第一章 微型计算机控制系统概述

1、第一章 微型计算机控制系统概述,计算机的分类：巨型机、大型机、小型机 和微型机 微型机的发展： 位数：4位、8位、16位、32位、64位 CPU：8088、8086、80286Pentium 结构：单板机、单片机、STD总线工控机、 工业PC机 嵌入式系统,微型计算机控制系统的应用,国防：卫星、火箭、导弹、反导弹导弹 工业：石油化工、汽车、数控机床、 集成制造系 统 农业：大棚的温度湿度控制、低成本自动化 医疗：各种医疗器械、生物医学工程 其他：家用电器、模拟高尔夫、模拟驾校 数字化、集成化、网络化、虚拟化是自动控制的发展方向,系统硬件由微型机与其它器件和装置适当连接而成，在软件的操作下协调运

2、行，以执行预定的测量或控制任务，这些硬件和软件的总体就是微型计算机控制系统，也称微机测控系统。,微型计算机控制系统的概念,第一章 微型计算机控制系统概述,1.1 微型计算机控制系统的组成 1.2 微型计算机控制系统分类 1.3 微型计算机控制系统的发展趋势,1.1 微型计算机控制系统的组成,典型的连续控制闭环控制系统框图（如图1-0-1）,图1-0-1,计算机控制系统基本框图,把图1-0-1中的控制器用数字调节器来代替，就可以构成微型计算机控制系统（如图1-0-2）,图1-0-2,微型计算机 接口电路 检测及变送 输入输出通道 外部通用设备 工业生产对象 操作台,1.1微型计算机控制系统组成,

3、图1-1,微型计算机控制原理图,1.1.1微型机控制系统硬件结构,（1）主机（CPU）：指挥部 (命令、数据处理、控制计算等） （2）I/O接口：主机与被控对象信息交换的通道 （3）通用外部设备：显示、打印、存储及传送数据 （4）检测元件及执行机构：过程数据采集、转换；控制各参数的流入量 （5）操作台：人机对话的纽带 作用开关、功能键、LED数码管及CRT显示、数字键 硬件是控制系统的物质基础，在软件的协调下运行，实现对生产过程或被控对象参数的检测，完成对生产过程或被控对象的控制任务。,1.1.2 微型机控制系统软件,定义：软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、监控、管理、计算和自

4、诊断程序等。 分类 按使用的语言分：机器语言、汇编语言、高级语言 按功能分：系统软件、应用软件 系统软件：专门用来使用和管理计算机的程序。 各种语言的汇编、解释和编译软件，监控管理程序、操作系统、调整程序以及故障诊断程序 应用软件：面向生产过程的程序。 A/D、D/A转换、数据采样、数字滤波、键盘处理、过程控制程序（PID运算、数字控制程序）等等。,返回本节,1.2 微型计算机控制系统分类,按照系统的 功能 分类： 1.2.1 操作指导控制系统 1.2.2 直接数字控制系统（DDC） 1.2.3 计算机监督系统（SCC） 1.2.4 嵌入式系统 1.2.5 现场总线控制系统(FCS),返回本章

5、目录,1.2.1 操作指导控制系统,定义：计算机的输出不直接控制生产对象，只对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据；操作人员根据这些数据进行设定值的改变或必要的操作。 特点：简单、安全可靠，适用于实验、调试 缺点：人工操作、速度不能太快、不能同时操作几个回路；相当于模拟仪表控制的手动与半自动工作状态。,操作指导控制系统原理图,图1-2,返回本节,1.2.2 直接数字控制系统（DDC）,定义：DDC(Direct Digital Control)控制是用一台微型机对多个被测参数进行巡回检测，检测结果与设定值比较，在按照PID规律或直接数字控制运算进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过

6、程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。 特点： 灵活性大、可靠性高 复杂控制规律（串级控制、前馈控制、自动选择控制、大滞后控制等） 一台微型机可代替多个模拟调节器,DDC数字控制系统原理图,图1-3,返回本节,1.2.3 计算机监督系统（SCC）,Supervisory Computer Control（SCC系统）定义：由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况。 SCC系统两种结构形式 （1）SCC+模拟调节器控制系统 （2）SCC+DDC控制系统,图1-4,图1-5,SC

