第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念

第1章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成1.3微機(jī)控制系統(tǒng)的分類1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展1.5工業(yè)控制機(jī)的組成及特點(diǎn)1.6工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)

1.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念

古典控制理論： -20世紀(jì)40年代發(fā)展起來； -頻率法（幅頻特性和相頻特性）和根軌跡法（穩(wěn)定性分析）； -適于單輸入單輸出的線性自動(dòng)控制系統(tǒng)；現(xiàn)代控制理論：為數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域創(chuàng)造了條件 -20世紀(jì)60年代逐漸形成； -以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)； -適于多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí) 間變化的時(shí)變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時(shí)，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預(yù)期的要求。否則，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，可以采用干擾補(bǔ)償?shù)霓k法，但是，采用干擾補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)

帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉(zhuǎn)速變化。

隨動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖（例：輪船主機(jī)轉(zhuǎn)速控制）自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型：①恒值系統(tǒng)：給定值是恒定值（輪船主機(jī)定速控制）；②隨動(dòng)系統(tǒng)：給定值(控制指令)是事先未知的時(shí)間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)（火炮控制）； ③程序控制系統(tǒng)：控制指令已預(yù)先知道的系統(tǒng)（自動(dòng)包裝線）； ④自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)：如前面所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的（商店室溫控制）。自動(dòng)控制的基本方式： ①開環(huán)控制：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制（打出去的炮彈）；

當(dāng)被控對(duì)象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時(shí)，系統(tǒng)不能進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，被控制精度難以保證。但是由于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小的場(chǎng)合應(yīng)用比較廣泛。 ②閉環(huán)控制：被控量參與系統(tǒng)控制。閉環(huán)控制從原理上提供了實(shí)現(xiàn)高精度控制的可能性，它對(duì)控制元件的要求比開環(huán)控制的低。但與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較麻煩，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因而成本較高。閉環(huán)控制是自動(dòng)控制中廣泛采用的一種控制方式。當(dāng)控制精度要求較高，干擾影響較大時(shí)，一般都采用閉環(huán)控制。對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求：①穩(wěn)定性：系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時(shí)，系統(tǒng)抑制振蕩的能力；②快速性：被控量趨近希望值的快慢程度；③精確性：過渡過程結(jié)束后，被控量與希望值接近的程度。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（火焰切割機(jī)）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程包括以下四個(gè)方面：(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控制量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)；(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)輸入的實(shí)時(shí)給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，稱為(實(shí)時(shí))決策；(3)實(shí)時(shí)控制：根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號(hào)； (4)信息管理：結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略，實(shí)現(xiàn)信息共享和管理（例如：數(shù)據(jù)庫技術(shù)）。測(cè)、算、控、管實(shí)時(shí) 滿足實(shí)時(shí)性：指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間(采樣間隔)內(nèi)完成。 實(shí)時(shí)控制：計(jì)算機(jī)能夠在工藝要求的時(shí)間范圍內(nèi)及時(shí)對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和控制輸出。在線

在線方式：生產(chǎn)過程與計(jì)算機(jī)直接相接并受控于計(jì)算機(jī)，也稱為聯(lián)機(jī)方式； 離線方式：生產(chǎn)過程不與計(jì)算機(jī)相接且不受控于計(jì)算機(jī)，而靠人聯(lián)系并實(shí)施操作，也稱為脫機(jī)方式；

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點(diǎn)，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，可以數(shù)字濾波等； (2)使用靈活，便于實(shí)現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設(shè)備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設(shè)備的情況下逐步提高控制水平。 (3)具有增加控制回路而不會(huì)顯著地增加費(fèi)用的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)打印、制表、報(bào)警、顯示等附加功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件： 過程相關(guān)設(shè)備：傳感器、執(zhí)行器 軟件：控制軟件及系統(tǒng)軟件； *計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)： *其它設(shè)備：操作臺(tái)、檢測(cè)設(shè)備等；

