第5章 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述課件

第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究的內(nèi)容及特點(diǎn)

研究的內(nèi)容：

主要研究控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)（軟、硬件技術(shù)）、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等在微機(jī)控制中的應(yīng)用、以及微機(jī)的控制方法及其應(yīng)用。

主要的特點(diǎn)：

1）理論性強(qiáng)：應(yīng)用各種控制理論、信號(hào)處理理論等

2）綜合性強(qiáng)：應(yīng)用有控制理論、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電子技術(shù)等

3）實(shí)踐性強(qiáng)：所有設(shè)計(jì)、計(jì)算必須要反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；在實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等

4）理論與實(shí)踐相結(jié)合

5）實(shí)用性強(qiáng)

6）應(yīng)用廣泛等第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展迅速1、近30年計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速

微機(jī)、單片機(jī)，從8位機(jī)到32位、64位機(jī)，主頻從幾兆到幾千兆，集成度達(dá)數(shù)千萬(wàn)只晶體管，可靠性提高、體積小、功耗低。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速 應(yīng)用機(jī)型：?jiǎn)伟鍣C(jī)、單片機(jī)、STD總線工控機(jī)、工業(yè)PC機(jī) 控制方式：從單機(jī)控制到集散控制、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制 應(yīng)用范圍：從大型企業(yè)到一般企業(yè) 控制對(duì)象：從生產(chǎn)過(guò)程到檢測(cè)設(shè)備一般的儀器儀表第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

本章主要內(nèi)容1.1微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成1.2微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類1.3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況及趨勢(shì)第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述5.1

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（1）

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)、接口電路、檢測(cè)部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、外部通用設(shè)備等五部分組成。如圖1-1所示。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述5.1

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（2）1.1.1

微型機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由以下5部分構(gòu)成

1、主機(jī)

作用為系統(tǒng)核心：檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、判斷、計(jì)算、控制、報(bào)警等。

選型：STD總線機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、8位或16位或32位單片機(jī)等。

2、I/O接口

并行接口8255或8155

串行接口8251等直接數(shù)據(jù)傳輸控制器8237

中斷控制器8259

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809等

D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832等第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.1

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（3） 3、通用外部設(shè)備

作用：顯示、打印、存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)。

4、檢測(cè)元件 作用：對(duì)各種信息進(jìn)行采集，將非電信號(hào)、非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（0---5V或4---20mA）。 器件：各種傳感器、變送器

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 作用：根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，如改變轉(zhuǎn)速、流量、溫度等。 設(shè)備：電動(dòng)的、氣動(dòng)的、液壓傳動(dòng)的等。

6、操作臺(tái) 作用：實(shí)現(xiàn)人---機(jī)對(duì)話，進(jìn)行各種操作 組成：功能鍵、數(shù)字鍵、開(kāi)關(guān)、按鈕、LED數(shù)碼管或CRT顯示器。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.1

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（4）1.1.2

微型機(jī)控制系統(tǒng)軟件 這里所說(shuō)的微型機(jī)控制系統(tǒng)軟件，指的是應(yīng)用軟件。其功能結(jié)構(gòu)為：

1、過(guò)程監(jiān)控

包括的程序有：巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、操作面板服務(wù)、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、判斷、過(guò)程分析等。

2、過(guò)程控制計(jì)算

包括的程序有：控制算法（PID算法、最優(yōu)控制、串級(jí)調(diào)節(jié)、比值調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、系統(tǒng)辯識(shí)等）、事故處理、信息管理（信息生成與管理、文件管理、輸出、打印、顯示等）。

3、公共服務(wù)

包括的程序有：基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編輯等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（1）

所采用的控制系統(tǒng)與具體的過(guò)程、對(duì)象有關(guān)，可以分為6類。1.2.1

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

“操作指導(dǎo)”是指計(jì)算機(jī)輸出不直接用來(lái)控制生產(chǎn)對(duì)象，而只是對(duì)系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行收集、加工處理，然后輸出數(shù)據(jù)，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是較簡(jiǎn) 單、安全可靠。常用于 試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是要人 工操作，速度不能太快、 操作不能太多。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（2）1.2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

