统诊断系统调节程序、诊断程序等调节程序、诊断程序等开发系统开发系统数据管理系统数据管理系统信息处理信息处理文字翻译、企业管理文字翻译、企业管理应用软件应用软件过程监视过程监视上、下限检查及报警、巡回检测、操作面板服务、上、下限检查及报警、巡回检测、操作面板服务、滤波及标度变换、判断程序、过程分析等滤波及标度变换、判断程序、过程分析等过程控制计过程控制计算算控制算法程序控制算法程序PID算法、最优化控

28、制、算法、最优化控制、串级调节、系统辨识、串级调节、系统辨识、比值调节、前馈调节、比值调节、前馈调节、其他其他事故处理程序事故处理程序信息管理程序信息管理程序文件管理、输出、打印、文件管理、输出、打印、显示显示公共服务公共服务数码转换程序、格式编辑程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编辑程序、函数运算程序、基本运算程序基本运算程序1.3.2 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构 l总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。l在计算机系统中，各个部件之间传送信息的

29、公共通路叫总线，是一组信号线的集合，l它定义了各引线的信号、电气、机械特性，使计算机内部各组成部分之间以及不同的计算机之间建立信号联系，进行信息传递和通信，即微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。l它包括内部总线和外部总线。1.3.2 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构 l内部总线：就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。按功能可分为：数据总线、地址总线、控制总线、电源总线。总线可分为：片级总线、系统总线、外部总线、ISA总线插槽PCI总线插槽1.3.2 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构 l1.ISA内部总线(1) ISA总线主要技

30、术指标总线主要技术指标l1987年年IEEE以以IBM PC总线规范为基础总线规范为基础正式制定正式制定ISA标准。标准。l总线插槽由两部分组成：总线插槽由两部分组成：8位基本插槽和位基本插槽和16位扩充插槽。位扩充插槽。 16位的位的ISA总线规范要总线规范要求与求与8位位PC向下兼容。基本插槽可单独向下兼容。基本插槽可单独使用。使用。lISA共有共有98根信号线，数据线宽度为根信号线，数据线宽度为16位，地址线宽度为位，地址线宽度为24位，总线时钟为位，总线时钟为8MHz,中断源为边沿触发。中断源为边沿触发。 基于基于ISAISA总线的总线的PCL-813BPCL-813B研华数据采集卡研

31、华数据采集卡其缺点是其缺点是CPUCPU资源占用太高，数据传输带宽资源占用太高，数据传输带宽太小，是已经被淘汰的插槽接口。太小，是已经被淘汰的插槽接口。(2) PCI/Compact PCI总线简介从结构上看，从结构上看，PCIPCI是在是在CPUCPU和原来的系统总线之间和原来的系统总线之间插插入的一级总线入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持管理器提供了信号缓冲，使之能支持1010种外设，并种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。能

32、在高时钟频率下保持高性能。 20 20世纪世纪9090年代，图形处理器和多媒体技术的广年代，图形处理器和多媒体技术的广泛应用，对总线速度提出挑战，原有泛应用，对总线速度提出挑战，原有ISAISA、EISAEISA总线总线远远比不能适应。远远比不能适应。19911991年年IntelIntel公司首先提出公司首先提出PCIPCI概概念联合多家公司成立念联合多家公司成立PCIPCI集团。推出的集团。推出的6464位总线位总线。该。该总线的最高总线频率为总线的最高总线频率为33MHz33MHz，数据传输率为，数据传输率为80Mb/s(80Mb/s(峰值传输率为峰值传输率为133Mb/s)133Mb/

33、s)。 PCIPCI是一种先进的是一种先进的局部总线，已成为局部总线，已成为局部总线的新标准局部总线的新标准。主控设备主控设备4949条，目标条，目标设备设备4747条，可选引脚条，可选引脚 5151条（主要用于条（主要用于6464位位扩展、中断请求、高扩展、中断请求、高速缓存支持等），速缓存支持等），总总引脚数引脚数 120120条条（包含（包含电源、地、保留引脚电源、地、保留引脚等）。等）。PCIPCI总线信号定义总线信号定义2 2 外部总线外部总线 外部总线：计算机与外部总线：计算机与计算机之间计算机之间或计算机或计算机与其与其他智能设备之间他智能设备之间进行通信的连线，常用的的外进行通