7、C+模拟调节器控制系统原理图 SCC+DCC控制系统原理图,返回本节,计算机监督系统（SCC）的优点和不足,较DDC系统更接近生产变化的实际情况，实现最优控制 不仅可以进行给定值控制，还可进行顺序控制、最优控制以及自适应控制 当模拟器或DDC控制器发生故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节 操作指导系统和DDC系统的综合与发展。 不足：建立数学模型困难，系统实现比较困难,1.2.4 嵌入式系统,嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。 包括硬件和软件两部分。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。 软件部分包括

8、操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体。,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，其特点：,（1）对实时多任务有很强的支持能力； （2）具有功能很强的存储区保护功能； （3）可扩展的处理器结构； （4）嵌入式微处理器必须功耗很低。,嵌入式计算机的分类：,1.嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU) 2.嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, EMCU) 3. 嵌入式DSP处理器(Embedded

9、Digital Signal Processor, EDSP) 4.嵌入式片上系统(System On Chip),前进,1.2.6 现场总线控制系统 （FCS）,现场总线：是连接智能现场设备和自动化系统之间的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。（数字通信协议） 现场总线控制系统（Fieldbus Control System）是采用现场总线作为通信系统的控制系统 特点：（1） 数字化的信息传输 （2） 分散的系统控制 （3） 方便的互操作性 （4） 开放的互联网络 （5） 多种传输媒介和拓扑结构,图1-8,返回本节,现场总线控制系统结构,1.3.1 单片微型计算机 1.3.2 可

10、编程逻辑控制器（PLC） 1.3.3 STD总线工业控制机 1.3.4 工业PC机,1.3 微型计算机控制系统的发展概况及趋势,返回本章目录,1.3.1 单片微型计算机,单片机：单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），把CPU、ROM、RAM、I/O接口，以及定时器/计数器都集成到一个芯片上。 特点：（1）集成度高、功能强 （2）结构合理 （3）抗干扰能力强 （4）指令丰富,1.3.2 可编程控制器（PLC）,PLC的组成： 中央处理单元（CPU）、存储器、电源部件、输入输出部件、编程装置和编程软件、外部设备（人/机接口、外存储器、EPROM写入器）、智能接口模块

11、（高速记数模块、闭环控制模块、运动控制模块、通信模块） PLC的功能： 条件控制、定时控制、技术控制、顺序控制、A/D、D/A转换、数据处理、通信与联网,返回本节,可编程控制器（PLC）的分类,低档PLC 以开关量（逻辑控制）为主，适用于单机顺序控制系统 中档PLC 不但可以进行逻辑控制，还可对模拟量进行检测和调节 高档PLC 与工业控制计算机十分接近，具有计算、控制和调节功能，还具有网络结构和较强的通信联网能力。,1.3.3 STD总线工业控制机,工业控制机是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机。,返回本节,工控机机箱,1.3.3 STD总线工业控制机,

12、STD英文Standard的缩写。STD总线工控机是20世纪80年代发展起来的广泛应用于工业过程控制的计算机系统。STD总线是目前工业控制中应用最多的总线之一。 特点：（1）小板结构模块化设计 （2） 标准化及兼容性 （3）面向I/O设计 （4）高可靠性,STD总线工业控制机系统组成原理图,返回本节,1.3.4 工业PC机,工业PC机：在个人计算机的基础上进行改造，使其在系统结构及功能模块的划分上更适合工业过程控制的需要。 差别：（1）将PC机的大母板改为通用的底版总线插座系统 （2）将母板分成几块PC插件（如CPU板、存储器板等） （3）把原PC电源改为工业电源 （4）采用密封机箱，内部正压送风 （5）配以相应的工业应用软件 优点：（1） 丰富的软件资源，软件开发更加方便； （2） STD总线工控机的模块化