《計算機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)》課件-第1章

第1章計算機控制系統(tǒng)概述1.1

計算機控制系統(tǒng)的一般概念1.2計算機控制系統(tǒng)的組成1.3計算機控制系統(tǒng)的分類1.4計算機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律1.5工業(yè)控制計算機1.6MATLAB軟件介紹小結(jié)

1.1-計算機控制系統(tǒng)的一般概念

1.1.1-計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程計算機控制技術(shù)從20世紀60年代開始起步。到了20世紀70年代,大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)為集散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1.1.2計算機控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.自動控制系統(tǒng)的定義和分類

通常來說,自動化控制是指不需要人親手操作機器或者結(jié)構(gòu),利用畜力以外的能源來實現(xiàn)期望的功能。從狹義的方面來講,自動化控制是相對于人工控制,以生化、計算機、水

力、機械等知識為基礎(chǔ),設(shè)計機構(gòu)來減輕或替代人力,簡化操作流程的機制。控制器是為了達到系統(tǒng)要求所采用的裝置,常采用機械機構(gòu)或者電氣方式。其控制對象可以是機器,也可以是壓力、溫度等外部環(huán)境。一個自動控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩種,其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1-自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開環(huán)控制是指控制器根據(jù)給定程序驅(qū)動執(zhí)行器控制被控對象,其信號傳遞為單向,不涉及測量被控對象。

閉環(huán)控制系統(tǒng)是指根據(jù)控制對象的輸出反饋來進行矯正的控制方式。常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋兩種基本形式。

2.計算機控制系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。它主要由控制計算機(工控機)和生產(chǎn)過程兩大部分組成。

圖1-1(b)中控制器的功能采用計算機來實現(xiàn),被稱為計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于計算機采用數(shù)字信號,儀表傳遞模擬信號,因此需要使用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入。執(zhí)行器多采用模擬信號,需要使用D/A轉(zhuǎn)換器將控制器的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并輸入至執(zhí)行器。計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。

圖1-2計算機控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

3.計算機控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制

計算機控制系統(tǒng)的執(zhí)行控制過程如下:

(1)實時數(shù)據(jù)采集:采集來自測量變送器的被控量的瞬時值并且完成檢測與輸入,通常使用A/D轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字量輸入(DigitalInput,DI)通道完成。

(2)實時數(shù)據(jù)處理:通常由數(shù)字控制器完成這一過程。通過對采集到的信號進行分析、比較和處理,按一定的控制規(guī)律進行運算,得出控制量,決定要采取的控制策略。

(3)實時輸出控制:根據(jù)上一步得出的控制策略,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號,發(fā)送給執(zhí)行器,從而實現(xiàn)控制任務(wù),此處使用D/A轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字量輸出(DigitalOutput,DO)通道完成。

1.1.3計算機控制系統(tǒng)的特點

隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展,人們越來越多地使用計算機來實現(xiàn)控制功能?？刂坪唵蝸碚f就是計算機技術(shù)與自動化技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組合。因此,計算機控制可以使用軟件來實現(xiàn)復(fù)雜的控制運算,從而取代模擬控制;能夠?qū)ο到y(tǒng)的運行狀態(tài)進行顯示、存儲;對于異常運行狀態(tài),能夠監(jiān)控并報警;能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制規(guī)律,多計算機、多工作組之間能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng),實現(xiàn)信息的相互流通。

1.2計算機控制系統(tǒng)的組成

1.2.1

計算機控制系統(tǒng)的硬件以微型計算機為例,典型的計算機控制系統(tǒng)硬件組成如圖1-3所示。

圖1-3微型計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

1.主機及操作臺

組成:中央處理器(CPU)、內(nèi)部存儲器(RAM和ROM)、顯示器等。

作用:根據(jù)輸入通道送來的被控對象的狀態(tài)參數(shù),進行信息處理、分析、計算,作出控制決策,通過輸出通道發(fā)出控制命令,顯示系統(tǒng)運行狀態(tài),便于操作人員輸入或修改參數(shù)和發(fā)送指令。

2.I/O

I/O接口電路由輸入、輸出通道,信號檢測和相應(yīng)的發(fā)送裝置等組成,實現(xiàn)主機和控制對象的關(guān)鍵信息交換。

3.外部設(shè)備

外部設(shè)備按功能可分成三類:輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外部存儲器。

常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、畫板等,用于實現(xiàn)指令與數(shù)據(jù)的輸入。