34、信的连线，常用的的外部总线有：部总线有：RS-232CRS-232C、RS-485RS-485、RS-422RS-422、USBUSB1 1）RS-232RS-232串行通信总线串行通信总线 由美国电子工业协会制定的一种串行接口标准，由美国电子工业协会制定的一种串行接口标准，RSRS：推荐标准的缩写，：推荐标准的缩写，232232为标识号，为标识号，C C为修改为修改次数。次数。RS-232RS-232机械特性要求使用机械特性要求使用2525芯标准连接插头，每个芯标准连接插头，每个引脚有固定定义。引脚有固定定义。在不使用调制解调器情况下，在不使用调制解调器情况下，RS-232CRS-232C通

35、信距离不大通信距离不大于于15m15m，传送信号的速率不大于，传送信号的速率不大于20Kb/s20Kb/s，每个信号使，每个信号使用一根导线，并有一根信号地线。用一根导线，并有一根信号地线。2 2 外部总线外部总线1 1）RS-232RS-232串行通信总线串行通信总线引脚号功能引脚号功能1保护地14（辅信道）发送数据2发送数据15发送信号无定时（DCE为源）3接收数据16（辅信道）接收数据4请求发送（RTS）17接收信号无定时（DCE为源）5允许发送18未定义6数传机（DCE）准备好19（辅信道）请求发送（RTS）7信号地（公共回线）20数据终端准备好8接收线信号检测21信号质量检测9（保留

36、供数传机测试）22振铃指示10（保留供数传机测试）23数据信号速率选择11未定义24发送信号无定时（DTE为源）12（辅信道）接收线信号检测25未定义13（辅信道）允许发送（CTS）状态-15VV1-5V+5VV1+15V逻辑状态10信号条件传号（MARK）空号（SPACE）功能OFFONRS-232C电平转换及接口电路电平转换及接口电路 RS-232RS-232电气特性要求总线信号采用负逻辑。电气特性要求总线信号采用负逻辑。所谓负逻辑：逻辑所谓负逻辑：逻辑“1”1”状态电平为状态电平为-15V-15V-5V-5V，逻辑逻辑“0”0”状态电平为状态电平为+5V+5V+15V+15V。2 2）U

37、SBUSB：通用串行通信总线：通用串行通信总线 （1 1）具有）具有热插拔热插拔功能：连接外设不必打开机箱、功能：连接外设不必打开机箱、不必关闭主机电源。不必关闭主机电源。 （2 2）USBUSB采用采用“级联级联”方式连接各个外部设备：方式连接各个外部设备：通过类似通过类似菊花链式菊花链式的连接，一个的连接，一个USBUSB控制器可以连控制器可以连接多大接多大127127个外设。个外设。 （3 3）适用于）适用于低速外设低速外设连接：连接：USBUSB传送速度可达传送速度可达12Mb/s12Mb/s，可与一些低速外设连接。，可与一些低速外设连接。计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是

38、：计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：摘自赖寿宏摘自赖寿宏微型计算机控制技术微型计算机控制技术（1 1）在结构上。计算机控制系统是）在结构上。计算机控制系统是模拟和数字模拟和数字部件部件的混合系统。的混合系统。（2 2）连续系统中各处的信号均为连续模拟信号，而）连续系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除仍有计算机控制系统中除仍有连续模拟信号连续模拟信号之外，还有之外，还有离离散模拟、离散数学散模拟、离散数学等多种信号形式。等多种信号形式。1.3.3 工业控制机的特点 （3 3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有

39、还包含有数字信号数字信号，从而使计算机控制系统与连续控，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。现在常用的析和设计。现在常用的设计方法设计方法有两种，即有两种，即模拟调节模拟调节规律离散化设计法规律离散化设计法和和直接设计法直接设计法。计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：1.3.3 工业控制机的特点 （4 4）对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需）对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件也往往越多、越复杂。要的硬件也往往越多、越复杂。 （

40、5 5）在连续控制系统中，一般是）在连续控制系统中，一般是一个控制器一个控制器控控制制一个回路一个回路，而计算机控制系统中，由于计算机具，而计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，有高速的运算处理能力，一个控制一个控制经常可采用经常可采用分时分时控制控制的方式而同时控制的方式而同时控制多个回路多个回路。通常，它利用依。通常，它利用依次巡回的方式实现多路分时控制。次巡回的方式实现多路分时控制。 (6) (6)采用计算机控制，如分级计算机控制、聚散采用计算机控制，如分级计算机控制、聚散控制系统、微机网络等，便于控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化实现控制与管理一体化，使工业企