在各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般就是指微機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件：各種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)等 1)計(jì)算機(jī)主機(jī)：CPU+存儲(chǔ)器； 2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計(jì)數(shù)/定時(shí)等)； 3)輸入/輸出通道：計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間信息傳遞和交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道；一般包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道；過程通道不能直接由主機(jī)控制，必須由接口傳送相應(yīng)的信息和命令； 4)通用外圍設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)等常用輸入設(shè)備，顯示器、打印機(jī)、記錄儀等常用輸出設(shè)備，磁盤、光盤等存儲(chǔ)設(shè)備；

過程相關(guān)設(shè)備 1)傳感器：工業(yè)對(duì)象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號(hào)。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，為了收集和測(cè)量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測(cè)元件和儀表，它們的主要功能是把被檢測(cè)的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量。這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電平后再送入微機(jī)。檢測(cè)元件精度的高低直接影響微機(jī)控制系統(tǒng)的精度。 2)執(zhí)行器：為了控制生產(chǎn)過程，需要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等形式。動(dòng)力電機(jī)和控制電機(jī)也是經(jīng)常用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

軟件

軟件是指能完成各種功能的微機(jī)程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計(jì)算和自診斷程序等。

1)系統(tǒng)軟件：DOS，Windows，WindowsNT，UNIX等操作系統(tǒng)和專業(yè)化的軟件工作平臺(tái)（如匯編、編譯等語言加工軟件軟件和控制系統(tǒng)的編程軟件等）； 2)應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫：應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制對(duì)象或控制任務(wù)都配有相應(yīng)的控制程序，用這些控制程序來完成對(duì)各個(gè)控制對(duì)象的不同要求。在平衡系統(tǒng)硬件和軟件的性能和功能時(shí)，只有當(dāng)確定系統(tǒng)硬件后，才能確定如何配制軟件。只有軟件和硬件相互有機(jī)配合，才能充分發(fā)揮微機(jī)的優(yōu)勢(shì)，研制出完善的微機(jī)控制系統(tǒng)。

1.3微機(jī)控制系統(tǒng)的分類按照功能結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類 1)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)（安防系統(tǒng)） 2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)（數(shù)控機(jī)床）(DirectDigitalControl) 3)微機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)（鍋爐）(SupervisoryComputerControl) 4)集散控制系統(tǒng)(DCS)(DistributedControlSystem)及分級(jí)控制系統(tǒng) 5)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)（PROFIBUS）(FieldbusControlSystem) 6)計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò) ……數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)對(duì)大量的過程參數(shù)進(jìn)行定時(shí)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、參數(shù)的越限報(bào)警及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和實(shí)時(shí)分析，按要求定時(shí)制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結(jié)果記錄在外存儲(chǔ)器中，作為資料保存和供分析使用，最終對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)過程發(fā)揮一定作用。DDC系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)參加閉環(huán)控制過程。用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再根據(jù)規(guī)則進(jìn)行控制運(yùn)算，最后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。計(jì)算機(jī)可完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，且不需改變硬件，只通過改變軟件就可有效實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。