常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。

1.2.2計算機控制系統(tǒng)的軟件

軟件是計算機中使用的所有程序的總稱。軟件通?？煞譃橄到y(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是供用戶使用、維護和管理計算機的一類程序,它具有一定的通用性。系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語言加工系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)組成。

1)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是對計算機本身進行管理和控制的一種軟件。計算機自身系統(tǒng)中的所有硬件和軟件統(tǒng)稱為資源。從功能上看,可把操作系統(tǒng)看作資源的管理系統(tǒng),用來實現(xiàn)對處理器、

內(nèi)存、設(shè)備以及信息的管理,例如對上述資源的分配、控制、調(diào)度、回收等。

2)語言加工系統(tǒng)

語言加工系統(tǒng)用于將用戶編寫的源程序轉(zhuǎn)換成計算機能夠執(zhí)行的機器代碼(目的程序)。

2.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用戶為了完成特定的任務(wù)而編寫的各種程序的總稱,包括控制程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、巡回檢測程序、數(shù)據(jù)管理程序等。

1.2.3計算機控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

計算機控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)即網(wǎng)絡(luò)化的計算機控制,它已成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點。

計算機控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要特點有:高實時性和良好的時間確定性;傳送的信息多為短幀信息,且信息交換頻繁;容錯能力強,可靠性、安全性好;控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單實用,工作效率高;結(jié)構(gòu)具有高度分散性;具有控制設(shè)備的智能化和控制功能的自治性;與信息網(wǎng)絡(luò)之間有高效的通信,易于實現(xiàn)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

下面列舉一些計算機控制系統(tǒng)常見的總線。

1.RS-232C總線

RS-232C仍然存在一些不足:

①數(shù)據(jù)傳輸速率局限于20kb/s;

②傳輸距離較短;

③該標準沒有規(guī)定連接器,因而設(shè)計方案不盡相同,且有時互不兼容;

④每個信號只有一根導(dǎo)線,兩個傳輸方向共用一個信號地線;

⑤接口使用不平衡的發(fā)送器和接收器,可能在各信號成分間產(chǎn)生干擾。

2.RS-485總線

RS-485(也叫EIA485)是隸屬于OSI模型物理層的半雙工、多點通信標準。與RS-232不同,RS-485采用纜線兩端電壓差來傳遞信號,采用雙絞線高電壓差分平衡傳輸。因此RS-485比RS-232具有更強的抗干擾能力和更長的傳輸距離。

3.MODBUS總線

MODBUS總線是MODICON公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計的一種通信協(xié)議,從其功能上看,可以認為它是一種現(xiàn)場總線。它通過24種總線命令實現(xiàn)PLC與外界的信息交換,

具有MODBUS接口的PLC可以很方便地進行組態(tài)。工控自動化的快速發(fā)展,使MODBUS總線得到了廣泛應(yīng)用。

MODBUS總線的特點如下:

(1)應(yīng)用廣泛:凡具有RS-232/485接口的MODBUS協(xié)議設(shè)備都可以使用它實現(xiàn)與現(xiàn)場總線PROFIBUS的互聯(lián)。

(2)應(yīng)用簡單:用戶不必了解PROFIBUS和MODBUS的技術(shù)細節(jié),只需參考產(chǎn)品使用手冊提供的應(yīng)用實例,根據(jù)要求完成配置,不需要復(fù)雜的編程,即可在短時間內(nèi)實現(xiàn)連接通信。

(3)透明通信:用戶可以依照PROFIBUS通信數(shù)據(jù)區(qū)和MODBUS通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系,實現(xiàn)PROFIBUS到MODBUS之間的數(shù)據(jù)透明通信。

4.CAN總線

CAN(ControllerAreaNetwork)總線由德國BOSCH公司開發(fā),是經(jīng)過ISO標準化后的串行通信協(xié)議,目前已經(jīng)是汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的國際標準,被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個方面。

CAN協(xié)議最大的特點是不使用傳統(tǒng)的站地址編碼,取而代之的是對數(shù)據(jù)塊進行改變。其優(yōu)點是在理論上不存在節(jié)點個數(shù)的限制,不同的節(jié)點可以同時接受相同的數(shù)據(jù),這一點