41、业的自动化程序进一步提高。使工业企业的自动化程序进一步提高。l(1)(1)可靠性高和可维修性好。可靠性高和可维修性好。l(2)(2)环境适应性强。环境适应性强。 l(3)(3)控制的实时性。控制的实时性。 l(4)(4)完善的输入输出通道。完善的输入输出通道。 l(5)(5)丰富的软件。丰富的软件。 l(6)(6)适当的计算机精度和运算速度。适当的计算机精度和运算速度。摘自本教材：特点摘自本教材：特点 1.4.1 1.4.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况 1.1.计算机技术的发展过程计算机技术的发展过程 美国军方为了解决计算美国军方为了解决计算大量军用数据大量军用数据的难题

42、，的难题，成立了由成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。 经过经过三年三年紧张的工作，第一台电子计算机终于在紧张的工作，第一台电子计算机终于在1946年年2 月月14日问世了。它由日问世了。它由17468个电子管、个电子管、6万个电阻器、万个电阻器、1万个电容器和万个电容器和6千个开关组成，千个开关组成，重达重达30吨，占地吨，占地160平方米平方米，耗电，耗电174千千 瓦，耗瓦，耗资资45万美元。这台计算机万美元。这台计算机每秒只能运行每秒只能运行5千次加千次加法运算法

43、运算，仅相当于一个电子数字积分计算机，仅相当于一个电子数字积分计算机（ENIAC即即埃尼阿克埃尼阿克）。）。 1.4 1.4 计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的发展概况和趋势（1）开创时期（）开创时期（1955-1962）世界上第一套工业过程计算机控制系统：世界上第一套工业过程计算机控制系统： 1956 1956年年3 3月美国德克萨斯州的一个炼油厂和美国月美国德克萨斯州的一个炼油厂和美国TRWTRW航空工业公司合作研究计算机控制系统。航空工业公司合作研究计算机控制系统。 19591959年，世界上第一套工业过程计算机控制系统在年，世界上第一套工业过程计算机控制系统在美国德州的美国

44、德州的Texaco Inc Texaco Inc 炼油厂正式投运。该系统控炼油厂正式投运。该系统控制了制了2626个流量、个流量、7272个温度、个温度、3 3个压力、个压力、3 3个成分。个成分。 控制的主要目的是使反应器的压力最小，确定反控制的主要目的是使反应器的压力最小，确定反应器进料量的最优分配，并根据催化作用控制热水流应器进料量的最优分配，并根据催化作用控制热水流量以及确定最优循环。揭开了计算机控制的辉煌一页。量以及确定最优循环。揭开了计算机控制的辉煌一页。此次计算机控制技术获得迅速发展。此次计算机控制技术获得迅速发展。1.4.1 1.4.1 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的

45、发展概况 1.1.计算机控制技术的发展过程计算机控制技术的发展过程l该项成果的取得激发了从事计算机制造与自动控制研究者的兴趣。他们纷纷投入人力，物力进行这方面的研究和开发。l在60年代计算机控制系统已成功的应用于化工、钢铁和电力等不同的领域，但这些系统还都是以数据的采集和处理为主。 （2 2）直接数字控制（）直接数字控制（DDCDDC）时期（）时期（1962196219671967年）年） 19621962年英国帝国化工公司制造出一套可以年英国帝国化工公司制造出一套可以直接直接取代常规仪表取代常规仪表对生产过程对生产过程直接进行控制直接进行控制的计算机控的计算机控制系统，该计算机控制制系统，该

46、计算机控制224224个变量和个变量和129129个阀门，开个阀门，开创了直接数字控制的新时期。创了直接数字控制的新时期。 DDCDDC系统一次投资较大，但有很好灵活性，是计系统一次投资较大，但有很好灵活性，是计算机控制技术发展方向的重大变革。算机控制技术发展方向的重大变革。 1.4 1.4 计算机控制系统的发展概况和趋势计算机控制系统的发展概况和趋势（3 3）小型计算机时期（）小型计算机时期（1967196719721972年）年） 自自19711971世界上第一片四位世界上第一片四位微处理器微处理器的出现，微型的出现，微型计算机得以快速的发展。同时，也使计算机控制得计算机得以快速的发展。同时，也使计算机控制得以飞速发展。微处理器和微型计算机的诞生与发展以飞速发展。微处理器和微型计算机的诞生与发展为实现为实现分散控制分散