在DDC方法中，對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預(yù)先設(shè)定的，這個(gè)給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時(shí)修改，因此DDC方式無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制(SCC)中的計(jì)算機(jī)根據(jù)工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型或其它方法，自動(dòng)改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(如最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。由于其作用是改變給定值，所以又稱SCC為給定值控制SPC(SetPointControl)。微機(jī)對(duì)各物理量進(jìn)行巡回檢測(cè)并接收管理命令，按照一定的數(shù)學(xué)模型計(jì)算并輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測(cè)值進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計(jì)算后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。由此系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷改變給定值，達(dá)到實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。該種系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術(shù)改造工程，能夠充分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器，又可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。兩級(jí)微機(jī)控制系統(tǒng)，一級(jí)為監(jiān)督級(jí)SCC，二級(jí)為控制級(jí)DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計(jì)算最佳給定值，SCC與DDC之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測(cè)量值(數(shù)字量)進(jìn)行比較，其偏差由DDC進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)控制作用。當(dāng)DDC級(jí)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由SCC計(jì)算機(jī)完成DDC的控制功能?？刂葡到y(tǒng)可靠性提高，使用更加靈活。DCS系統(tǒng)框圖DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡(luò)化的控制結(jié)構(gòu)，靈活地將控制設(shè)備、服務(wù)器、基礎(chǔ)自動(dòng)化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動(dòng)化角度出發(fā)，按功能分散、危險(xiǎn)分散、管理集中和應(yīng)用靈活等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有高可靠性能，便于維修與更新。它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標(biāo)，以微處理機(jī)為核心，與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、CRT顯示、人機(jī)接口技術(shù)和輸入/輸出接口技術(shù)相結(jié)合，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、過程控制和生產(chǎn)管理分級(jí)控制系統(tǒng)框圖微機(jī)控制系統(tǒng)不但包含控制的功能，而且還包含生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度的功能。計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)由一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)(CC)和若干臺(tái)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)(SC)構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，中央計(jì)算機(jī)配置了齊全的各類外圍設(shè)備，各個(gè)衛(wèi)星計(jì)算機(jī)可以共享資源，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備以及其他資源可以得到充分利用。各個(gè)衛(wèi)星機(jī)按照不同單元的功能要求由不同的微處理機(jī)進(jìn)行操作控制；中央計(jì)算機(jī)用于協(xié)調(diào)各衛(wèi)星機(jī)之間的工作，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)督控制功能，還能進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算和計(jì)劃、調(diào)度、庫存管理等工作。按照控制規(guī)律對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類 1)程序控制和順序控制：程序控制是指被控量按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間函數(shù)變化，被控制量是時(shí)間的函數(shù)；順序控制則可以看作是程序控制的擴(kuò)展，在各個(gè)時(shí)期所給出的設(shè)定值可以是不同的物理量，而且每次設(shè)定值的給出，不僅取決于時(shí)間，還取決于對(duì)以前的控制結(jié)果的邏輯判斷。 2)比例―積分―微分控制(簡(jiǎn)稱PID控制)：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。

