安大模板-第1章-计控

微型计算机控制技术张媛yz@第一章绪论第一章绪论0自动控制技术的发展历程1微型计算机控制系统的组成、特点和应用

2微型计算机控制系统分类3典型计算机控制系统4工业控制计算机系统简介5微型计算机控制系统的发展趋势20自动控制技术的发展历程一、20世纪50年代以前的人工控制阶段（基地式仪表控制系统）二、20世纪60年代的模拟式仪表控制阶段（电动单元组合式仪表控制系统）三、20世纪70年代的计算机集中控制阶段四、20世纪80年代的集散式控制阶段（分布式控制系统）3图0-1-1计算机集中控制系统4图0-1-2计算机分布式控制系统5

微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。图1-1-1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。图1-1-1闭环控制系统框图第一节微型计算机控制系统的组成、特点和应用

1.1微型计算机控制系统的基本组成结构6图1-1-2中给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的控制性能较差。图1-1-2开环控制系统框图7智能阀门定位器图1-1-3阀门定位器实物图8智能阀门定位器图1-1-4阀门定位器原理图9

利用计算机的运算、逻辑判断、记忆等功能完成控制任务。因为计算机只能处理数字信息，所以无论是给定值和反馈量都要先用A/D转换器（模数转换器）将其变为数字量后才能送入计算机进行运算。计算机输出的控制量也要经过D/A转换器（数模转换器）将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成控制功能。图1-1-5计算机控制系统基本框图A/D控制规律计算程序D/A执行机构被控对象被控量检测装置给定值反馈量计算机（微处理器）10计算机控制技术的含义

所谓计算机控制，就是利用检测装置将被控对象中的物理参量（如温度、压力、液位、速度）转换为电量（如电压、电流），再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中的A/D转换器，转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被控对象的变化过程。

11图1-2-1微型计算机控制系统组成框图1.2、微型计算机控制系统的软硬件组成

121.2.1硬件组成（1）微型计算机核心部件（2）操作台（3）外围设备（4）I/O接口和I/O通道（5）信号检测和变送13（1）微型计算机核心部件计算机控制系统的核心部件是中央处理器、内存，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，并发出控制命令，指导系统工作。14（2）操作台它是人－－机对话的纽带，人通过操作台向计算机发出操作命令；计算机通过操作台向人显示系统运行状况，发出报警信号。15（3）外围设备

它扩展了主机的功能。例如打印机、显示器、存储器（优盘、移动硬盘）等。16（4）I/O接口和I/O通道

它是计算机主机与外部联系的纽带。有并行和串行接口，模拟量和数字量通道。17（5）信号检测和变送传感器起检测作用，将检测到的非电量转变为电量，如温度传感器、力传感器。变送器起转变作用，将电信号转变为计算机接口使用的标准电信号（0～5V或4～20mA）。18硬件扩展利用通用的标准总线的插件板，可进行硬件扩展。例如，STD标准总线，PC标准总线。191.2.2计算机控制系统的软件

软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软件通常分为两大类：一类是系统软件（厂商提供，例如操作系统、开发系统），另一类是应用软件（用户根据自己需要而编写的程序）。返回本节20系统软件指为提高计算机使用效率，扩大功能，为用户使用，维护和管理计算机提供方便的程序总称。具有一定通用性。应用软件是用户根据需要解决的实际问题编写的各种程序，在计控系统中指完成各种任务的程序：控制程序，数据采集及处理程序，巡回检测及报警程序。21更重要的是，如果需要对被控对象进行控制，则由计算机中的应用软件,根据采集到的物理参量的大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信号，并且推动执行机构（如调节阀、电动机）动作，从而完成相应的控制任务。计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。22

