电气装备计算机控制技术-第一章(电气)

1、电气装备计算机控制技术_第一章(电气)第1页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五课程的性质和目的 本课程是自动化专业必修的专业课程，在自动化专业课程体系中起着重要的作用。微机控制技术是关于自动控制理论和计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门专门技术。通过本课程的学习使学生掌握分析和设计一个计算机控制系统的理论和方法，并能将所学的知识应用到工业过程控制、电气传动、机器人控制中等。第2页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五学时分配第1章 计算机控制系统概述 2学时第2章 输入/输出接口与过程通道 8学时第3章 数字控制器的模拟化设计方法 6学时第4章 数字控制

2、器的直接设计方法 6学时第5章 常用应用程序设计 2学时第6章 集散控制系统和现场总线 4学时第7章 微型计算机控制系统的设计 4学时实验 8学时第3页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五教材及参考书教材：1 王新主编，微型计算机控制技术，中国电力出版社，2009年8月教学参考书：1 武自芳等编著，微型计算机控制系统及其应用，电子工业出版社，2007年10月2 潘新民，王燕芳编著，微型机算计控制技术，电子工业出版社，2003年1月3 何克忠 编著，计算机控制系统，清华大学出版社，2001年7月 第4页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五考试形式 平时作业、考勤（

3、30%）考试（70%）考试题型 填空、简答、计算、设计。第5页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五第1章 计算机控制系统概述第6页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.1 自动控制系统的基本概念自动控制是在没有人直接参与的前提下，应用控制装置自动地、有目的地控制或操纵机器设备或生产过程，使它们具备相应的功能，完成预定的目标。从信号传送的路径结构可分为两大类：开环控制系统闭环控制系统第7页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五在反馈控制系统中，通过检测装置（仪表）获取输出变量，将此值与给定值进行比较后，由控制器（校正装置）按偏差进行某种控制运算，最

4、后通过执行机构输出操作量作用于被控对象，以消除偏差。图1-1反馈控制系统结构框图第8页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的工作原理将连续控制系统中的调节器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统 。图1-5计算机控制系统基本框图第9页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五计算机控制系统的工作原理可归纳为三个步骤：（1）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。（2）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。（3）实时控制输出：根据控制决策

5、，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。第10页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五在计算机控制系统中，生产过程与计算机直接连接，并由计算机控制，这种方式被称为在线方式或联机方式；生产过程不与计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作，这种方式被称为离线方式或脱机方式。第11页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.2.2 计算机控制系统的硬件组成计算机控制系统硬件主要由主机、过程通道、I/O接口及人机联系设备等部分组成。由于系统的不同，组成计算机控制系统的硬件也不同。图1-6给出了典型的计算机控制系统硬件组成框图。 第12页，共55页，2

6、022年，5月20日，6点7分，星期五图1-6 计算机控制系统硬件组成框图第13页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五一、主机微型计算机的主机是整个系统的核心部分。它根据输入通道送来的被控对象状态参数，进行信息处理、分析、计算，做出控制决策，通过输出通道发出控制命令。第14页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五二、过程通道过程通道也称为I/O通道，是主机和被控对象实现信息传送与交换的通道。根据信号传送的方向，分为：输入通道和输出通道根据传送信号的形式，分为：模拟量通道和开关量通道 第15页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五过程通道的类型：1.

7、模拟量输人通道2. 模拟量输出通道3. 开关量输人通道4. 开关量输出通道第16页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五三、接口电路接口电路也称为I/O接口，指主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的纽带。接口电路有并行接口、串行接口和直接数据传送接口等。 第17页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五四、人机联系设备在微机控制系统中，一般应有一个操作台（或操作面板），以便操作人员能和计算机系统“对话”，使操作人员及时了解生产、加工过程的状态，进行必要的人为干预，修改有关参数或紧急处理某些事件。第18页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.2.3

8、 计算机控制系统的软件 对于计算机控制系统而言，除了硬件外，还必须有软件。所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和，它主要分两大类：系统软件和应用软件。第19页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.3 计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类方法很多，可以按照控制方式分类、按照控制规律分类，也可以按照系统的功能、特点分类。 按照系统的功能、工作特点分类，计算机控制系统分为：操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等。 第20页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五一、操作指导控制系统计算机的输出不直接用来控制生产对

9、象，对过程的控制是由操作人员来完成的，操作人员根据计算机的输出信息执行相应的操作 。图1-7操作指导控制系统原理框图第21页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五二、直接数字控制系统计算机通过输入通道对一个或多个参数进行巡回检测，并根据事先规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 图1-8直接数字控制系统原理框图第22页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五三、监督控制系统监督控制系统（Supervisory Computer Control，SCC）实际上是一个两级控制系统。上位机为监督控制用计算机，简称SCC计算机，而面对

10、工业对象的下位机可以是模拟调节器或DDC系统。 第23页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五（a）SCC+模拟调节器 （b）SCC+DDC图1-9 监督控制系统原理框图第24页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五四、集散控制系统集散控制系统又名分布式计算机控制系统，国外最早称为分散控制系统，即DCS（Distributed Control System），后来叫集中（总体）分散型控制系统（Total Distributed Control System），我国习惯性称为集散控制系统或DCS。它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的，具有分散控制、综合管理两方

11、面的特征。从结构上划分，DCS包括： 过程级、操作级和管理级 。第25页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五第26页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五 随着微电子技术的迅速发展，现场仪表（传感器、变送器、执行器等）得以智能化。 “现场总线标准”就是设计用来替代420mA模拟信号标准的新工业标准。现场总线国际标准的制定将对DCS的发展产生重大影响。第27页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五五、现场总线控制系统现场总线（Fieldbus）是连接现场智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统（Fieldbus C

