微型计算机控制技术1

\rfCHINAMACHINEPRESS

第一章绪论

第一节计算机控制系统的组成及特点

第二节计算机在控制中的典型应用方式

第三节典型计算机控制系统简介

第四节工业控制机

第五节计算机控制系统的研究课题和发展方向

第。章

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YirCHINAMACHINEPRESS

型

计第一节计算机控制系统的组成及特点

算一、计算机控制的一般概念

机

计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速

控

制发展的基础上产生的。

技将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实

术现，就组成了一个典型的计算机控制系统，下图所示。计

算机控制是以计算机、自动控制理论、自动控制工程、电

子学和自动化仪表为基础的综合学科。

计算机控制系统简单地说就是以计算机替代了原模拟控

制系统的控制器（控制仪表）组成的自动控制系统。但是

这种取代决不是一种简单的替代而是一种升华。

o砌

第

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、二/CHINAMACHINEPRESSL-

型

计

算

机

控

制

技

术

计算机控制系统基本框图

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。

第11章

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、二/CHINAMACHINEPRESSL-

;控制系统举例：微型机在阀门定位器中的应用

计

算阀门定位器的控制系统接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号

(4〜20mA),用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行

机比较，如果微处理器得到一个偏差信号，就利用这个信号去控制压电阀，

控使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室，推动阀

制心花怒放的移动或转动，从而达到阀心花怒放的准确定位。

技

设定值

术4

被控介质

第一

微G机城工业出版社

■—.J......*a*•a・d・a*■a*

3

csvcc—TIST3

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8279通用键盘、显示板

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Tlin

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复位电路MAX232至PC

+5V

时钟电路

CH

RY

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U>RST26MHz

74LS04SW-PBA”

HZ1RST3

工74LS04

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MACHINEPRESS

型

计★计算机控制系统的发展过程

算

机

控•50年代的起步期

制

技•60年代的试验期

术•70年代以来的推广期

・80年代的成熟期

・90年代后进一步发展期

物

第11章

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IXTCHINAMACHINEPRESS

_.

计世界上第一台电子计算机ENIAC

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型

计•计算机名称：ENIAC（电子数字积分计算器）

算ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

1•时间：1946年2月15日

蔡♦地点：美国宾夕法尼亚大学莫尔学院

技•主要人物和单位：维纳，约翰•莫克利，冯•诺依曼

木美国陆军弹道研究所，阿伯丁弹道实验室

•主要指标：占地170M2/重量30吨/耗电140KW

18000个电子管/7000个电阻/6000个开关

10000个电容/50万条线/45万美元

•运算速度：5000次加法/秒，3/1000秒时间内做

完两个10位数乘法

•主要用途：弹道计算的数值分析物

第

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型

计★计算机控制系统概要

算

机

控•自动控制是在非人工直接参与的前提下，

制

技应用自动控制装置自动地、有目的地控制

术设备和生产过程，使他们具有一定的状态

和性能）完成相应功能）实现预定目标

•自动控制系统一般可以分为：开环控制系

统和闭环控制系统两大类。

第11章

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型

计

1・开环控制系统

算

机

■所谓开环控制系统是指控制器按照先验的控制方

控

制案对对象或系统进行控制，使被控制对象或系统

技能按照约定来运动或变化。

术

被控参数

给定值--控制器--执行机构--被控对象

开环控制系统

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型\irCHINAMACHINEPRESS

计2闭环控制系统

算

机

＞下图为闭环控制系统结构，彳艮明显闭环控制系统

控

制较开环控制系统增加了一个比较环节和一个来自

技被控参数的反馈信号。

术

给定值

闭环控制系统

第11章

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型

计3计算机控制系统

算

机・在开、闭环控制系统中都少不了控制器环节

控•若用计算机替代系统中的控制器就形成了计算机控制系统

制•由于计算机处理的是数字信号，而现场的信号都是模拟信

技号，计算机要替代原模拟调节器必须完成模拟量到数字量

术的转换（A/D）和数字量到模拟量的转换（D/A）

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、二/CHINAMACHINEPRESSL-

型

计★初需机按制系疣的控制过程

算

机计算机控制系统的控制过程可归纳为三个过程：

控(1)信息的获取

制计算机通过计算机的外部设备获取被控对象的实时

技信息和人的指令性信息

术(2)信息的处理

计算机根据预先编好的程序对从外设获取的信息进

行处理

(3)信息的输出

计算机将最终处理完的信息通过外部设备将这些信

号送到控制对象，通过显示、记录或打印等操作

出其处理或获取信息的情况

第❶章

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型

计二、计算机控制系统的组成

算

典型的计算机控制系统结构，它可分为硬件和软件两大

机

部分。

控

制硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、

量内存储存、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。

砌

第11章

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型

计

算

机

控

制

技

术

图1.4典型的计算机控制系统的硬件组成框图

第0章

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型沛静机脚制系统的组成\zfCHINAMACHINEPRESS