1）自动清零功能

2）量程自动切换功能

3）多点快速测控

4）数字滤波功能

5）自动修正误差6）数据处理功能7）复杂控制规律8）多媒体功能9）通信或网络功能10）自我诊断功能计算机技术的引入，为控制系统带来以下一些新特点和新功能。请同学们思考，并回答。23在计算机控制系统中，计算机的主要作用：1、信息处理。对于复杂的控制系统，输入信号和输出信号的计算工作量很大，采用模拟装置不能满足精度要求，因而需要采用计算机进行处理；2、系统校正。用计算机的软件程序实现对控制系统的校正，以保证控制系统具有所要求的动静态特性；3、实现复杂控制规律。由于计算机具有快速完成复杂工程计算的能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适应控制等复杂控制。4、修改方便。模拟控制系统控制规律的改变涉及硬件电路变更，计算机控制系统只需更改软件。241.2.3计算机控制系统的基本控制过程（1）实时数据采集：对来自检测装置的被控量的瞬时值进行采集和输入；（2）实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已确定的控制规律，决定将要采取的控制策略。（3）实时控制：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。并输出其它有关信号，如报警信号等。不断重复上述过程，使整个系统能够按照一定的动态品质指标进行工作，并且对被控参数和设备本身出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。25图1-3-1现代轧钢厂控制室1.3计算机控制系统的实例26图1-3-227图1-3-328图1-3-4某生产过程的总控制室29课后作业提交计算机控制系统的例子，以图片和文字的形式，并叙述此控制系统的工作原理和工作流程。说明此系统对应的给定输入量、反馈量、偏差量、控制器采取的控制方法。以小组（5人）的形式。2011.3.16日前发到yyz@301.2计算机控制系统的特点（1）结构上。系统中存在模拟部件，系统的核心部件是数字计算机。计控系统是模拟和数字部件的混合系统。（2）信号上。含有连续模拟信号、离散模拟信号、数字信号。（3）系统设计上。常用的有模拟调节规律离散化设计法（当采样周期很短时，效果好）和直接设计法（基于离散系统理论，缺点是忽视了采样点之间系统的动态过程）。现在流行的是：利用连续系统的性能指标，考虑采样点之间系统的动态特性，来设计。31计算机控制系统的特点（4）控制规律实现上。大部分用软件来实现，易修改，成本低，方便。而连续系统若修改控制规律，则需改变硬件结构，成本大。（5）回路控制上。连续控制系统，一般是一个控制器控制一个回路；而计控系统，具有高速的运算处理能力，能够分时控制，一台计算机可同时控制多个回路。（6）提高自动化水平。性价比高，运算速度快，精度高，可实现复杂控制规律。32第二节计算机控制系统分类1．操作指导控制系统2．直接数字控制系统（DDC）3．监督计算机控制系统（SCC）4．分级计算机控制系统返回本章首页332.1操作指导控制系统图2-1-1计算机操作指导控制系统示意图返回本节计算机输出不直接控制工业对象。计算机采集工业对象的参数，根据一定的控制算法，计算出操作方案和最优给定值。操作人员根据计算机输出信息去改变调节器给定值或直接作用于工业对象。特点是结构简单，半自动化。常应用于计控系统的初级研发阶段，不适用于快速过程的控制。342.2直接数字控制系统（DDC,DirectDigitalControl）

图2-2-1DDC控制系统原理图

DDC系统，应用最普遍。计算机通过输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信号，并通过输出通道作用于被控对象。给定值是预先设定并存入计算机内存的。它不能根据生产过程条件和生产工艺的变化及时地修改。特点：完全取代模拟控制器，改变程序即可实现各种复杂的控制规律。给定值显示打印计算机D/A转换输出通道执行机构被控对象检测装置A/D转换输入通道352.3监督计算机系统

（SCC，SupervisoryComputerControl）

SCC中，计算机根据工艺参数和过程参数检测值，按照所设计的控制算法计算出最佳给定值，传送给常规模拟调节器或DDC计算机。从而使生产过程始终处于最优工况。故又称为设定值控制SPC(SetPointControl).SCC系统有两种不同的结构形式：（1）SCC+模拟调节器控制系统:计算机将最优给定值送给调节器，若SCC故障，由模拟调节器独立工作。（2）SCC+DDC控制系统:SCC实现最优控制、自适应控制等控制规律运行；DDC实现数据处理和输出控制。36

