微机控制技术第一章概述第一节

第一章：概述随着科学技术的进步，越来越多的人使用计算机来实现控制系统。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、阴极射线管显示技术、通信与网络技术、微电子技术的飞速发展促进了计算机控制技术的进步。本章主要介绍计算机控制系统及其组成，工业控制机的组成结构和特点，以及计算机控制系统的发展现状和趋势。1.1微机控制系统的概念自动控制技术已经广泛应用于许多领域。自动控制是通过控制器使生产过程根据预定规则自动运行，而没有任何人的直接参与。近年来，计算机已经成为自动控制技术不可或缺的重要组成部分，为自动控制技术的发展和应用开辟了广阔的新天地。1.1.1微机控制系统的开发1.计算机控制技术的发展历程计算机技术的发展可以分为以下四个阶段：建国时期(1955 1962)1952年，计算机开始用于生产过程，实现了自动测量和数据处理，为操作人员提供了有用的管理信息。1954年，计算机形成了一个开环控制系统，它可以帮助操作人员正确地调整一些受控参数。1957年，计算机被用来形成闭环控制系统，该系统最初被应用于石油蒸馏过程的调节。一年后，电站和炼油厂采用直接数字控制实现计算机闭环定值控制，这是一种计算机在线过程控制系统。1960年，合成氨和丙烯腈的生产完成了计算机监控。计算机开始关注最优控制，并逐渐向分级控制和网络控制发展。尽管每两三年在计算机应用于生产过程控制方面有一些新的发展，但在1965年以前，它们基本上处于单项目测试阶段。(2)直接数字控制时期(1962 1967)(3)小型计算机时期(1967 1972)在实验阶段，用于控制的计算机基本上模拟了常规调节仪表采用的调节规则，控制形式只有从连续到离散的变化，因此调节效果不能得到明显改善。直到20世纪60年代末小型计算机的出现，计算机控制才变得普遍。由于小型计算机体积小、速度快、工作可靠、价格便宜，计算机控制系统不再仅仅是大型企业的工程项目，还可以用来控制较小的工程问题。在此期间，计算机主要用于集中控制，即一台计算机用于控制尽可能多的调节电路。在高度集中的控制下，如果计算机出现故障，将对整个生产产生严重影响。提高可靠性的措施是采用多机方案，即增加小型计算机的数量。因此，随着小型计算机的出现，过程控制计算机的数量迅速增加。这个时期既实用又受欢迎。(4)微机时代(1972年至今)随着计算机技术的发展，微型计算机的出现把计算机控制技术带到了一个新的阶段。这个时期由微型计算机主宰。在控制结构上，对于简单的生产过程或设备，采用单片机进行独立控制，如以单片机、工业控制机和可编程控制器为核心的计算机控制系统。对于复杂的生产过程或设备，采用分布式控制系统，将计算机分散到生产设备中，采用多级分布式结构，自下而上分为过程控制级、控制管理级、生产管理级和运行管理级，进行分散控制、集中操作、分级管理和统一协调，既分散了危险，又实现了整体协调和优化，大大提高了系统的安全性、可靠性和通用性。因此，这一时期也是大众宣传和等级控制的阶段。2.计算机控制理论的发展过程(1)取样(6)代数系统理论；(7)系统辨识和自适应控制1.1.2微机控制系统的组成典型的过程计算机控制系统如图1.2所示。生产过程执行机构反多路开关多路转换开关值输出时钟操作台计算机(主机)连接连接连接连接A/D承兑交单磁盘驱动器打印机阴极射线管显示终端软件发射机传感器通用外部设备主机，控制台连接输入/输出通道检测和传输执行被控对象切换输入以微机为核心的过程控制图1.2基本组成：硬件部分和软件部分。各组成功能简介：硬件部分(1)主人组成：中央处理器和内部存储器。功能：根据输入通道发送的被控对象的状态参数，进行信息处理、分析和计算，做出控制决策，并通过输出通道发出控制命令。(2)接口电路功能：当主机与外部设备和输入/输出通道交换信息时，信息通过接口电路的协调传输。(3)过程输入/输出通道角色：主机和受控对象实现信息传输和交换的通道。输入/输出通道分为模拟输入通道、模拟输出通道、开关输入通道和开关输出通道。外部设备外部设备按功能可分为三类：输入设备、输出设备和外部存储器。