尤其適用于分布式控制系統(tǒng)。

1.3計算機控制系統(tǒng)的分類1.3.1-操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制(OperationalGuidanceControl,OGC)系統(tǒng)又稱開環(huán)計算機監(jiān)控系統(tǒng),是一種基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開環(huán)結(jié)構(gòu)。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)可被看作是由儀表控制的手動與半自動工作狀態(tài)。通過過程輸入通道,檢測量被輸入到計算機,計算機根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型得出最優(yōu)的操作條件。但是,輸出不會直接作用于執(zhí)行機構(gòu),而是通過顯示或者打印的方式呈獻給操作人員,操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器,以達到操作指導(dǎo)的目的。

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。圖1-4操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.3.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制(DirectDigitalControl,DDC)系統(tǒng)在工業(yè)過程中的應(yīng)用最為廣泛,它屬于閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。DDC系統(tǒng)用一臺計算機就能完成對被控參數(shù)的數(shù)據(jù)的巡回檢測;先將檢測結(jié)果與設(shè)定值進行比較,再根據(jù)一定的控制規(guī)律(如PID規(guī)律)完成實時決策,然后經(jīng)過程輸出通道發(fā)出控制信號,實現(xiàn)對生產(chǎn)的控制。DDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。圖1-5DDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3.3監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)

監(jiān)督計算機控制(SupervisoryComputerControl,SCC)又稱設(shè)定值控制(SetPointControl,SPC)。SCC系統(tǒng)是將操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)合起來的一種較為高級的控制系統(tǒng)。

SCC有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式,一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng),另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。

1.SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)

圖1-6是SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)。圖1-6SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)

2.SCC+DDC控制系統(tǒng)

圖1-7是SCC+DDC控制系統(tǒng)。圖1-7SCC+DDC控制系統(tǒng)

當(dāng)DDC級計算出現(xiàn)故障時,可由SCC級計算代替,因而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。OGC、DDC、SCC這三種控制系統(tǒng)的比較如表1-1所示。

1.3.4集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)又稱分散控制系統(tǒng),是一個為了滿足大型工業(yè)生產(chǎn)和日益復(fù)雜的過程控制要求,從綜合自動化的角度出發(fā),按照功能分散、管理集中的原則構(gòu)思,采用分層、合作自治的結(jié)構(gòu)形式,綜合了計算機、通信、終端顯示和控制技術(shù)而發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。

集散控制系統(tǒng)是以微處理器和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。它包括控制站、操作站、通信系統(tǒng)和工程師站。

1.控制站

控制站用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并完成系統(tǒng)的運算處理控制。它由邏輯和現(xiàn)場兩部分組成。

邏輯部分:主CPU+內(nèi)存等,用于數(shù)據(jù)的處理、計算和存儲。

現(xiàn)場部分:現(xiàn)場I/O、內(nèi)部并行總線、Multibus、VME、STD、PCI等?，F(xiàn)逐步使用內(nèi)部串行總線,如CAN、Profibus、Devicenet等。

2.操作站

操作站提供人機接口設(shè)備,完成人機界面功能,供操作員操作監(jiān)視。

操作站的畫面種類:流程圖、總貌、控制組、調(diào)整趨勢、報警歸檔等。

3.工程師站

工程師站是供工業(yè)過程控制工程師使用的,是對計算機進行組態(tài)(配置、設(shè)定)、編程、修改的工作站。

4.通信系統(tǒng)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò):以太網(wǎng)(I/A),100Mb/s,256個節(jié)點。

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò):64個節(jié)點,與RS-232C等同,能離站互聯(lián),可實現(xiàn)點對點(PeertoPeer)通信,通信速率為500kb/s。

1.3.5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線,一般用在即時分散系統(tǒng)之中。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,FCS)是一種以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的分布式網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)中,儀表與控制器之間采用一對一的物理連接方式,這對安裝、維護造成了不小的困難。FCS將現(xiàn)場設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)信號的輸入、運算、輸出和控制。同時,作為一種開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),FCS既可以與同層網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián),也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享。

與其他形式的控制系統(tǒng)相比,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢:

(1)全數(shù)字化信號傳輸,FCS從最底層向最高層傳輸信號,均采用通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián);

