第1章-微型計算機(jī)控制系統(tǒng)概論 重慶大學(xué)

第1章微型計算機(jī)控制系統(tǒng)概論1.1微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理1.2微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類1.3微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.4微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢1.1微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理1.1.1常規(guī)控制系統(tǒng)

對于沒有采用微型計算機(jī)控制的系統(tǒng)一般為連續(xù)控制系統(tǒng)，即常規(guī)控制系統(tǒng)。在常規(guī)的自動控制系統(tǒng)中，最基本的控制系統(tǒng)為閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如下圖所示。該控制系統(tǒng)中的測量元件和變換發(fā)送單元對被控參數(shù)（如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等）進(jìn)行測量，并將其變換成一定形式的電信號（電壓/電流），反饋給控制器?？刂破鲗⒎答佇盘柵c給定信號進(jìn)行比較，并根據(jù)一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，使被控參數(shù)的值和給定值保持一致。控制器是系統(tǒng)中最重要的部分，它從質(zhì)與量兩方面決定了控制系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍?？刂破骺梢杂酶鞣N控制規(guī)律實現(xiàn)，如：PID（比例積分微分）控制等。控制規(guī)律的選取與被控對象特性和系統(tǒng)控制要求有關(guān)。1.1.2微型計算機(jī)控制系統(tǒng)

如果把圖1-1中的控制器用微型計算機(jī)來代替，就可以構(gòu)成微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1-2所示?？刂葡到y(tǒng)中引入微型計算機(jī)后，控制規(guī)律便可由程序?qū)崿F(xiàn)，微型計算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。在常規(guī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制規(guī)律是用硬件電路實現(xiàn)的，改變控制規(guī)律就要改變硬件；而在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是通過程序?qū)崿F(xiàn)，改變控制規(guī)律只需改變程序即可。在微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，微型計算機(jī)的輸入和輸出都是數(shù)字信號，而變換發(fā)送單元送出的，以及大多數(shù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接收的，都是模擬信號。因此，系統(tǒng)中需要有將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器和將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的D/A轉(zhuǎn)換器。微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，從本質(zhì)上看，它的控制過程可以歸結(jié)為以下3個步驟：1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送單元的被控參數(shù)的瞬時值進(jìn)行測量。2）實時決策：對表征被控參數(shù)狀態(tài)的測量值進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，作出相應(yīng)的控制決策。3）實時控制：根據(jù)決策，實時地對控制機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，使其完成相應(yīng)的控制任務(wù)。上述過程不斷重復(fù)，使系統(tǒng)能夠按一定動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并能對被控參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)異常時及時做出相關(guān)處理?？刂七^程的3個步驟對應(yīng)著微型計算機(jī)的信息輸入、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和輸出操作。1.2微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)、控制目的和系統(tǒng)構(gòu)成，微型計算機(jī)控制系統(tǒng)大致上可分為以下幾種類型：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。1.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，簡稱DAS）的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是微型計算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早的一種微型計算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中微型計算機(jī)通過模擬量、開關(guān)量（即數(shù)字量）輸入通道進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理（如數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、越限報警等），并以一定格式在顯示器上顯示或通過打印機(jī)打印出來，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)視及實現(xiàn)生產(chǎn)過程的操作指導(dǎo)。該系統(tǒng)中的微型計算機(jī)不直接參與生產(chǎn)過程控制，不會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響。1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，簡稱DDC）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。1.2.3監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）

監(jiān)督計算機(jī)控制（SupervisoryComputerControl，簡稱SCC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

SCC系統(tǒng)是一種兩級微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，其中DDC級微機(jī)完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SCC級微機(jī)則根據(jù)生產(chǎn)過程工況和已定的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行最優(yōu)化分析計算，產(chǎn)生最優(yōu)給定值，交由DDC級執(zhí)行。

DDC級微機(jī)直接參與生產(chǎn)過程控制，要求實時性好，可靠性高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；SCC級微機(jī)承擔(dān)高級控制與管理任務(wù)，要求數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)、存儲容量大等，一般用高檔微機(jī)。當(dāng)DDC級微型計算機(jī)出現(xiàn)故障時，可由SCC微型計算機(jī)完成DDC的控制功能，這種系統(tǒng)提高了可靠性。1.2.4分散型控制系統(tǒng)（DCS）