DDC（DirectDigitalControl）是用一臺(tái)微機(jī)對(duì)多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再按PID規(guī)律或直接數(shù)字控制方法進(jìn)行控制運(yùn)算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。如右圖所示。

DDC控制的特點(diǎn)：可一機(jī)多控，經(jīng)濟(jì)、靈活、可靠。可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制，如串級(jí)、前饋、自選控制、大滯后控制等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（3）1.2.3計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SCC） 計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）簡(jiǎn)稱為SCC。

1、計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)SCC

在SCC系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)按照生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值，將其值送給模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程。

2、SCC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與問(wèn)題

優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行給定值控制、順序控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等。是操作指導(dǎo)系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。

問(wèn)題：由于生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，因此該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較困難。

3、SCC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)（一般模擬調(diào)節(jié)器其給定值不變）

SCC+DDC的控制系統(tǒng)（比一般DDC系統(tǒng)靈活方便）第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（4）

計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)如下圖所示第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（5）1.2.4分布控制系統(tǒng)（DCS）分布控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）也稱集散控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由三級(jí)組成：底層的分散過(guò)程控制級(jí)（DDC）、中間層的監(jiān)督控制級(jí)（SCC）、上層的生產(chǎn)管理級(jí)（MIC）。是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。

2、各級(jí)功能

分散過(guò)程控制級(jí)DDC，用于直接生產(chǎn)控制，完成數(shù)據(jù)采集、順序控制或某一閉環(huán)控制，向監(jiān)控級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控級(jí)來(lái)的信息。該級(jí)由多個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的工作站組成。

監(jiān)督控制級(jí)SCC，任務(wù)是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視與操作，與管理級(jí)、分散控制級(jí)傳送數(shù)據(jù)和指令。

管理級(jí)MIC（ManageinformationControl），是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接受管理者的指令；對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與管理；給管理者提供各種信息與報(bào)表；根據(jù)下級(jí)提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)要求，選擇數(shù)學(xué)模型和控制策略，對(duì)下一級(jí)下達(dá)指令等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（6）

3、分布控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、系統(tǒng)規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠，能提高自動(dòng)化水平、管理水平等、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低消耗，創(chuàng)造最佳經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（7）1.2.5計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）

CIMS是“ComputerIntegratedManufacturingSystem”的縮寫(xiě)。

1、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的概念

CIMS是把企業(yè)的計(jì)劃、采購(gòu)、生產(chǎn)、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)作為整體，將其信息進(jìn)行采集、傳遞、加工、協(xié)調(diào)、回控，做整體優(yōu)化決策。CIMS體現(xiàn)了一種對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的新哲理。

2、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的結(jié)構(gòu)

CIMS采用的是多任務(wù)、分層體系結(jié)構(gòu)。

有多種結(jié)構(gòu)方案，如五層遞階控制結(jié)構(gòu)、面向集成平臺(tái)的CIMS結(jié)構(gòu)、連續(xù)型CIMS結(jié)構(gòu)和局域網(wǎng)型CIMS結(jié)構(gòu)等。其基本思想都是“遞階控制（HierarchicalControl）”。

遞階控制是一種把所需完成的任務(wù)按層次分級(jí)的層狀或樹(shù)狀的命令/反饋控制方式。高一級(jí)的控制次一級(jí)的，次一級(jí)的功能更具體。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（8）

圖1-7為清華大學(xué)CIMS工程技術(shù)研究中心提出的四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)。 工廠/車間層：主要是預(yù)測(cè)、規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃。

單元層(如一個(gè)流水線)：主要是制定詳細(xì)計(jì)劃、工藝過(guò)程、對(duì)工作站進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控等。

工作站層(具體的控制部分)

：控制設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

設(shè)備層：生產(chǎn)設(shè)備。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（9）1.2.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS） 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）是分布控制系統(tǒng)（DCS）的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

1、結(jié)構(gòu)

是一種用數(shù)字通信協(xié)議連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。

簡(jiǎn)言之，是一種用數(shù)字局域網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的分布式控制系統(tǒng)。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（10）

