2022年《微型计算机控制技术》教案

1、第 周 第 次课 年 月 日 章 节 名 第 1 章 运算机把握系统概述 称 授 课 理论课（ * ）；实践课（ ）；实习 教 学 2方 （ ） 时 数 式 教 学 目 的 及 1.明白运算机把握系统的构成原理 2.明白运算机把握系统硬件组成与软件组成； 3. 初步熟识微型运算机把握系统分类与装置种类 要 求 教 学 重 重点 ：运算机把握系统硬件组成与软件组成； 点 与 难点：运算机把握系统分类与装置种类 难 点 教 学 手 介绍,争辩与多媒体 段 复 习 思 考 题 教 学 主 要 内 容 时间 支配 运算机把握系统的构成原理 运算机把握系统硬件组成与软件组成； 初步熟识微型运算机把握系统

2、分类与装置种类 小结 （15） （30） （35） （5） 1运算机把握系统与常规外表把握系统的主要异同点是什么？ 2分析说明图 1-3 运算机把握系统的硬件组成及其作用； 3运算机把握系统的软件由哪些部分构成？ 4按把握方案来分,运算机控系统划分成那几大类？ 5运算机把握装置可以分成哪几种机型？ 本章概要介绍了运算机把握系统的构成原理,硬件组成与软件组成；分别 小 从运算机把握系统的把握方案与装置种类这两个不同的角度争辩分析了 运结 算机把握系统的分类； 本书将在本章的基础上渐次对运算机把握系统的 各个组成部分开放争辩； 第 1 页,共 11 页第 1 章 : 绪论 随着科学技术的进步, 人

3、们越来越多地用运算机来实现把握系统； 近几年来, 运算机技术, 自动把握技术, 检测与传感技术, CRT 显示技术, 通信与网络技术, 微电子技术的高速进展,促进了运算机把握技术水平的提高； 本章主要介绍运算机把握系统及其组成,工业把握机的组成结构及特 点,运算机把握系统的进展概况和趋势； 1 1 运算机把握系统概述 自动把握技术在许多领域里获得了广泛的应用； 自动把握 就是在没有人直接参与的情形下,通过把握器使生产过程自 动地依据预定的规律运行； 近年来,运算机已成为自动把握技术不行分割的重要组成部分, 并为自动控 制技术的进展和应用开创了宽敞的新天地； 运算机把握系统及其组成 1 运算机把

4、握系统 运算机把握系统 利用运算机来实现生产过程自动把握的系统； （ 1）运算机把握系统的工作原理 典型的运算机把握系统,如图 11； 被控变量 输入通道 运算机 输出通道 D/A 对象 y 输入通道 A/D 图 在运算机把握系统中, 由于工业把握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, 运算机把握系统的工作原理可归纳 第 2 页,共 11 页为以下三个步骤： 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； 实时把握决策： 对采集到的被控量进行分析和处理, 并按已定的把握规律, 准备将要实行的把握行为； 实时把握输出： 依据把握决

5、策, 适时地对执行机构发出把握信号, 完成控 制任务； 上述过程不断重复, 使整个系统依据确定的品质指标进行工作, 并对被控量 和设备本身的反常现象准时作出处理； （2）在线方式和离线方式 在运算机把握系统中, 生产过程和运算机直接连接, 并受运算机把握的方式 称为在线方式或联机方式； 生产过程不和运算机相连, 且不受运算机把握, 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,运算和输出都要在确定的时间范畴内完成,超出 了这个时间,就失去了把握的时机,把握也就失去了意义； 实时的概念不能脱离具体过程, 一个在线的系统不愿定是一个实时系统,

6、但 一个实时把握系统必定是在线系统； 2. 运算机把握系统的组成 典型的过程运算机把握系统如图 ；以微型运算机为核心的过程控 磁盘驱动器 软件 变送器 传感器 打印机 计 接口 A/D 多路 开关 执 行 生 算 接口 D/A 反 多 路 产 机 接口 机构 过 （ 开关 主 开 关 量 程 机 输 入 CRT ） 接口 开 关 量 显示终端 时 操 接口 输 出 检测,变送执 被控对象 钟 作 输入输出通道 通用外部设备 主机,操作台 行 图 第 3 页,共 11 页基本组成 ：硬件部分和软件部分； 各部件功能简介： 主机 接口电路 输硬件部分 出输入通道 外部设备 操作台 被控对象 主机

7、组成：中心处理器（ CPU）和内储备器 RAM 和 ROM 组成； 作用：依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,运算, 作出把握决策,通过输出通道发出把握命令； 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,输出设备和外储备器； 常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

8、； 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, 数字等形式供应应操作人员, 以便准时明白把握过程； 外储备器有磁盘,磁带等,主要用来储备程序和数据； 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把握参数和发送命令； 第 4 页,共 11 页软件部分 软件是指运算机中使用的全部程序的总称；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： 给用户使用爱护和治理运算机特地设计的一类程序, 它具有确定 的通用性； 组成：操作系统,语言加工系统,诊断系统； 1操

9、作系统 操作系统：就是对运算机本身进行治理和把握的一种软件； 运算机自身系统中的全部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治理系统,实现对处理器,内存, 设备以及信息的治理,例如对上述资源的支配,把握,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运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： 将源程序