分散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，簡稱DCS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。該系統(tǒng)利用多臺微型計算機(jī)采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則，把系統(tǒng)從下而上分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級等若干級，形成分級分布式控制。以微處理器為核心的過程控制器PC完成過程的控制任務(wù)；控制管理計算機(jī)通過協(xié)調(diào)各過程控制器的工作，達(dá)到生產(chǎn)過程的動態(tài)最優(yōu)控制；生產(chǎn)管理計算機(jī)完成制定生產(chǎn)計劃和工藝流程、產(chǎn)品、財務(wù)、人員等管理功能，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程靜態(tài)最優(yōu)化；中央操作臺是系統(tǒng)全局的顯示操作裝置，完成人—控制系統(tǒng)—過程的接口任務(wù)；LOS是局部操作臺。1.2.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，簡稱FCS）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-7所示?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的新型計算機(jī)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是利用現(xiàn)場總線實現(xiàn)各智能現(xiàn)場設(shè)備間、各現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置間互聯(lián)，形成一個數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)和多點(diǎn)通信的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)不同于DCS的“操作站—控制站—現(xiàn)場儀表”的三層結(jié)構(gòu)模式，它采用了“工作站—現(xiàn)場總線智能儀表”的兩層結(jié)構(gòu)模式，降低了系統(tǒng)總成本，提高了可靠性，且在統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)下可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此是一種具有發(fā)展前途的真正分散控制系統(tǒng)。1.2.6計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufactureSystem，縮寫CIMS）是信息技術(shù)、自動化技術(shù)以及有關(guān)生產(chǎn)技術(shù),建立全企業(yè)或全廠的包括經(jīng)營決策、管理信息、生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)督控制和直接控制在內(nèi)的管理及控制全部生產(chǎn)活動的綜合自動化系統(tǒng)。它不僅需完成直接面向過程的控制和優(yōu)化任務(wù)，而且還要在獲取生產(chǎn)全部過程中盡可能多的信息基礎(chǔ)上，進(jìn)行整個生產(chǎn)過程的綜合管理、指揮調(diào)度和經(jīng)營管理。它將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、銷售等環(huán)節(jié)和企業(yè)人力、財力、設(shè)備等生產(chǎn)要素集成起來，進(jìn)行統(tǒng)一控制，從而求得生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，連續(xù)性的生產(chǎn)過程，如煉油、化工、電力等稱為流程工業(yè)，當(dāng)CIMS用于流程工業(yè)時，簡稱流程CIMS。流程CIMS的功能結(jié)構(gòu)模型如圖1-8所示。流程CIMS的遞階控制共分為五層。其基本功能如下：（1）過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程運(yùn)行狀態(tài)的檢測、監(jiān)視、常規(guī)控制和傳統(tǒng)的先進(jìn)控制。（2）過程優(yōu)化也即過程監(jiān)控，過程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度指令實現(xiàn)生產(chǎn)過程操作優(yōu)化、先進(jìn)控制、故障診斷、過程仿真等功能。當(dāng)調(diào)度指令變化時,使生產(chǎn)裝置的過程操作在保證質(zhì)量的前提下始終處于最佳工作點(diǎn)附近。（3）生產(chǎn)調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)完成生產(chǎn)計劃分解,同時根據(jù)生產(chǎn)的實際情況形成調(diào)度指令，即時地指揮生產(chǎn)，組織日常均衡生產(chǎn)和處理異常事件。（4）企業(yè)管理該層可細(xì)分為經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理和人文管理,對廠級、車間、各科室的生產(chǎn)和業(yè)務(wù)信息實現(xiàn)集成管理,并依據(jù)經(jīng)營決策指令制定和落實年、季、月綜合計劃。生產(chǎn)計劃是綜合計劃的核心,管理信息系統(tǒng)將月計劃指令下達(dá)給生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。（5）經(jīng)營決策經(jīng)營決策系統(tǒng)是頂層功能,依據(jù)企業(yè)內(nèi)部和外部信息對企業(yè)產(chǎn)品策略、中長遠(yuǎn)目標(biāo)、發(fā)展規(guī)劃和企業(yè)經(jīng)營提出決策支持。1.3微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成微型計算機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其硬件部分的基本組成如圖1-9所示。l.3.l硬件組成

