物联网控制技术 课件 A计控1绪论

物联网控制技术1物联网专业的通识选修专业课。主要讨论在实现工业生产自动化时如何合理地选择和组织工业控制机的软件、硬件、外围设备、接口通道以及控制和管理生产过程的基本原理和方法。一、课程性质及内容

第一章绪论 4学时第二章控制系统输入输出接口与过程通道2学时第三章数字控制技术4学时第四章常规及复杂控制技术 6学时第五章控制系统中的数学模型2学时第六章应用程序设计与实现技术 4学时第七章分散型测控网络技术 4学时第八章物联网控制系统设计与实现 6学时2课程涉及面广，起点高，每章描述计算机系统的一个部分，独立性强。要求：及时复习课程中所涉及的基础知识；作好笔记，及时理解、消化课堂内容，独立按时完成作业；认真对待每次实验：预习、操作、实验报告。彭力《物联网控制基础》机械工业出版社2016.7王万良《物联网控制技术》机械工业出版社2017.9于海生《微型计算机控制技术（第二版）》清华大学出版社2009.9苏小林《计算机控制技术》中国电力出版社2006.7王锦标《过程计算机控制》清华大学出版社1992焦尚仁《微机控制技术》 轻工出版社1988杨天怡《微型计算机控制技术》 重庆大学出版社1996二、学习方法三、参考书目3第一章绪论4e=r-y

y=f(e)控制系统的基本功能是信号的传递、加工和比较。由检测变送装置、控制器和执行装置来完成。1、控制系统的一般形式控制器执行机构被控对象变换发送单元测量元件

给定值r被控参数y控制系统的一般形式第一节计算机控制系统概述一、计算机控制的一般概念52、计算机控制系统的基本框图计算机代替控制器；增加A/D、D/A转换器；控制规律由程序实现。3、计算机控制系统的控制过程（1）实时数据采集（2）实时决策（3）实时控制计算机控制系统原理图控制器A/D执行机构被控对象D/A给定值被控量工控机测量变送生产过程ry+-eu4、在线方式和离线方式5、实时的含义 及时、快速。6二、计算机控制系统的组成内部总线被控对象CPU/MEM计算机控制系统的组成框图人机接口系统支持板磁盘适配器测量变送执行机构电气开关电气开关AI通道AO通道DI通道DO通道工业控制机生产过程7从应用特点、控制目的分：

1）操作指导控制系统（OGC）（OperatorGuideControl)

2）直接数字控制系统（DDC） （DirectDigitalControl）

3）监督控制系统（SCC）（SupervisoryComputerControl）

4）分散型控制系统（DCS）（DistributedControlSystem）

5）现场总线控制系统（FCS）（FieldbusControlSystem）三、计算机控制系统的典型形式8

功能：1）巡测、显示、打印、报警

2）计算控制量，求出最佳设定值

优点：灵活、安全

缺点：人力消耗大

适用：对控制规律尚未彻底了解的生产过程计算机A/D转换器采样器工业对象CRT显示打印机测量元件操作指导控制系统组成框图调节器在线检测，离线控制1、操作指导控制系统（OGC）9工业对象检测输入通道接口工控机执行器输出通道接口显示打印报警给定值直接数字控制系统组成框图功能：1）同巡测系统

2）计算控制量（算法：PID） 3）输出控制要求：实时性好，可靠性高，适应性强适用：多回路（经济、方便）2、直接数字控制系统（DDC）10监督控制系统的两种结构形式(a)SCC＋模拟调节器系统(b)SCC＋DDC系统工业对象模拟调节器SCC用计算机记录显示打印调节测量设定值工艺数据工业对象SCC用计算机记录显示打印DDC用计算机工艺数据调节测量设定值3、监督控制系统（SCC）11功能：1）同OGC 2）对调节器进行设定 3）修改模型，实现最优、自适应控制要求计算机：

