微型计算机控制技术1讲解

1、第一节第一节 计算机控制系统的组成及特点计算机控制系统的组成及特点 第二节第二节 计算机在控制中的典型应用方式计算机在控制中的典型应用方式 第三节第三节 典型计算机控制系统简介典型计算机控制系统简介 第四节第四节 工业控制机工业控制机 第五节第五节 计算机控制系统的研究课题和发展方向计算机控制系统的研究课题和发展方向 第一章第一章 绪论绪论 第一节 计算机控制系统的组成及特点 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生 的。第二次世界大战中逐步发展起来的经典控制理论在解决较简单的自动控 制系统设计方面获得了很大的成功，在这个基础上发展起来的模拟式自动控 制系统也已达到相当完

2、善的程度。 将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一 个典型的计算机控制系统，下图所示。因此，计算机控制系统，简单地说， 就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。 一、计算机控制的一般概念 计算机控制系统除用于过程控制外，在机电控制、航天技术和各种军事 装备中也得到了广泛应用。 二、计算机控制系统的组成 典型的计算机控制系统结构，它可分为硬件和软件两大部分。 硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储存、 磁盘驱动器、各种接口电路、以A/D转换和D/A转换为核心的模拟量I/O通 道、数字量I/O通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。 （1）由中央处理器

3、、时钟电路、内存储存构成的计算机主机是组成计算 机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量 计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制指令，指挥权系统有 条不紊地协调工作。 （2）操作台是人-机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台项计算机输 入和修改控制参数，发出各种操作指令。 （3）通过外围设备主要是为了扩大计算机的功能而配置的。他们用来显 示、储存、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器、 软盘、硬盘及外存储器等。 （4）I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接 口有并行接口、串行接口等。I/O通道有模拟量I/O通道和

4、数字量I/O通道 。 （5）传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热 电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作 用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和。 系统软件是指由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本省的资源、 方便用户使用计算机的软件。 常用的有操作系统、开发系统等，他们一般不需要用户自行设计编程， 只需握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数 据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程

5、序等。 三、计算机控制系统的特点 计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是： （1）在结构上。 计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。 （2）连续系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除 仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数学等多种信号形式。 （3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号， 从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的 理论来分析和设计。现在常用的设计方法有两种，即模拟调节规律离散化设 计法和直接设计法。 （4）对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件也往往越多、 越复杂。 （5）在连续控制系统中，一般

6、是一个控制器控制一个回路，而计算机控 制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，一个控制经常可采用分时 控制的方式而同时控制多个回路。通常，它利用依次巡回的方式实现多路分 时控制。 (6)采用计算机控制，如分级计算机控制、聚散控制系统、微机网络等， 便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程序进一步提高。 第二节 计算机在控制中的典型应用方式 根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机控制系统分为四类， 它们是：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算节控制系统和分 级计算机控制系统。 一、操作指导控制系统 在操作指导系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。 操作指导控制系统

7、的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸 清控制规律的系统。 二、直接数字控制系统 直接数字控制DDC系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。 在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调制 器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变程序就 能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适 应控制、最优控制等。 三、监督计算机控制系统 监督计算机控制系统简称SCC系统。SCC系统有两种类型，一种是 SCC+模拟调节器，另一种SCC+DCC控制系统。 1.SCC加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡

8、回测，并按一定的数学 模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数得最优设定值送给调 节器，使工况保持在最优状态。 2.SCC加上DCC的控制系统 这是一种二级控制系统。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化 分析和计算，然后给出最有设定值，送给DCC计算机执行控制。 四、分级计算机控制系统 分级式计算机控制已经取代了集中控制方式，这种系统的特点是功能分 散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。 第三节 典型计算机控制系统简介 一、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制 的系统称为计算机过程控制系统。 二、微型计算机

9、控制的电动机调速系统 由于微型计算机具有极好的快速运算、信息储存、逻辑判断和数据处 理能力，电动机调速系统中的许多控制要求很容易在计算机中实现。 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域应 用的一个重要方面。 三、计算机数字程序控制系统 所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序而顺序 动作的自动控制系统。 所谓数字程序控制系统是指根据输入的指令和数据，控制生产机械按规 定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而完成工作的自动控 制系统。 目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统 控制。它按运动轨迹可以分为点位控制系统和轮廓控制

10、系统。 四、工业机器人 工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化 系统。最近，联合国际标准化组织采用的机器人的定义是：“一种可以反复 编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同 的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统”。 目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程程序控制器，简称为PC 或PCL.。 第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现机器人，它主要由夹持 器、手臂、驱动器和控制器组成。 第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能 力，诸如力觉、触觉、视觉等。 第三代机器人是智能机器人，目前还没有一个统一和完善的智能机

11、器人 定义。 工业机器人是从初步到高级逐步完善起来的，它的发展过程可以分为 三代： 第四节 工业控制机 一、工业控制机的特点和要求 工业控制机是用于工业控制现场的计算机，其应用对象及使用环境的特 殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特点和要求。 （1）实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来时间 作出反应的能力。 （2）高可靠性 要求工业控制机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且 具有较长的平均故障间隔时间。 （3）硬件配置的可装配可扩充性 硬件模板功能单一化，模板品种多样 齐全并尽量采用各种OEM（Original Equipment Manufacture）板级产 品，使硬件配

12、置有最灵活的装配性和可扩充性，硬件开发周期降到最小。 （4）可维护性 工业控制机应有很好的可维护性，这要求系统的结构 设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的 运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时， 能快速准确地定位。 二、典型工业控制机介绍 下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。 （一）STD总线工业控制机。 STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是STD总线工业 控制机设计思想中最突出的特点，其系统组成没有固定的模式和标准机型， 而是提供了大量的功能模板，用户根据需要，通过对模块的品种和数量的选 择与组合，即可配置

13、成适用于不同工业对象。 （二）PC总线工业控制机 随着微处理器的更新换代，为了充分利用16位机的性能，通过在原PC 总线的基础上增加一个36引脚的扩展插座，形成了AT总线。 近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了 一下几方面的改进： 1）机械结构加固，使微机的抗振性好。 2）采用标准模板结构，改进整机结构，用CPU模板取代原有的大底板， 使引脚构成积木化，便于维修更换，也便于用户组织硬件系统。 3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统抗粉尘的能力。 4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下 工作。 5）根据工业控制的特点，常采用实时多

14、任务操作系统。 第五节 计算机控制系统的研究课题和发展方向 一、集散控制系统 集散控制系统又称为以微处理器为基础的分散型信息综合控制系统，集 散控制在其发展 初期以实现分散控制为主，因而国外一般沿用分散控制系统 的名称，即DCS系统（Distributed Control System） 在集散控制系统中，是用以微处理器为基础的过程控制器对生产过程实 现分散控制。一个控制器控制一个回路或者若干个回路。 二、可编程序控制器 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序 执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。现在它已经 发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、 联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC. 三、计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术基础 上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产环节，包括产品设计、生产 规划、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机的集