(2)全分散化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),現(xiàn)場總線的節(jié)點是現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表;

(3)互操作性與互用性,FCS改變了DCS控制層的封閉性和專用性,不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備既可互連也可互換,并可以統(tǒng)一組態(tài);

(4)通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),可極其方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;

(5)技術(shù)和標準實現(xiàn)了全開放,面向任何一個制造商和用戶。

1.4計算機控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

1.順序控制和數(shù)值控制順序控制與數(shù)值控制都屬于開環(huán)控制方式,在機床控制中被廣泛應(yīng)用。順序控制是指系統(tǒng)按照一定的邏輯順序進行工作。數(shù)值控制是指系統(tǒng)按照給定程序進行工作。

2.串級控制

串級控制系統(tǒng)將兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作,其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的輸入,在一些對象滯后且時間常數(shù)很大、干擾頻繁且強烈、負載很大、對控制精度有一定要求的場合應(yīng)用較多。

串級控制的主要特點為:在結(jié)構(gòu)上,由兩個串聯(lián)工作的控制器構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng);其設(shè)計目的在于通過設(shè)置副變量來提高對主變量的控制質(zhì)量;由于存在副回路的原因,對其干擾具有超前控制的效果,因此增強了對干擾的抵抗能力;在系統(tǒng)負載改變的情況下,具有一定的自適應(yīng)能力。

3.數(shù)字PID控制

比例積分微分(PID,ProportionalIntegralDifferential)算法是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛、被廣大工程技術(shù)人員熟悉的技術(shù)。其結(jié)構(gòu)簡單,是按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器。PID控制的三個參數(shù)含義是:P對應(yīng)當(dāng)前誤差,I對應(yīng)過去累計誤差,D對應(yīng)未來誤差。

4.預(yù)測控制

預(yù)測控制是一種基于預(yù)測模型的控制方法,采用滾動優(yōu)化、反饋矯正等方法。預(yù)測模型的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出。它不強調(diào)模型的結(jié)構(gòu),只強

調(diào)功能,因此其模型既可以是差分方程、微分方程等參數(shù)模型,也可以是被控過程中的脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)等非參數(shù)模型。

5.分級遞階智能控制技術(shù)

由Saridis提出的分級遞階智能控制方法是從工程控制論的角度出發(fā),總結(jié)了人工智能與自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織控制的關(guān)系之后逐漸形成的。其控制智能是根據(jù)分級管理系統(tǒng)

中十分重要的“精度隨智能提高而降低”的原理而分級分配的。分級遞階智能控制系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級三級組成。

6.模糊控制技術(shù)

模糊控制是一種應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。它一方面提供了一種基于知識甚至語言歸納描述的控制規(guī)律的新機理;另一方面又提供了一種改進非線性控制器的替代方法,

對于難以確定的非線性控制問題,模糊控制可以提出有效的解決方法。

7.最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是現(xiàn)代控制理論的核心部分,主要研究的是在一定約束條件下尋求實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的控制策略,使得系統(tǒng)性能指標取極大值或者極小值。

8.自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制(AdaptiveControl)也稱適應(yīng)控制,是一種對系統(tǒng)參數(shù)變化具有適應(yīng)能力的控制方法,總體上可以分為三大類:自矯正控制、模型參考自適應(yīng)控制與其他類型的自適

應(yīng)控制。自適應(yīng)系統(tǒng)在參數(shù)變化的情況下,仍能使其性能指標(評價函數(shù))達到最優(yōu)。隨著多媒體計算機和人工智能計算機的發(fā)展,應(yīng)用自動控制理論和智能控制技術(shù)來實現(xiàn)先進的

計算機控制系統(tǒng),必將大大推動科學(xué)技術(shù)的進步和提高工業(yè)自動化系統(tǒng)的水平。

1.5工業(yè)控制計算機

1.5.1-控制計算機的主要類型1.可編程控制器可編程控制器(ProgrammableContronller,PC)是計算機技術(shù)與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,而高端為一種高性能的工業(yè)控制計算機。它主要由CPU、存儲器、輸入組件、輸出組件、電源、編程器等組成。

可編程控制器的特點:它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲器,在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)

操作的指令,并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程;應(yīng)用廣泛,它不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢,而且在運動控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域