微型計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要由主機(jī)（控制器）、過程輸入輸出通道（設(shè)備）、操作設(shè)備、常規(guī)外部設(shè)備、通信設(shè)備、系統(tǒng)支持功能等組成。1．主機(jī)由微處理器、內(nèi)存貯器（RAM和ROM）和系統(tǒng)總線構(gòu)成的主機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。2．過程輸入輸出通道過程輸入輸出通道，是在微型計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間起信息傳遞和變換作用的裝置，它包括：模擬量輸入通道（簡稱AI通道）、數(shù)字量輸入通道（簡稱DI通道）、模擬量輸出通道（簡稱AO通道）和開關(guān)量輸出通道（簡稱DO通道）。3．操作設(shè)備系統(tǒng)的操作設(shè)備是微型計算機(jī)控制系統(tǒng)中人機(jī)交互的關(guān)鍵設(shè)備。操作設(shè)備一般由LCD顯示器（或其它顯示器）、鍵盤、開關(guān)和指示燈等構(gòu)成。4．常規(guī)外部設(shè)備常規(guī)外部設(shè)備指鍵盤、終端、打印機(jī)、繪圖機(jī)、U盤等一類微機(jī)輸入輸出設(shè)備。5．通信設(shè)備通信設(shè)備用于完成微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的信息交換。6．系統(tǒng)支持功能系統(tǒng)支持功能主要包含以下幾部分。（1）監(jiān)控定時器（2）電源掉電檢測（3）保護(hù)重要數(shù)據(jù)的后備存貯體（4）實時日歷鐘（5）總線匹配（或端接）

l.3.l軟件組成

軟件包含系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩個部分。軟件的優(yōu)劣關(guān)系到硬件功能的發(fā)揮和對生產(chǎn)過程的控制品質(zhì)和管理水平。1．系統(tǒng)軟件2．應(yīng)用軟件

1.4微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢微型計算機(jī)控制系統(tǒng)是測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制理論的結(jié)合。由于微型計算機(jī)具有大量存儲信息的能力、較強(qiáng)的邏輯判斷能力及其快速的運(yùn)算能力，使微型計算機(jī)控制能夠解決常規(guī)控制所不能解決的難題，能夠達(dá)到常規(guī)控制達(dá)不到的優(yōu)異的性能指標(biāo)，其發(fā)展前景非常廣闊。1.4.1微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

隨著微型計算機(jī)的發(fā)展，目前，已有各種各樣的微型機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。根據(jù)其控制器的不同，可構(gòu)成各種具有自身特色的微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，如：總線式工業(yè)控制微型計算機(jī)、可編程序控制器（PLC）、單片微型計算機(jī)、DSP、智能調(diào)節(jié)器等。實際中，可根據(jù)被控對象的控制規(guī)模、工藝要求、控制特點(diǎn)和所完成的工作來確定選擇以何種控制器構(gòu)成的微機(jī)控制系統(tǒng)。1．總線式工業(yè)控制微型計算機(jī)（1）工業(yè)控制微型計算機(jī)工業(yè)控制微型計算機(jī)是指以微型計算機(jī)為核心所構(gòu)成的測量與控制裝置（系統(tǒng)）。一個在工業(yè)環(huán)境中使用的微型計算機(jī)控制系統(tǒng)，除去被控對象（過程或設(shè)備）、檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，其余部分構(gòu)成“工業(yè)控制微型計算機(jī)”，簡稱工控機(jī)。（2）總線式工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)研制生產(chǎn)的工控機(jī)稱為總線式工控機(jī)。這種工控機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)并行底板總線，如圖1-10所示。其特點(diǎn)是能以簡單的硬件支持高速的數(shù)據(jù)傳送和處理，且使系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、組合化的開放式結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)各種不同的控制對象，應(yīng)用極為廣泛。2．可編程序控制器（PC）

PC（或稱PLC）是微機(jī)技術(shù)和常規(guī)繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端稱為一種高性能的工業(yè)控制機(jī)。