3)有限拍控制：有限拍控制的性能指標(biāo)是調(diào)節(jié)時(shí)間最短，要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。 4)復(fù)雜規(guī)律的控制：針對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)際情況引入的各種復(fù)雜規(guī)律的控制，如串級(jí)控制、前饋控制、純滯后補(bǔ)償控制、多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制等。 5)智能控制：人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制理論相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。1.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程 1)開創(chuàng)時(shí)期(1955~1962) 2)直接數(shù)字控制時(shí)期(1962~1967) 3)小型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1967~1972) 4)微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972~)計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過程 1)采樣定理； 2)差分方程； 3)Z變換法； 4)狀態(tài)空間理論； 5)最優(yōu)控制與隨機(jī)控制； 6)代數(shù)系統(tǒng)理論； 7)系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制；微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 1)成熟先進(jìn)技術(shù)的推廣(PLC、智能調(diào)節(jié)器、DCS、FCS) 2)智能控制系統(tǒng)研究（人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)） 3)微機(jī)控制系統(tǒng)深入發(fā)展微機(jī)控制系統(tǒng)之成熟先進(jìn)技術(shù)的推廣普及應(yīng)用PLC

廣泛使用智能調(diào)節(jié)器采用新型DCS和FCS微機(jī)控制系統(tǒng)之智能控制系統(tǒng)研究分級(jí)階梯智能控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)微機(jī)控制系統(tǒng)之深入發(fā)展系統(tǒng)辨識(shí)（建立模型）最優(yōu)估計(jì)（狀態(tài)變量的估計(jì)）最優(yōu)控制（控制參數(shù)的最優(yōu)選擇）系統(tǒng)辨識(shí)工業(yè)過程的數(shù)學(xué)模型可通過過程的機(jī)理分析或?qū)嶒?yàn)測(cè)試的方法獲得，分別稱為機(jī)理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。系統(tǒng)辨識(shí)把工業(yè)過程看作“黑盒子”，僅憑借過程的輸入輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法決定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。若機(jī)理建模提供了模型的結(jié)構(gòu)，測(cè)試數(shù)據(jù)只決定其中的未知參數(shù)，則稱為參數(shù)識(shí)別或參數(shù)估計(jì)。適應(yīng)性控制就是當(dāng)系統(tǒng)特性隨著負(fù)荷、物料性質(zhì)和操作條件的改變而改變時(shí)，為了達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)控制，要隨時(shí)改變控制結(jié)構(gòu)與參數(shù)，以適應(yīng)變化了的工況，保持給定的控制指標(biāo)，因此要求在線實(shí)時(shí)識(shí)別過程模型，以新測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，用迭代方法為手段，不斷更新模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。最優(yōu)估計(jì)工業(yè)過程中，除了可測(cè)的輸入輸出參數(shù)外，還有無法測(cè)量而又對(duì)過程操作具有重要意義的參數(shù)。現(xiàn)代控制理論引入了系統(tǒng)的狀態(tài)空間與狀態(tài)向量的概念，可通過適當(dāng)選擇，將那些不可測(cè)的變量定義為狀態(tài)向量中的元素。狀態(tài)估計(jì)就是以過程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，依據(jù)輸入輸出的在線測(cè)量數(shù)據(jù)來估計(jì)不可測(cè)的狀態(tài)變量。對(duì)于隨機(jī)過程，由于測(cè)到的輸入輸出信息和模型本身都會(huì)被噪聲污染，其真實(shí)狀態(tài)的估計(jì)就是最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)。最優(yōu)控制生產(chǎn)過程中，常會(huì)要求以最少的消耗(能量或物料)達(dá)到最大的實(shí)效。對(duì)于大型企業(yè)就存在大系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制一般采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃、變分法與極大值原理等方法。一個(gè)典型的高級(jí)控制系統(tǒng)可以過程模型為基礎(chǔ)，包括在線參數(shù)估計(jì)、模型參數(shù)的自適應(yīng)修正、卡爾曼濾波或狀態(tài)估計(jì)的微機(jī)綜合控制模式等。1.5工業(yè)控制機(jī)的組成及特點(diǎn)工業(yè)控制機(jī)的硬件組成系統(tǒng)支持.Watchdog：.電源監(jiān)測(cè)： MAX708.掉電保護(hù)： 電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM(X24F008) 非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器NOVRAM(X20C04) 非易失性數(shù)控電位器EEPOT(X9311) 閃存器FLASH.實(shí)時(shí)時(shí)鐘： DS1287,DS12887X25045：將可編程看門狗、電壓監(jiān)控、E2PROM集于一體的多功能芯片X25045有一個(gè)狀態(tài)寄存器，可以用來提供X25045的狀態(tài)信息以及設(shè)置塊保護(hù)和看門狗的超時(shí)功能。WIP：寫進(jìn)程狀態(tài)位；WEL：寫使能鎖存器的狀態(tài)位；可以由指令進(jìn)行復(fù)位和置位操作。寫使能鎖存器被復(fù)位時(shí)向其寫操作被禁止。BL0，BL1：確定E2PROM的塊保護(hù)地址范圍；WD0，WD1：看門狗超時(shí)功能設(shè)定位，可以設(shè)置不同的周期（典型值1.4s、600ms、200ms）.當(dāng)WD0和WD1同時(shí)為1時(shí)，功能被禁止。