方面也毫不遜色;其系統(tǒng)構(gòu)成靈活,擴展容易,編程簡單,調(diào)試容易,抗干擾能力強。其外觀如圖1-8所示。

圖1-8西門子S200可編程控制器

2.可編程調(diào)節(jié)器

可編程調(diào)節(jié)器又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器,主要由微處理單元、過程I/O(輸入/輸出)單元、面板單元、通信單元、手操單元和編程單元等組成。其外觀如圖1-9所示。

可編程調(diào)節(jié)器有以下特點:

(1)它是一種儀表化了的微型控制計算機,易操作,易編程,方便靈活。

(2)設(shè)計時無須考慮接口、通信的硬件設(shè)計,軟件編程上也只需使用一種面向問題的組態(tài)語言。

(3)具有斷電保護、自診斷、通信等功能。

(4)可以組成多級計算機控制系統(tǒng),實現(xiàn)各種高級控制和管理。

(5)它是大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元,適用于連續(xù)過程中模擬量信號的控制系統(tǒng)。

圖1-9可編程調(diào)節(jié)器

3.總線式工控機

總線式工控機是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專門用于工業(yè)控制的通用性計算機,一般被稱為工業(yè)控制計算機,簡稱工業(yè)控制機或工控機(IndustrialPeRS-onalComputer,IPC)。

總線式工控機的外形類似普通計算機,如圖1-10所示。

圖1-10總線式工控機

4.單片微型計算機

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展,計算機技術(shù)的另一分支———超小型化的單片微型計算機(SingleChipMicrocomputer,SCM)誕生了。它是將CPU、存儲器、串并行I/O口、定時/計數(shù)器甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上,構(gòu)成了一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。單片機的應(yīng)用軟件可以采用面向機器的匯編語言,但這需要較深的計算機軟硬件知識,而且匯編語言的通用性與可移植性差。

5.嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是將專用微型計算機嵌入被控設(shè)備中的系統(tǒng)。它適用于對體積、功能、可靠性、成本、功耗等綜合性能要求嚴格的場合。嵌入式處理器的特點包括四個方面。

①對實時和多任務(wù)有很強的支持能力,能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間,從而使內(nèi)部代碼和實時操作系統(tǒng)的執(zhí)行時間減少到最低限度。

②具有功能很強的存儲區(qū)保護功能,這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化,為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用,而設(shè)計了強大的存儲區(qū)保護功能。同時,存儲區(qū)強大的保護功能也有利于軟件診斷。

③具有可擴展的處理器結(jié)構(gòu),能迅速地擴展出滿足應(yīng)用的高性能嵌入式微處理器。

④嵌入式微處理器的功耗很低。

6.MCU

嵌入式微控制器(MicroControllerUnit,MCU)一般以某種微處理器內(nèi)核為核心,根據(jù)某些典型應(yīng)用,在芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O口、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FLASHRAM、E2PROM等各種必要功能部件和外設(shè)。

7.DSP

數(shù)字信號處理技術(shù)是當(dāng)今的一個熱門領(lǐng)域,世界上各大半導(dǎo)體公司紛紛推出適用于不同場合的數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessing,DSP)芯片。在控制領(lǐng)域,比較有代表

性的是TI公司的TMS320F240x系列。

8.ARM

ARM(AdvancedRiscMachines)既可以認為是一個公司的名稱,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一個技術(shù)名詞。

ARM微處理器的特點有:體積小、低功耗、低成本、高性能;支持Thumb(16位)、ARM(32位)雙指令集,能很好地兼容8位、16位器件;大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快;大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;尋址方式靈活簡單,執(zhí)行效率高;指令長度固定。

9.其他控制裝置

分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)最初是以一種控制方案的形式出現(xiàn)的,但很快受到工控市場的極大推崇,因而已經(jīng)成為國內(nèi)外自動化廠家爭先推出的兩種典型的裝置。

1.5.2工控機的組成與特點

工控機即工業(yè)控制計算機,時髦的叫法是產(chǎn)業(yè)電腦或工業(yè)電腦,簡稱IPC(IndustrialPeRS-onalComputer)。工控機通俗地說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機。

1.工控機的硬件組成

如圖1-11所示,工控機硬件包括主機板(CPU、內(nèi)存儲器)、人機接口、系統(tǒng)支持、磁盤系統(tǒng)、通信接口、系統(tǒng)總線、輸入/輸出模塊。