PC的一般結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。3．單片微型計算機(jī)單片微型計算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）又稱微控制器（Microcontroller），它將CPU、存貯器、并串行I／O口、定時計數(shù)器、A／D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器等功能部件集成在一塊芯片上，是一個標(biāo)準(zhǔn)的微型計算機(jī)。它是工業(yè)控制和智能化系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種模式。單片機(jī)具有面向控制、體積小、重量輕、價格低、可靠性好、功能全、開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為面向控制的微控制器。典型單片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖4．?dāng)?shù)字信號處理器（digitalsingnalprocessor，簡稱DSP）

DSP，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，且有特殊的DSP指令。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器。5．單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器

單回路數(shù)字調(diào)節(jié)器（SingleStrategyController，簡稱SSC）是一種以微處理器或單片微型計算機(jī)為核心，能完成生產(chǎn)過程1～4個回路直接數(shù)字控制任務(wù)的數(shù)字控制儀表，也就是所謂的智能調(diào)節(jié)器，智能調(diào)節(jié)器不僅可以接受4～20mA電流信號，還具有RS-232或RS-422／485通信接口，可與上位機(jī)連成主從式測控網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1-13。1.4.2微型計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

要發(fā)展計算機(jī)控制技術(shù)，必須對生產(chǎn)過程知識、測量技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)和控制理論等領(lǐng)域進(jìn)行廣泛深入地研究。

隨著微型計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，新的控制理論以及新的控制方法層出不窮。下面僅從幾個方面就其發(fā)展趨勢進(jìn)行討論。

1．推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)的技術(shù)（1）普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC）目前，隨著具有A/D，D/A轉(zhuǎn)換及PID調(diào)節(jié)等功能的PLC的出現(xiàn)，以及對具有智能I/O模塊的PLC的開發(fā)使用，使得PLC的功能有了很大提高。它能將順序控制與過程控制結(jié)合起來，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，且可靠性高。（2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器智能調(diào)節(jié)器不僅具備了微機(jī)控制系統(tǒng)所需的基本部件，利用其內(nèi)部通信接口還可與上位機(jī)一起組成分布式測控系統(tǒng)，并可通過編程組態(tài)的方法，方便地組建和修改控制系統(tǒng)地結(jié)構(gòu)。（3）采用新型的DCS和FCS

發(fā)展以現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術(shù)等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的DCS和FCS控制結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的控制策略，向低成本綜合自動化系統(tǒng)的方向發(fā)展，實現(xiàn)計算機(jī)集成制造/過程系統(tǒng)（CIMS/CIPS）。其現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的突出優(yōu)勢，勢必成為今后微型計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。2．研究并發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù)利用經(jīng)典的反饋控制與現(xiàn)代控制理論實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析會遇到很多難題，首先，必須建立精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，而實際系統(tǒng)一般無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型；其次，為了提高控制性能，整個控制系統(tǒng)會變得異常復(fù)雜，并且增加了設(shè)備的投資，降低了系統(tǒng)的可靠性。為解決該問題必須研究和發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù)。（1）實現(xiàn)最憂控制在生產(chǎn)過程中，為提高其生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)和量，并獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，會節(jié)約原材料、降低成本、且要求生產(chǎn)過程處于最佳工作狀況。最優(yōu)控制就是恰當(dāng)?shù)剡x擇控制規(guī)律，在控制系統(tǒng)的工作條件不變以及某些物理條件的限制下，使得系統(tǒng)的某種性能指標(biāo)取得最大值或最小值，即獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。（2）自適應(yīng)控制在最優(yōu)控制系統(tǒng)中，當(dāng)控制系統(tǒng)的工作條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)就不再處于最優(yōu)狀態(tài)了。若在系統(tǒng)本身工作條件變化的情況下，能自動地改變控制規(guī)律，使系統(tǒng)仍能處于最佳工作狀態(tài)，其性能指標(biāo)仍能取得最佳，這就是自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制包括性能估計（系統(tǒng)辨識），決策和修改三部分。（3）模糊控制系統(tǒng)模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。一方面模糊控制提供一種實現(xiàn)基于知識（規(guī)則）的甚至語言描述的控制規(guī)律的新機(jī)理；另一方面，模糊控制提供了一種改進(jìn)非線性控制器的替代方法，這種非線性控制器一般用于控制含有不確定性和難以用傳統(tǒng)非線性控制理論處理的裝置。模糊控制具有多種控制方案，包括PID模糊控