芯片引腳功能定義：

1–CS 芯片選擇輸入

2SO 串行輸出

3-WP 寫保護(hù)輸入

4Vss 地

5SI 串行輸入

6SCK 串行時(shí)鐘輸入

7RESET復(fù)位輸出

8Vcc 電源電壓(1)串行輸入子程序unsignedcharX25045Rece(){unsignedcharidatai;//定義變量unsignedcharidatavar=0;for(i=0;i<8;i++)//8位帶進(jìn)位左移{var<<=1;//帶進(jìn)位左移sck=1;sck=0; //產(chǎn)生SCK脈沖if(so)var+=1;//SO移進(jìn)位位}return(var);//返回}(2)串行輸出子程序voidX25045Send(unsignedcharvar){unsignedchardatai;for(i=0;i<8;i++)//8位字節(jié)輸出{sck=0;//使SCK為低si=(var&0x80)?1:0;//輸出高位sck=1;//使SCK為高var<<=1;//左移1位}si=0;//清SI}(3)看門狗復(fù)位程序voidReset(){cs=1;cs=0;cs=1;}//CS脈沖復(fù)位看門狗(4)寫狀態(tài)寄存器子程序voidXwrite(unsignedcharvar,add){sck=0;//使SCK為低電平cs=0;//芯片選擇有效X25045Send(0x02);//WREN指令X25045Send(add);//調(diào)輸出子程序X25045Send(var);//調(diào)輸出子程序sck=0;//使SCK為低電平cs=1;//芯片選擇無效X25045wip-poll();//看門狗時(shí)限子程序}(5)讀狀態(tài)寄存器子程序unsignedcharXBRead(unsignedcharadd){unsignedchardatai;sck=0;//使SCK為低電平cs=0;//芯片選擇有效X25045Send(0x03);//READ指令X25045Send(add);//調(diào)輸出子程序i=X25045Rece();//調(diào)輸入子程序sck=0;//使SCK為低電平cs=1;//芯片選擇無效return(i);//返回}DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)加RAM設(shè)計(jì)用于直接替代DS1287。在24引腳雙列直插式封裝中整合了鋰電池、石英晶體以及寫保護(hù)電路，可替代典型應(yīng)用中的16個(gè)元件。獨(dú)特之處在于能在沒有電源的情況下維持日歷與存儲(chǔ)信息。直接替代IBMAT計(jì)算機(jī)時(shí)鐘/日歷引腳與MC146818B與DS1287兼容在沒有電源的情況下，可以在10年工作中保持完全非易失包含鋰電池、石英晶體和支持電路的完備子系統(tǒng)計(jì)算秒、分、時(shí)、星期、日、月、年信息，有效至2100年的閏年補(bǔ)償用二進(jìn)制或BCD表示時(shí)間、日歷和鬧鐘信息配合AM、PM的12小時(shí)模式或24小時(shí)模式夏令時(shí)選擇可選擇Motorola或Intel總線時(shí)序復(fù)用總線提高引腳利用率軟件接口類似128個(gè)RAM地址14字節(jié)時(shí)鐘與控制寄存器114字節(jié)通用RAM可編程方波輸出總線兼容的中斷信號(hào)(/IRQ)三路中斷可分別通過軟件屏蔽與檢測(cè)日歷鬧鐘可設(shè)置為每秒一次至每天一次周期中斷可設(shè)置在122ms至500ms時(shí)鐘刷新結(jié)束UL認(rèn)證磁盤接口

IDE(IntegratedDriveElectronics):ATA(ATAttachment):definesthephysical,electrical,transport,andcommandprotocolsfortheinternalattachmentofstoragedevices.ATAPI(ATAttachmentPacketInterface):SATA(SerialATA):SCSI(SmallComputerSystemInterface):IDEinterfacepinassignmentsAboutIDEAboutSerialATAAboutSCSI工業(yè)控制機(jī)的軟件組成工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)1.6工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)

總線就是一組信號(hào)線的集合，它定義了各引線的信號(hào)、電氣和機(jī)械特性，使計(jì)算機(jī)內(nèi)部各組成部分之間以及不同計(jì)算機(jī)之間藉此建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)信息通信。

獨(dú)享共用！

BusTypeBusWidthBusSpeedMB/secISA16bits8MHz16MBpsEISA32bits8MHz32MBpsVL-bus32bits25MHz100MBpsVL-bus32bits33MHz132MBpsPCI32bits33MHz132MBpsPCI64bits33MHz264MBpsPCI64bits66MHz512MBpsPCI64bits133MHz1GBps內(nèi)部總線：PC總線早期PC總線對(duì)應(yīng)8088CPU,為62線8位總線系統(tǒng)

ISA=IndustryStandardArchitectureEISA=ExtendedIndustryStandardArchitectureVL-bus=VesaLocalBus(Vesa=VideoElectronicsStandardsAssociation)PCI=PeripheralComponentInterconnect