,H

I软件I

第器传感器

初接口A\D多路

显示终端微

接生

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产

制计

对

000VO900

算

象

&机一•接口W

水

接口

JL

实时操作

时钟台

通用外部设备主机及操作台接口外部通道:检测及变送控制对象

硬件部分:主机、接口电路、过程输入/输出通道、外

第Q章部设备、操作台J

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计

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X/A/D数字D/A

算保持器

转换器调节器转换器

机

控

制

技

术

模拟信号离散模拟信号数字信号数字信号离散模拟信号模拟信号

图计算机控制系统中信号的具体变换与传输

例

第。章

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音.\xiCHINAMACHINEPRESS

y1.主机

vr

算

机•主机是指用于控制的计算机，它主要由CPU、存储器

控和接口三大部分组成，是整个系统的核心。

制•目前使用的主机有：单片机、PLC、工业PC等。

技•它主要完成数据和程序的存取、程序的执行、控制外

木部设备和过程通道中的设备的工作，实现对被控对象

的控制，实现人机对话和网络通信

•由于CPU技术的发展和广泛应用及网络技术的发展和

广泛应用，主机还要完成对一些含CPU设备和网络设

备的控制

砌

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型YirCHINAMACHINEPRESS

计2.过程控制通道

算

机•过程控制通道是被控对象与主机进行信息交换的通

控道，根据信号方向和形式，过程控制通道可分为：

制•（1）模拟量输入通道（AI）

技完成过程和被控对象送往主机的模拟信号的转换，

*使之成为计算机能够接收的标准数字信号

•（2）模拟量输出通道（A0）.

目前，大多数执行机构仍只能接收模拟信号，而计

算机运算决策的最终结果是数字信号。通过模拟量

输出通道完成对数字量转换为模拟量并保持。

砌

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型

计

算2.过程控制通道（续）

机

（）数字量输入通道（）

控•3DI

制数字量的输入通道是把过程和被控对象的开关量或通

技过传感器已转换的数字量以并行或串行的方式转入计

术算机

•（2）数字量输出通道（DO）

数字量输出通道是将计算机运算、决策之后的数字信

号以串行或并行的方式输出给被控对象或外部设备

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H3•操作控制台

计，♦・•・・

算

机•操作控制台是计算机控制系统人机交互的关键设备，

控通过操作控制台，操作人员可以及时了解被控过程

制的运行状态，运行参数；对控制系统发出各种控制

技的操作命令，并且通过操作控制台还可以修改控制

术方案和程序。

•操作控制台一般应包括:

(1)信息的显示

(2)信息的记录

(3)工作方式状态的选择

(4)信息输入物

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、二/CHINAMACHINEPRESS.

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计4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