计算能力强，内、外存容量大，软件系统丰富，高档微机。适用：对生产过程的物、化机理了解透彻的场合。124、分散型控制系统（DCS）管理计算机现场控制站PLC智能调节器其它测控装置工业对象DCS结构示意图综合信息管理级通信网络工程师操作站操作员操作站监控计算机网间连接器网间连接器局部网络（LAN）集中操作监控级分散过程控制级至其它局域网优点：任务分散、响应速度快，结构模块化，系统扩展、 缩小方便， 子系统独立性强，故障时影响小，能共享资源。缺点：系统庞大，结构复杂。135、现场总线控制系统（FCS）“工作站－－现场总线智能仪表”二层结构。141、工业控制机的硬件组成第二节工业控制机的组成结构及特点一、工业控制机的组成主机板人－机接口系统支持磁盘系统通信接口AI通道AO通道DI通道DO通道外部总线内部总线工业控制机的硬件组成结构1）监控定时器(Watchdog)2）电源掉电检测3）后备存储器4）实时日历时钟15

系统软件：操作系统，引导程序、调度程序等，与计算机密切相关。

支持软件：程序设计系统、诊断程序等。

应用软件：描述生产过程及控制规律以及实现控制动作的程序。涉及生产工艺、控制原理、控制工具，由用户编制。一般应包括：过程输入模块、基本运算模块、控制算法模块、报警限幅模块、过程输出模块、数据管理模块等。2、工业控制机的软件组成计算机控制的任务：实现生产过程和计算机硬、软件的配合。16

强电、高压、强磁场、高温、高湿、腐蚀性气体、抗干扰，防腐蚀，滤波、屏蔽…

MBTF

运转率＝

MBTF＋平均机器失效时间

可靠性：系统能够正常工作的能力。

平均故障间隔时间（MBTF）≥数千小时1）高可靠性和可维护性好国际上提出运转率为99.95％，即年平均停机4小时（双机）。可维护性好：插件式，标准芯片；诊断程序→故障部分2）环境适应性强二、工业控制机的特点17实时操作系统、诊断程序、监控程序、通讯软件、数据库…3）控制的实时性实时：响应速度快；定时4）完善的输入输出通道6）适当的计算精度和运算速度5）丰富的软件18

18世纪：锅炉水位调节

19世纪：转速调节器

20世纪30年代：各类生产过程的控制（基地式仪表、单参数T、P、Q…调节）

40-50年代：QDZ、DDZ集中控制自动化仪表的局限性：实现1-2个参数的调节，对新型的调节规律，或是造价过高，或是无法实现。电子计算机（40年代问世）：速度快，精度高，容量大，逻辑判断能力强。第三节计算机控制系统的发展概况及趋势一、自动控制技术的发展191、计算机控制技术的发展过程

1952：化工生产、自动测量和数据处理系统，累计并 打印出对管理有用的生产过程参数（开环）

1957：石油蒸馏过程的调节（闭环）。P、Q、T、A…

1958：试验性地采用DDC系统在电站、炼油厂实现了闭

环定值控制

1960：在合成氨和丙烯晴生产过程中实现了计算机监 督控制

1966年以来，开始侧重于过程最优控制并向分级控 制，网络控制方向发展。

70年代：微机控制，分级分布式控制，用微机取代 DDZ—Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。依赖于：自动化水平、计算机硬、软件水平二、计算机控制系统的发展概况20可按４个阶段描述其发展过程：

1）开创时期（1955～1962）

2）直接数字控制时期（1962～1967）

3）小型计算机时期（1967～1972）

4）微型计算机时期（1972～）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21

1）应用PLC

2）广泛使用智能调节器

3）采用新型的DCS和FCS三、计算机控制系统的发展趋势1、推广应用成熟的先进技术2、研究和发展智能控制系统

1）分级递阶智能扩展系统

2）模糊控制系统

3）专家控制系统

4）学习控制系统

5）神经控制系统22第四节工业控制机的总线结构总线：定义了信号，电气和机械特性的一些引线的集合，使计算机系统内各部件之间及外部各系统之间建立信号联系，进行数据传输和通信。总线目的:1）使生产厂家能按统一的标准设计制造计算机；2）用户可以把不同厂家生产的各种型号的模板和设备连接起来，组成自己需要的系统。片内总线、内部总线、外部总线一、总线的分类DIDORAMROMA/DD/ACPU外部总线接口内部总线系统A系统B外部总线DIDORAMROMA/DD/ACPU外部总线接口内部总线计算机总线结构示例24计算机系统内部的模板和模板之间进行通信的总线，称为内部总线（系统总线：STD、PC）。机械要素：模板尺寸，接插件尺寸和针数；电气要素：信号的电平和时序。