圖1-11-工控機硬件組成結(jié)構(gòu)圖

(1)主機板:主機板是工業(yè)控制機的核心,由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM或ROM)、I/O接口等部件組成。主機板的作用是將采集到的實時信息按照預(yù)定程序進行必要的數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理,及時選擇控制策略并將結(jié)果輸出到工業(yè)過程。

(2)人機接口:人機接口包括顯示器、鍵盤、打印機以及專用操作顯示臺等。通過人機接口設(shè)備,操作員與計算機之間可以進行信息交換。

(3)系統(tǒng)支持:系統(tǒng)支持功能主要包括俗稱“看門狗”(Watchdog)的監(jiān)控定時器、電源掉電監(jiān)測、后備存儲器、實時日歷時鐘。

(4)磁盤系統(tǒng):磁盤系統(tǒng)包括半導(dǎo)體虛擬磁盤、軟盤、硬盤或USB磁盤。

(5)通信接口:通信接口是工業(yè)控制機與其他計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的通道,常用IEEE488、RS-232C和RS-485接口。為方便主機系統(tǒng)集成,USB總線接口技術(shù)正日益受到重視。

(6)系統(tǒng)總線:系統(tǒng)總線可分為內(nèi)部總線和外部總線。內(nèi)部總線是工控機內(nèi)部各組成部分之間進行信息傳送的公共通道,是一組信號線的集合。常用的內(nèi)部總線有IBMPC總線和STD總線。外部總線是工控機與其他計算機和智能設(shè)備進行信息傳送的公共通道,常用的外部總線有RS-232C、RS-485和IEEE488通信總線。

(7)輸入/輸出模塊:輸入/輸出模塊是工控機和生產(chǎn)過程之間進行信號傳遞和變換的連接通道,包括模擬量輸入(AI)通道、模擬量輸出(AO)通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸入(DI)通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸出(DO)通道。

2.工控機的軟件組成

工控機的軟件大致可劃分為三層:實時操作系統(tǒng)層、控制管理層以及應(yīng)用層。實時操作系統(tǒng)層是其他層的基礎(chǔ)。工業(yè)控制軟件系統(tǒng)是工業(yè)控制計算機的程序系統(tǒng),主要包括系統(tǒng)軟件、工具軟件和應(yīng)用軟件三大部分。

系統(tǒng)軟件是其他兩者的基礎(chǔ)核心,因而系統(tǒng)軟件決定著設(shè)計開發(fā)的質(zhì)量。系統(tǒng)軟件用來管理IPC的資源,并以簡便的形式向用戶提供服務(wù)。

從發(fā)展歷史和現(xiàn)狀來看,工控軟件系統(tǒng)具有以下主要特性:

(1)開放性。

(2)實時性。

(3)網(wǎng)絡(luò)集成化。

(4)人機界面更加友好。

(5)多任務(wù)和多線程性。

3.工控機的特點

1)可靠性高

2)豐富的輸入/輸出模板

輸入/輸出模板一般包括以下幾個部分:

(1)模擬量輸入板卡。

(2)模擬量輸出板卡。

(3)數(shù)字量輸入/輸出板卡。

(4)脈沖量輸入板卡。

3)實時性好

4)開放性好

5)連續(xù)工作時間長

6)便于安裝

4.工控機的發(fā)展方向

1)目前工控機的劣勢

盡管工控機與普通的商用計算機相比具有得天獨厚的優(yōu)勢,但其劣勢也是非常明顯的——數(shù)據(jù)處理能力差。具體表現(xiàn)為:配置硬盤容量小,數(shù)據(jù)安全性低,存儲選擇性小,價格較高。2)工控機的發(fā)展方向

隨著商用機的性能愈來愈好,很多工業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)開始采用成本更低廉的商用機,而商用機的市場也發(fā)生著巨大的變化,人們開始更傾向于比較人性化的觸控平板電腦的使用。因此,工業(yè)現(xiàn)場帶觸控功能的平板電腦的使用未來將會是趨勢。圖1-12所示的工業(yè)觸控電腦也是工控機的一種,和普通的工控機相比,它的優(yōu)勢是:工業(yè)觸控平板電腦的前面板大多采用鋁鎂合金壓鑄成型,達到NEMAIP65防護等級,堅固結(jié)實,持