12、ontrol System，FCS）是一种以现场总线为基础，将现场控制装置与现场智能仪表互连的实时网络控制系统，是20世纪90年代兴起的新型计算机控制系统，已广泛应用于生产过程自动化领域。第28页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五FCS对DCS的变革第29页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五传统DCS的通信网络截止于控制站或输入输出单元，现场仪表、执行器与控制站之间仍然是一对一的模拟信号传输。FCS的信号传输实现了全数字化，现场总线把通信线一直延伸到生产现场或生产设备。在FCS系统中，生产过程现场的各种仪表、传感器、执行器、控制器等都配置有微处理器，属于智能

13、现场设备，各自都具有数字计算和通信能力，可完成数据测量、处理和调节控制等功能。FCS控制系统将DCS控制站的功能分散到智能设备中，实现彻底的分散控制。第30页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五较为流行的现场总线主要有以下几种：基金会现场总线（Foundation Fieldbus）LONWORKSPROFIBUSCANHART总线。 第31页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五六、计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)是计算机技术、网络技术、自动化技术、信号处理技术、管

14、理技术和系统工程技术等新技术发展的结果，它将企业的生产、经营、管理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节与人力、财力、设备等生产要素集成起来，进行统一控制，以求生产活动的最优化。 第32页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4 计算机控制系统的控制核心微型计算机的发展，促进了控制技术的进步。目前，已有各种各样的微型机控制系统在工业生产中得到应用。根据被控对象的规模，主要有单片机、DSP、ARM、工业控制计算机和可编程控制器几种，它们适应不同的应用要求。在实际工程中，选择何种机型，应根据控制规模、工艺要求和控制特点等来确定。 第33页，共55页，2022年，5月20日，

15、6点7分，星期五单片机单片机，即单片微型计算机，是将微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、时钟及接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片上构成的计算机，是微型计算机的一个重要分支。单片机具有集成度高、体积小、功耗低、使用方便价格低廉等特点。主要用于一些智能化的仪表、家电和小型的控制系统等。第34页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4.2 DSPDSP可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），也可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing）。一般我们所说的DSP是指前者，即专门从事数字信号处理

16、的微处理器，它在机电一体化中应用广泛。第35页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/ C5000 /C6000系列第36页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4.3 ARM“百度百科”搜索 “ARM”国家：英国（欧洲） ARM行业：电子 半导体 微处理器 智能手机 总部：英国剑桥 竞争对手：英特尔 市场份额

17、手机处理器90%的市场份额 上网本处理器30%的市场份额第37页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4.3 ARMARM处理器（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。第38页，共55页，2022年，5月20日，6点7分

18、，星期五采用RISC架构的ARM微处理器具有如下特点。（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。（4）大多数数据操作都在寄存器中完成。（5）寻址方式灵活简单，执行效率高。（6）指令长度固定。第39页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4.4 工业控制计算机工业控制计算机，简称工控机，是一种面向工业控制、采用标准总线技术和开放式体系结构的计算机。 20世纪80年代所采用的是STD总线，20世纪90年代逐渐被ISA和PCI总线的工控机取代。第40页，共55

19、页，2022年，5月20日，6点7分，星期五IPC（Industrial Personal Computer）是基于PC总线的工业控制计算机。典型的工业控制机一般由加固型工业机箱、工业电源、主机板、显示板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各类输人/输出接口模板、显示器、键盘、鼠标等组成。 第41页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五（a）主机箱外部结构 （b）主机箱内部结构图1-12 IPC主机箱结构第42页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五 IPC的特点 ：（1）采用加固型工业标准机箱，以达到防震、防尘、防冲击、抗电磁屏蔽，并具有良好的通风散热性能。（2）取代PC的

20、大母板结构，整机采用总线式一体化主板，易于更换。（3）增加电源的功率裕量，加强电压浪涌抑制和抗干扰措施。（4）I/O插卡采用工业级元件。（5）具有多种通信网卡和通信软件支持。（6）丰富的软件支持。第43页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.4.5 可编程控制器编程序控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是早期的继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合的产物。它吸收了微电子技术和微型计算机技术的最新成果，发展十分迅速。从单机自动化到整条生产线自动化，乃至整个工厂的生产自动化，PLC均担当着重要角色。第44页，共55页，2022年，5

21、月20日，6点7分，星期五PLC的实物研华PLC和利时PLC西门子PLC三菱PLC第45页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1、PLC的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。 （2）通用性强，使用方便。 （3）功能强，适应面广。 （4）编程简单，容易掌握。 （5）减少了控制系统的设计及施工的工作量。 （6）体积小、重量轻、功耗低。第46页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五2. PLC的分类（1）按控制规模PLC大致可分为：微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机（2）按结构PLC可分为：整体式及模块式两大类（3）世界上PLC产品可按地域分为：美国产品、欧洲产品和

22、日本产品第47页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五3. PLC的应用和发展前景（1）开关量的逻辑控制。 （2）运动控制。 （3）闭环过程控制。 （4）数据处理。 （5）通讯连网。 第48页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五1.5 计算机控制系统的发展概况及趋势计算机控制的发展过程 在生产过程控制中采用数字计算机控制的思想出现在20世纪50年代中期，控制理论与计算机技术结合，产生了计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开辟了新的途径。 第49页，共55页，2022年，5月20日，6点7分，星期五 世界上第一台电子计算机于1946年在美国问世，到20世纪50年代末，已经将计算机用于过程控制。 20世纪60年代后期，出现了适合工业生产过程控制的小型计算机，使规模较小的过程控制项目可以考虑采用计算机控制。1972年出现了微型计算机。使计算机控制由一台计算机完成许多控制回路的控制任务的集中式控制结构，转变成分散式控制结构，这就是集散控制系统（DCS）。 进入20世纪