内部总线构成CPURAMROMA/DD/A外部总线接口总线母板DACP二、内部总线25STD总线：工业标准微型计算机总线，模板尺寸：165×114mm、56芯插座。

①小模板结构。机械强度大，抗冲击，一块模板上只有1~2种功能，元器件少，便于散热、故障诊断和维修。

②开放式系统结构。没有固定的模式或标准机型，大量功能模板(注意：一个系统只允许选用一块CPU模板，称主板)。

③兼容式总线结构。可支持8位CPU，如：8085、Ｚ80、MCS-51，也支持16位CPU，如：8086、6800、便于扩充和升级，避免重复投资，降低改变费用，缩短开发周期。1）STD总线的特点2、STD总线26共56根：逻辑电源线：1~6数字，模拟地各自独立，干扰↓；数据总线： 7~14双向，三态，高有效， 分时复用，扩展D8~D15；地址总线：15~30三态，高有效， 分时复用，扩展A16~A23；控制总线：31~52读，写，I/O地址请求，中断控制 等；辅助电源线：53~562）STD总线的信号分配27机械要素：接插件型号和电缆线。电气要素：发送与接收信号的电平和时序。功能要素：发送和接收双方的管理能力，控制功能和

编码规则等。计算机系统和系统（或外设）之间进行通讯的总线（IEEE---488，RS--232---C)。三、外部总线28串行外部总线，25线。最基本：发送数据线2，接收数据线3，信号地线7。其它线在进行远距离通信时使用。接口连接器采用

DB-25插头和插座，插头与DTE相连，插座与DCE相连。

信号采用负逻辑:1）机械特性标准2）电气特性标准状态 -15V＜V1＜-5V +5V＜V1＜+15V逻辑状态 1

0信号条件传号(MARK)空号(SPACE)功能 OFF ON1、RS-232-C总线29一般CRT，计算机采用TTL电平输入输出。发送器：MC1488TTL

RS-232-C接收器：MC1489RS-232-C

TTLRS-232-COUTOUTTTL+5V+15VMC1488TTLIN≈MC1489IN-15VRS-232-C发送和接收电路30RS-232-C总线规定：距离≤15Ｍ，速率≤20kbps，共用信号地易引进干扰。TTLOUTTTLMC1489DTEMC1488DCEMC1489MC1488TTLTTLININOUT地线RS-232-C接口电路示例313）RS-422-A总线使用双端发送器和接收器负逻辑，传输速率高达10Mbps。采用电压信号，DTE与DCE之间无光电隔离。DTEMC3487DCEMC3486MC3486MC3487TTLTTLTTLTTLININOUTOUTRS-422-A接口电路示例324）采用光电隔离的电流环接口电路+15V-15V+5VTTLTTLINOUTTTL+15V+5V+5V+5V-15VTTLINOUTOUTDATADATAIN20mA20mADCEDTE

光电隔离的电流环接口技术20mA

逻辑“1”，0mA

逻辑“0”。传输距离长达1000m，具有抗共模干扰的能力。33异步双向并行简易型总线

①无源电缆线，16条信号线，9条地线；

②总线上最多可接15个设备；

③整个系统的连接电缆最大长度为20m；

④最大传输速度为1Mbps；

⑤地址容量：“听”，31，“讲”，31，可扩展到961个；

⑥负逻辑：“1”+0.8V，”0”+2.0V；

⑦三线式信号交换异步确认方式控制数据传输。2、IEEE-488总线（HP-IB，GP-IB总线）1）总线的约定及特点342）总线的一般描述设备B————讲者听者————数字电压表1接口管理线DIO1~DIO8DAVNRFDNDACIFCATNSRQRENEOI设备A————控者讲者听者————计算机设备C————讲者听者————数字电压表