SCC+模拟调节器的控制系统计算机计算出的最优设定值送入模拟调节器进行后续控制。当SCC计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务，变为传统的控制方式。模拟调节器SCC37SCC+DDC系统采用了两级计算机控制。工作可靠性更高。当SCC出故障时，可以由下级的DDC进行控制；并且因为SCC不参与直接的输出控制，所以可以有时间进行更加复杂的运算。SCC382.4分散计算机控制系统（DCS）特点：1、分散的过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道。2、SCC既要实现一些高级的控制又要向上级计算机反馈信息。3、集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作。4、综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。特点：功能分散，多台计算机分别执行不同的功能，即能控制又能实现管理。39分散控制系统，又称为：分布式控制系统、集散式控制系统。采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治、综合协调的设计原则。402.5

现场总线控制系统（FCS）

现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。它的结构组成如下图所示。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。41DCS控制系统操作站模拟量输出功能块控制功能块H1现场总线差压变送器模拟量输入功能块PIDI10

…...AOI10AI110H1H1网桥H2现场总线

…….

现场节点服务器LAN（局域网）42第三节典型计算机控制系统简介（1）计算机过程控制系统（2）微型计算机控制的电动机调速系统（3）计算机数字程序控制系统PLC（4）工业机器人433.1、计算机过程控制系统用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过程控制系统。

44工业炉的温度和压力控制系统453.2、微型计算机控制的电动机调速系统由于微型计算机具有极好的快速运算、信息储存、逻辑判断和数据处理能力，电动机调速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。

46

3.3、计算机数字程序控制系统PLC采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域应用的一个重要方面。所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序（现场输入条件等）而顺序动作的自动控制系统。47目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程程序控制器，简称为PC或PLC。48PLC与传统的继电器控制相比，具有如下一些特点：（1）抗干扰能力强（2）适应性好（3）编程直观、简单（4）功能完善，接口功能强49西门子PLC在矿山采矿中的应用

吉林吉恩镍业股份公司大岭矿GKTD型矿井提升机电控系统即为西门子PLC（S7-300）控制系统。

矿井提升机是矿山井下采矿运输系统中的关键设备，它承担矿物的提升，人员的上下，材料和设备的运送。整个控制系统自动化程度高，方便维护，运行可靠。50所谓数字程序控制系统是指根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而完成工作的自动控制系统。目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹可以分为点位控制系统和轮廓控制系统。51第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。第三代机器人是智能机器人，目前还没有一个统一和完善的智能机器人定义。工业机器人是从初步到高级逐步完善起来的，它的发展过程可以分为三代：3.4工业机器人52第四节工业控制机的特点和要求1、实时性2、高可靠性3、硬件配置的可装配可扩充性4、可维护性5、环境适应性强6、完善的输入输出通道7．软件丰富8．适当的计算机精度和运算速度534.1工业控制机的硬件组成（1）主机板:CPU、RAM、ROM等。数值计算、逻辑判断、数据处理。（2）内部总线和外部总线内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。（3）人—机接口:键盘、显示器、打印机。（4）磁盘系统：软盘和硬盘。（5）通信接口工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用RS—232C、USB和IEEE—488接口。图4-1-1工业计算机硬件结构框图54(6)系统支持功能

①监控定时器(看门狗-Watchdog);②电源掉电检测;③保护重要数据的后备存贮器;④实时日历时钟(7)输入输出通道工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入(AI)通道、模拟量输出(AO)通道、数字量(或开关量)输入(DI)通道、数字量(或开关量)输出(DO)通道。

554.2.工业控制机的软件组成(1)系统软件系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作系统，美国ReadySystem公司推出的嵌入式实时多任务操作系统VRTX／OS。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MS—DOS和Windows等系统软件。(2)支持软件支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。(3)应用软件应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。56

4.3工业控制机的总线结构1．内部总线所谓内部总线，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。常用的有IBMPC、PCI总线和STD总线。2．外部总线

所谓外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线，常用的外部总线有IEEE—488并行总线、U