久耐用,而且重量比較輕;工業(yè)觸控平板電腦是一體機的結(jié)構(gòu),主機、液晶顯示器、觸摸屏合為一體,穩(wěn)定性比較好;采用目前比較流行的觸摸功能,可以簡化工作,更方便快捷,比較人性化;工業(yè)觸控平板電腦體積較小,安裝維護非常簡便;大多數(shù)工業(yè)觸控平板電腦采用無風(fēng)扇設(shè)計,利用大面積鰭狀鋁塊散熱,功耗更小,噪聲也小;外形美觀,應(yīng)用廣泛。

圖1-12工業(yè)觸控電腦

1.5.3工控機的總線結(jié)構(gòu)

1.總線概述

總線標準實際上是一種接口信號的標準和協(xié)議?？偩€是一組信號線的集合。它定義了引線的信號、電氣、機械特性,是微機系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間、不同的計算機之間建立信

號聯(lián)系,進行信息傳送的通道。

按相對于CPU或其他芯片的位置劃分,總線主要有內(nèi)部總線(系統(tǒng)總線)和外部總線(通信總線);按功能或信號類型劃分,總線主要有數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線;按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞絼澐?總線主要有串行總線和并總線;按時鐘信號是否獨立劃分,總線主要有同步總線和異步總線。

2.內(nèi)部總線

內(nèi)部總線是指微機內(nèi)部各功能模塊間進行通信的總線,也稱系統(tǒng)總線。它是構(gòu)成完整微機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。

常用的內(nèi)部總線主要有STD總線、VME總線、ISA總線和PCI總線。

1)STD總線

STD總線即StandardBus,是一種規(guī)模最小,面向工業(yè)控制,設(shè)計周密的8位系統(tǒng)總線。

STD總線的性能特點為:STD總線支持8位微處理器;STD總線是一種小型的、面向工業(yè)控制及測量的總線,全部總線只有56根。

2)VME總線

VME(VeRS-amodelEurocard)總線是Motorola公司1981年推出的第一代32位工業(yè)開放標準總線。其主要特點是VME總線的信號線模仿的是Motorola公司生產(chǎn)的68000系列單片機信號線,由于其應(yīng)用的廣泛性而被IEEE收為標準,即IEEE10141987,其標準文件為VMEbusSpecificationRevC.1。

3)ISA總線

20世紀80年代初期,IBM公司在推出自己的微機系統(tǒng)

IBMPC/XT時,就定義了一種總線結(jié)構(gòu),稱為S總線。這是8位數(shù)據(jù)寬度的總線。

ISA總線插槽有長、短兩個插口,長插口有62個引腳,

以A31~A1和B31~B1表示,分別列于插槽的兩面;短插口有36個引腳,以C18~C1和D18~D1表示,也分別列于插槽的兩面。ISA總線插槽如圖1-13所示。

圖1-13ISA總線插槽

4)PCI總線

PCI總線的主要特點為:傳輸率高;采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu),減少了總線引腳數(shù);總線支持無限突發(fā)讀寫方式和并行工作方式,總線寬度為32位(5V),可升級為64位(3.3V);PCI總線與CPU異步工作,PCI總線的工作頻率固定為33MHz,與CPU的工作頻率無關(guān),使PCI總線不受處理器的限制;提供了即插即用功能,允許PCI局部總線擴展卡和元件進行自動配置。

PCI總線的功能特性:連接到PCI總線上的設(shè)備分為主控設(shè)備(Master)和目標設(shè)備(Target)兩類;PCI支持多個主控設(shè)備,主控設(shè)備可以控制總線、驅(qū)動地址、數(shù)據(jù)及控制信號;目標設(shè)備不能啟動總線操作,只能依賴于主控設(shè)備向它進行傳遞或從中讀取數(shù)據(jù)。

PCI總線的基本傳輸:PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸采用突發(fā)(Brust)方式,支持對存儲器和I/O地址空間的突發(fā)傳輸,以保證總線始終是滿載的數(shù)據(jù)傳輸。