算

和用来显示、储存、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记

UL

控录仪、图形显示器、软盘、硬盘及外存储器等。

制

技5传感器的主要功能是修被检测的非电学量参数转变成电学量,

术

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。

G机械工业邱检

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6计算机控制系统的软件组成

•计算机控制系统除了硬件之外，还必须有软件。

控制系统的功能和性能在很大程度上依赖于软件

水平的高低。

•所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和,

它分为系统软件和应用软件两大部分。

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型

计系统软件

算

机•系统软件是维持计算机运行操作的基础，是用于

控管理、调度、操作计算机的各种资源，实现对系

制统监控与诊断，提供各种开发支持的程序。

技

术•这些系统软件包括：操作系统、监控管理程序、

故障诊断程序、各种计算机语言及解释、编译工

具。

•系统软件一般由供应商提供或专业人员开发，用

户不需自己设计开发。

物

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型-----------------

计应用软件

算

V应用软件根据控制对象、控制要求，为实现高效、

曹可靠、灵活的控制而自行编译的各种程序。包括：数

技据采集、数字滤波、标度变换、键盘处理、控制算法、

术输出与控制等程序。

•用于应用软件开发的程序设计语言有：汇编、

C#、C++、VB、VC、Delphi>PB等。目前也有一些

专门用于控制的组态软件，这些软件功能强，使用方

便，组态灵活，具有很好的应用前景。

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型

计计算机控制系统的组成示意图

算

机主机、外设、系统总线

控制计算机生产过程输入输出通道

控人机联系设备、通信设备

制硬件部分

技〔现场仪表（测量传感器、执行机构等）

不算机控制系统<

r操作系统

r系统软件汇编或高级语言、过程控制语言

〔软件部分通信网络软件、诊断程序等

应用软件过程输入/输出程序、过程控制程序

人机接口程序、打印显示程序

各种公共子程序

.历史数据库、实时数据库

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;三、计算机控制系统的特点一

算

机计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：

控（1）在结构上。计算机控制系统是模拟和数字部件的混合

制系统。

技（2）连续系统中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机

桃制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散

数字等多种信号形式。

（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坳

第

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型

计

算(4)对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件

机也往往越多、越复杂。

控

制(5)在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回

技路，而计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理

术

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。Kt

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型

计第二节计算机在控制中的典型应用方式

算

机根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机控

控

制制系统分为四类，它们是：操作指导控制系统，直接数字控

技制系统，监督计算节控制系统和分级计算机控制系统。

术

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型、二/CHINAMACHINEPRESSL-

计一、操作指导控制系统

算

机在操作指导系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对

操作指导计■机

Mt作指导参考数渊测中侦

；［1A/D|

交胭at］设定慎［通路开关

操作指导系统是基于生产过程数据直接采集的非

线的闭环控制系统。

第11章

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型

计

算•计算机通过数据输入通道对生产过程各项参数进

机行采集，根据工艺和生产的需求进行优化计算，

控计算出优化的操作条件和参数，利用其输出设备

制将其结果显示或打印。

技

术•操作人员根据计算机提供的结果改变控制器的参

数或设定值，实现对生产过程的控制，这属于计

算机离线最优控制的一种形式。

•该系统结构简单、控制安全、灵活，由于人的介

入使该系统可以应用于一些复杂的不便由计算机

进行直接控制的场合。

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型

计、直接数字控制系统

算

直接数字控制DDC系统是计算机用于工业过程控制最普遍

机的一种方式。

控

制被定值H接口—输入通遒1一怜测

技n

机

术

打印?接口—输出通道—*执行

直接数字控制系统

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；

蓄制、鳖控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。

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计二、监督计算机控制系统(SupervisoryComputerControl)

算计算机监督控制系统是一种两级计算机控制系统

机

控监督计算机控制系统简称SCC系统。SCC系统有两种类型,

制.生

技输入通道产

<3过

术

scC程

机

票

廿H

输

出

A数字(或模

通

道拟)控制器

图计算机监督控制系统

第11章

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型YirCHINAMACHINEPRESS

计1.see加上模拟调节器的控制系统

算

机这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回测，并

魁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

制

，参数得最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。

术

2.SCC加上DCC的控制系统

这是一种二级控制系统。see计算机完成工段、车间等高

一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DCC

计算机执行控制。

第11章

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>5

型

计

算

机

控

制

技

术

第早

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,\x/CHINAMACHINEPRESS

计，，一•■二，♦・・

算。该类系统类似计算机操作指导控制系统。它的区

机别是SCC计算机输出不通过人去改变，而直接控

控制控制器，改变控制的设定值或参数，完成对生

制产过程的控制。

技・SCC计算机可以利用有效的资源去完成生产过程

木控制的参数优化，协调各直接控制回路的工作，

而不直接参与直接的控制，所以计算机监督控制

系统是安全性可靠性较高的一类计算机控制系统,

向时又是计算机集散系统留最初、最基本的模式。

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型YirCHINAMACHINEPRESS

计四.集散控制系统(DistributedControlSystem)

算

机・集散控制系统又称分布控制系统。该系统采用分散控制、

控集中操作、分级管理、分而自治、综合协调形成具有层

制次化体系结构的分级分布式控制，一般分为四级：过程控

技制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级。

术•过程控制级是集散控制的基础，直接控制生产过程，在这

级参与直接控制的可以是计算机也可以是PLC或专用数字

控制器，完成对现场设备直接监测和控制，由于生产过程

控制分别由独立控制器进行控制，可以分散控制器故障，

局部故障不会影响整个系统工作，提高了系统工作可靠性

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\irCHINAMACHINEPRESS

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生产过程

PCS:过程控制站OS:操作员站ES:工程师站

scs：监控计算机站CG:计算机网关CNET:控制网2

MNET:生产管理网络DNET:决策管理网络

MMC:生产管理计算机DMC:决策管理计算机

DCS的）1

第

第

**G机，工业出版社

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型

计%.现场总线控制系统(FieldBusControlSystem)

算

机•现场总线控制系统是20世纪90年代兴起的新型计算机控

控制系统，已广泛应用在工业生产过程自动化领域，现场

制总线控制系统利用现场总线圈各智能现场设备，各级计

技算机和自动化设备互联，形成了一个数字式全分散双向

术串行传输，多分支结构和多点通信的通信网络。

•在现场总线控制系统中，生产过程现场的各种仪表、变

送器、执行机构控制器都配有分级处理器，属智能现场

设备。现场总线可以直接连接其它的局域网，甚至

Interneto可构成不