常见的输入设备包括键盘、磁盘驱动器、纸带输入机等。输入设备主要用于输入程序和数据。常见的输出设备包括监视器、打印机、绘图仪等。输出设备主要用于以曲线、字符、数字等形式向操作员提供各种信息和数据。以便及时了解控制过程。外部存储器包括磁盘、磁带等。它主要用于存储程序和数据。(5)控制台通常，控制台有一个(阴极射线管)显示器或(发光二极管)数字显示器来显示系统的运行状态。操作员可以使用功能键输入或修改控制参数并发送命令。软件部分软件是指计算机中使用的所有程序。软件通常可以分为系统软件和应用软件。(l)系统软件系统软件：一种专门为用户使用、维护和管理计算机而设计的程序。它有一定的普遍性。组成：操作系统、语言处理系统、诊断系统。1.操作系统操作系统：是一种管理和控制计算机本身的软件。计算机自身系统中的所有硬件和软件统称为资源。从功能上讲，操作系统可以看作是一个资源管理系统，用来管理处理器、内存、设备和信息，如上述资源的分配、控制、调度和回收。2.语言处理系统语言处理系统是将用户编写的源程序转换成计算机可以执行的机器码(目标程序)。语言处理系统主要由编辑程序、编译程序、连接程序、汇编程序、调试程序和子程序库组成。(1)编辑程序：建立源程序文件的过程由编辑程序完成。该程序可以插入、补充、删除、修改、移动和编辑程序，并在磁盘上创建源程序文件。(2)编译器：将源程序翻译成机器代码。(3)连接和汇编程序：用连接和汇编程序将不同语言编写的不同程序模块的源程序连接起来，成为一个完整的、可执行的绝对地址目标程序。(4)调试程序：调试程序用于检查源程序是否符合设计者的设计意图。(5)子程序库：为了方便用户编程，系统软件中提供了子程序库。在理解了这些子程序的功能和调用条件后，您可以在程序中直接调用它们。3.诊断系统诊断系统是用来修理计算机的软件。(2)应用软件应用软件：指用户为完成特定任务而编写的各种程序。包括：控制程序、数据采集与处理程序、巡检程序和数据管理程序等。(1)控制程序：主要实现系统的调控。它是根据各种控制算法和被控对象的具体情况编写的。控制程序的主要目标是满足系统的性能指标。(2)数据采集和处理程序：这些包括：数据可靠性检查程序用于检查它是可靠的输入数据还是故障数据；模数转换和采样程序；数字滤波程序用于滤除由干扰引起的错误数据或不适合使用的数据。线性化处理器用软件补偿检测元件或发射器的非线性特性。(3)巡回检查程序：包括：数据采集程序完成数据采集和处理。超限报警程序用于在生产中某一数量超过限值时报警。事故预测程序根据极限值检查控制量的变化趋势，如果可能超过极限值，则发出事故预测信号；屏幕显示程序用图形和表格在阴极射线管上反映生产状态。数据管理程序这部分程序用于生产管理，主要包括：统计报表程序；产品销售、生产调度和库存管理程序；产值和利润预测程序等。1.1.3微机控制系统的结构和原理1.计算机控制系统计算机控制系统是使用计算机来实现生产过程的自动控制的系统。(1)计算机控制系统的工作原理典型的计算机控制系统如图1.1所示。计算机输出通道数模转换器输入通道模拟/数字目标操纵量y输入端图1.1在计算机控制系统中，因为工业控制机的输入和输出是数字信号，所以需要一个模数转换器和一个数模转换器。实质上，计算机控制系统的工作原理可以概括为以下三个步骤：(1)实时数据采集：从测量和传输装置中检测并输入控制量的瞬时值。(2)实时控制决策：对采集到的控制量进行分析和处理，并根据建立的控制规律决定采取的控制行为。(3)实时控制输出：根据控制决策，及时向执行器发送控制信号，完成控制任务。上述过程不断重复，使整个系统按一定的质量指标运行，控制量和设备本身的异常现象得到及时处理。2.几个术语(1)实时所谓“实时”是指信号的输入、计算和输出在一定的时间范围内完成，即计算机以足够快的速度处理输入信息，并在一定的时间内对其进行响应和控制。超过这个时间，控制机会将会失去，控制将失去它的意义。(2)“在线”模式在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机相连，生产过程由计算机直接控制