3.外部總線

外部總線是指用于計算機與計算機之間或計算機與其他智能外設(shè)之間的通信線路。

1)IEEE488并行通信總線

圖1-14為IEEE488并行總線,包含16條信號線和8條地線。

圖1-14IEEE488并行總線

2)RS-232C串行通信總線

RS-232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)推廣使用的一種串行通信總線標準,是DEC(數(shù)據(jù)通信設(shè)備,如微機)和DTE(數(shù)據(jù)終端設(shè)備,如CRT)間傳輸串行數(shù)據(jù)的接口總線。該標準提供了一個利用公用電話網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)、通過調(diào)制解調(diào)器將遠程設(shè)備連接起來的技術(shù)規(guī)定。

RS-232標準定義了主、輔兩個通信信道,輔助信道的傳輸速度比主信道低,其他功能與主信道相同。在實際應(yīng)用中,通常只使用一個主通信信道,因此就產(chǎn)生了簡化的RS-232的9針D型插頭,如圖1-15所示。

圖1-15DB9串口連接器

RS-232C的連接插頭早期用25針EIA連接插座,現(xiàn)在用9針的EIA連接插座,其串行口的針腳功能如表1-2所示,包括數(shù)據(jù)線、狀態(tài)線、聯(lián)絡(luò)線。

(1)RS-232C接口電氣特性。

RS-232C采用負邏輯電平,發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送端輸出的邏輯“0”表示正電平(+5~15V),輸出的邏輯“1”表示負電平(-15~-5V)。接收數(shù)據(jù)時,接收端接收的+5~+15V高電平表示邏輯“0”,-15~-5V低電平表示邏輯“1”,其接口電氣特性如表1-3所示。

(2)RS-232C與TTL的電平轉(zhuǎn)換。

RS-232C用正負電壓來表示邏輯狀態(tài),與TTL用高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此,為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接,必須在RS-232C與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的方法是使用分立元件或使用集成電路芯片,如圖1-16所示。

圖1-16RS-232C與TTL的電平轉(zhuǎn)換

(3)RS-232C的不足。

盡管RS-232C接口標準應(yīng)用廣泛,但由于出現(xiàn)較早,存在以下不足:

①接口信號電平值較高,易損壞接口電路芯片,且與TTL電平不兼容,需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與TTL電路連接。

②采用單端驅(qū)動、單端接收的單端雙極性電路標準,一條線路傳輸一種信號。

③傳輸速率較低,在異步傳輸時,波特率最大為19200b/s;傳輸距離有限,最大傳輸距離只有15m。

3)RS-485標準總線

由于RS-232C存在數(shù)據(jù)傳輸慢、距離短的缺點,1977年EIA公布了新的標準接口RS-449。

RS-485屬于RS-449的子集。RS-485的工作方式為半雙工,在某一時刻,一個發(fā)送,另一個接收。

表1-4所示為RS-485與RS-232C的比較。

1.6MATLAB軟件介紹

MATLAB(MatrixLaboratory,矩陣實驗室)是一款由美國TheMathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB擁有數(shù)值分析、矩陣運算、數(shù)據(jù)可視化、非線性系統(tǒng)建模等強大的功能,同時支持包括C、C++、Java在內(nèi)的多種計算機語言。

1.6.1-編程環(huán)境

MATLAB由一系列工具組成,用戶使用內(nèi)置的腳本語言進行編程,許多工具采用GUI。與同類其他軟件相,MATLAB提供工作區(qū)、歷史命令窗口、編輯器和路徑搜索等界面構(gòu)成的編程環(huán)境,高版本的MATLAB還提供大量的官方工具箱和運算庫,同時編程語言還會向下兼容。在一些特定的領(lǐng)域內(nèi),用戶甚至可以自建運算工具箱,極大地提升了編程效率。

1.6.2Simulink仿真模塊

Simulink是MATLAB提供的一種可視化動態(tài)仿真模塊,支持各種時變系統(tǒng),也可以進行基于模型的設(shè)計。

Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。

構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能,也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成,可以直接訪

問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。

1.Simulink基本模塊庫

(1)連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(Continuous)。它包括一些常用的連續(xù)系統(tǒng)模塊,例如微分器(Derivative)、積分器(Integrator)、PID控制器(PIDController)、狀態(tài)空間模型(StateSpace)、可變傳輸延遲(VariableTransportDelay)等,如圖1-17所示。

圖1-17連續(xù)系統(tǒng)模塊庫

(2)離散系統(tǒng)模塊庫(Discrete)。它包括一些常