2、采用的技術(shù)

控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

3、特點(diǎn)

1）數(shù)字化的信息傳輸 2）分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）方便的互操作性 4）開(kāi)放的互連網(wǎng)絡(luò)

5）多種傳輸媒介的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4、FCS系統(tǒng)的基本設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)備稱為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表。基本設(shè)備有：

1）傳感器變送器、 2）執(zhí)行器

3）服務(wù)器和網(wǎng)橋、 4）輔助設(shè)備

5）監(jiān)控設(shè)備第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.2

微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（11）

現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與分布控制系統(tǒng)的區(qū)別，前者為一條總線連接，后者為星形連接。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（1）1.3.1微機(jī)控制系統(tǒng)種類

按被控對(duì)象的規(guī)?？煞譃橐韵?種

一、單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)

特點(diǎn)：用于自行開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)，方便、靈活、成本低，可用低級(jí)語(yǔ)言、也可用高級(jí)語(yǔ)言編程。與微機(jī)相比其特點(diǎn)：

1、集成度高、功能強(qiáng)在一個(gè)芯片上，集成有計(jì)算機(jī)的5部分功能。

2、結(jié)構(gòu)合理

為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器相互獨(dú)立。1）容量大（16位地址線時(shí)，有64K的程序存儲(chǔ)器和64K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）、2）速度快（可達(dá)40MHz及以上）。

3、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（2）

4、指令豐富

有數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移、位指令等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（3）

二、可編程邏輯控制器（PLC）

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController）簡(jiǎn)稱為PLC。是繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。在工廠自動(dòng)化中有廣泛應(yīng)用。

1、PLC的功能 條件控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序控制、A/D及D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通信與連網(wǎng)功能等。

2、PLC的特點(diǎn) 可靠性高、編程容易、組合靈活、輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便、運(yùn)行速度快等。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

3、PLC的分類

低檔類：以開(kāi)關(guān)量為主，內(nèi)部有200多個(gè)繼電器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等資源。

中檔類：繼電器數(shù)目更多（達(dá)512）、增加有模擬量接口，軟件上增加有PID運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換等。

高檔類：控制點(diǎn)數(shù)達(dá)1000以上，具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)功能，具有通信和連網(wǎng)能力，顯示器用CRT，接近工業(yè)PC的功能。1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（4）第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

三、STD總線工業(yè)控制機(jī)

STD（Standard）總線工業(yè)控制機(jī)，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1、STD的特點(diǎn)

1）小板結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

165.1mm*114.3mm；每一模塊有一兩個(gè)功能，如CPU、A/D、D/A、開(kāi)關(guān)量I/O、電機(jī)控制等。

2）標(biāo)準(zhǔn)化及兼容性

3）面向I/O設(shè)計(jì)其總線是面向I/O端口的，可擴(kuò)展20塊I/O模塊。

4）高可靠性能適應(yīng)惡劣環(huán)境、抗干擾力強(qiáng)、Watchdog監(jiān)控、掉電保護(hù)等。1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（5）第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.3

（6）2、STD總線工業(yè)控制機(jī)的系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由總線母板機(jī)架、微處理器板、存儲(chǔ)器板、及其它控制板組成。第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述1.3

微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢(shì)（7）

四、工業(yè)PC機(jī)

是一種采用STD總線工業(yè)控制機(jī)結(jié)構(gòu)的個(gè)人微型計(jì)算機(jī)。

1、特點(diǎn)

模塊化結(jié)構(gòu)、軟件資源極其豐富、軟件開(kāi)發(fā)容易、使用方便等。

2、工業(yè)PC機(jī)與個(gè)人PC的區(qū)別

1）變主板為通用的底板總線插座板

2）模塊化插件板，如CPU板、I/O板、A/D、D/A板等。

3）電源改為工業(yè)電源

4）機(jī)箱密封，并采用正壓送風(fēng)

5）配有工業(yè)應(yīng)用軟件第5章微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述

微機(jī)控制系統(tǒng)的選用原則