----ISA（industrialstandardarchitecture）總線標(biāo)準(zhǔn)是IBM公司1984年為推出PC/AT機(jī)而建立的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，所以也叫AT總線。它是對(duì)XT總線的擴(kuò)展，以適應(yīng)8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時(shí)代應(yīng)用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機(jī)中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。----EISA總線是1988年由Compaq等9家公司聯(lián)合推出的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是在ISA總線的基礎(chǔ)上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號(hào)線上又增加了98條信號(hào)線，也就是在兩條ISA信號(hào)線之間添加一條EISA信號(hào)線。在實(shí)用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號(hào)。----VESA（videoelectronicsstandardassociation）總線是1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡(jiǎn)稱為VL(VESAlocalbus)總線。它的推出為微機(jī)系統(tǒng)總線體系結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設(shè)備通過VL總線與CPU總線相連，所以VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴(kuò)展槽擴(kuò)展到64位，使用33MHz時(shí)鐘頻率，最大傳輸率達(dá)132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。----PCI（peripheralcomponentinterconnect）總線是當(dāng)前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴(kuò)展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達(dá)132MB/s，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。

上述幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機(jī)中，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總線，如STD總線、VME總線、PC/104總線、CompactPCI等。AboutPC/104:BusSignalAssignments早期PC總線AboutPC/104:ConnectorDimentionsPCIcardsuse47pinstoconnect(49pinsforamasteringcard,whichcancontrolthePCIbuswithoutCPUintervention).PCI-104不支持的部分AboutPCI:PinListCompactPCI是當(dāng)今第一個(gè)采用無源總線底板結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。CompactPCI是在原來PCI總線基礎(chǔ)上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點(diǎn)，提供滿足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時(shí)還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。AboutPCI:ApplicationStructuresPlugandPlay

（PnP）PnPBIOS-ThecoreutilitythatenablesPnPanddetectsPnPdevices.TheBIOSalsoreadstheESCDforconfigurationinformationonexistingPnPdevices.ExtendedSystemConfigurationData(ESCD)-AfilethatcontainsinformationaboutinstalledPnPdevices.PnPoperatingsystem-Anyoperatingsystem,suchasWindows95/98/ME,thatsupportsPnP.PnPhandlersintheoperatingsystemcompletetheconfigurationprocessstartedbytheBIOSforeachPnPdevice.

AboutPCI:PnP內(nèi)部總線：STD總線

56根并行總線早期為8位總線系統(tǒng)，8根數(shù)據(jù)線/16根地址線采用周期竊取和總線復(fù)用技術(shù)定義成16根數(shù)據(jù)線/24根地址線，升級(jí)為8位/16位微處理器兼容總線AboutSTD:BusSignalAssignmentsAboutSTD:CardExample外部總線：計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其它智能設(shè)備之間的通信總線

RS232C串行通信總線:EIA(ElectronicIndustriesAssociation)1960年提出，最新版本為EIA232E(1991年)。RS232C規(guī)定通信距離不大于15m，通信速率不大于20kbps。

IEEE-488并行通信總線:HP公司1970年提出HP-IB(Hewlett-PackardInterfaceBus)，1975年IEEE以此為基礎(chǔ)制定IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口總線(GPIB:General-PurposeInterfaceBus)。允許最多15臺(tái)設(shè)備互連，總線長(zhǎng)度不超過20m，傳輸速率500kbps，最大1Mbps。DTE

DataTerminalEquipmentDCE DataCommunicationsEquipment

AboutRS232AboutRS232----RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustryAssociation）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。----RS-485總線。在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。----IEEE-488總線是并行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計(jì)算機(jī)、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設(shè)備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號(hào)，連接方式為總線方式，儀器設(shè)備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺(tái)設(shè)備。最大傳輸距離為20米，信號(hào)傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。

其它串行設(shè)備總線----I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來在微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。在主從通信中，可以有多個(gè)I2C總線器件同時(shí)接到I2C總線上，通過地址來識(shí)別通信對(duì)象（線路板上各元件之間用來通訊）。----SPI總線，串行外圍設(shè)備接口SPI（serialperipheralinterface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（