10、“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确定地址目标程序； 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：为了用户编程便利,系统软件中都供应了子程序库；明白这 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 诊断系统是用于修理运算机的软件； （ 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； 第 5 页,共 11 页包括：把握程序,数据采集及处理程序,巡回检测程序和数据治理程序等； 把握程序：主要实现对系统的调剂和把握,它

11、依据各种把握算法和被控对象 的具体情形来编写,把握程序的主要目标是中意系统的性能指标； 数据采集及处理程序： 包括： 数据牢靠性检查程序用来检查是牢靠输入数据仍是故障数据； 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； 事故预报程序依据限定值, 检查被控量的变化趋势, 如有可能超过限定 值,就发出事故预报信号； 画面显示程序用图,表在 CRT 上形象地反映生产状况； 数据治理程序 这部分程序

12、用于生产治理,主要包括：统计报表程序；产品销售,生产调度 及库存治理程序；产值利润推测程序等； 3. 工业把握机的特点 牢靠性高和可修理性好； ； 环境适应性强； 把握的实时性； 完善的输入输出通道； 丰富的软件； 适当的运算机精度和运算速度； 运算机把握系统的典型形式 运算机把握系统大致可分为以下几种典型的形式； 1操作指导把握系统 第 6 页,共 11 页操作指导把握系统的构成如图 13； 系统功能：数据采集,数据处理,给出操作指导信息； 计 CRT 模拟量输入（ AI ）通道 调剂器 生 数字量输入（ DI）通道 产 算 过 机 操 作 程 打印机 人 员 图 系统优点：结构简洁,把握灵

13、敏和安全； 缺点：要由人工操作,速度受到限制,不能把握多个对象； 该把握系统属于开环把握结构； 2直接数字把握系统 直接数字把握 （Direct Digital 工作过程： （略） Control ,简称 DDC）系统的构成如图 1 4； DDC 系统属于运算机闭环把握系输入通道 生 统； CRT 计 （） 打印机 产 算 过 报 警 机 程 输出通道 操作台 AO.DO 图 系统优点： 要求实时性好, 牢靠性高和适应性强； 一台运算机可把握几个或 几十个回路； 3 监督把握系统 监督把握 SCC（Supervisory Computer Control ）； 监督把握系统的结构形式,如图 1

14、 5 ； 工作过程： （略） 监督把握系统的两种结构形式,如图； 第 7 页,共 11 页程 生 调剂 模 拟 设定值 SSC 工艺数据 产 测量 计 记录 调剂器 算 过 调剂 a 设定值 机 显示 打印 程 生 工艺数据 测量 DDC SSC 产 计 记录 运算机 算 过 b 显示 机 打印 图 （l ）SCC 加上模拟调剂器的把握系 统 当 SCC 微型机显现故障时,可由模拟调剂器独立完成操 作； （2）SCC 加上 DDC 的分级把握系 统 这实际上是一个分级把握系统, SCC 可接受高档微型机,它 与 接口进行信息联系； DDC 之间通 过 4分散型把握系统 分散型把握系统（ Dis

15、tributed Control System DCS）； 系统特点：接受分散把握,集中操作,分级治理,分而自治和综合和谐的设 计原就, 把系统从上到下分为分散过程把握级, 集中操作监控级, 综合信息治理 级,形成分级分布式把握,其结构如图 16； 至其它局域网 综 合 信 息 管 理 管 理 网 间 级 运算机 联接器 局域网络（ LAN 集 中 操 作 监 控 工程师 操作员 监 控 网 间 级 操作站 操作站 运算机 联接器 通信联络 分 级 过 程 控 制 现 场 PLC 智 能 其它测 级 把握站 调剂器 控装置 图 第 8 页,共 11 页5 现场总线把握系统 现场总统把握系统（

16、Fieldbus Control System FCS）是新一代分布式把握 结构； DCS 结构模式为：“操作站把握站现场外表”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外 二层结构, FCS 用二层 表” 结 构完成了 DCS 中的三层结构功能, 降低了成本, 提高了牢靠性, 国际标准统一 后, 可实现真正的开放式互连系统结构； 系统结构如图 17； 系统工作过程：（略） 图 17 第 9 页,共 11 页 1.2 运算机把握系统的进展概况及趋势 1946 年世界上第一台电子运算机 ENICA 正式使用以来,电子运算

17、机在世 界 各国得到了极大的重视和快速的进展； 运算机把握技术的进展离不开自动把握理 论和运算机技术的进展, 本节回忆一下运算机把握系统的进展概况, 并争辩运算 机把握系统的进展趋势； 运算机把握系统的进展概况 1 运算机把握技术的进展过程 运算机技术的进展,我们可按以下四个阶段来描述其进展过程： （1）开创时期（ 1955 1962 年） （2）直接数字把握时期（ 19621967 年） （3）小型运算机时期（ 1967 1972 年） （4）微型运算机时期（ 1972 年至今） 2运算机把握理论的进展过程 （1）采样定理 （2）差分方程 （3）Z 变换法 （4）状态空间理论 （5）最优把握与随机把握 （6）代数系统理论 （7）系统辨识与自适应把