第一章 微型计算机控制系统概述

第一章微型计算机控制系统概述本章要点1.了解计算机控制系统的基本概念2.了解计算机控制系统硬件组成与软件组成。3.初步认识微型计算机控制系统分类与发展趋势本章主要内容引言1.1微机控制系统的组成1.2微机控制系统的分类1.3微机控制系统的发展概况及趋势引言计算机控制技术--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。本书立足于工业自动化的领域，讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关技术及其工程应用。下图为一个制药车间的自动化生产流程。自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。计算机控制系统：利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。计算机控制系统概念计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的;常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制(图1-1a所示)与开环控制(图1-1b所示)两种结构形式;计算机控制系统原理组成—用控制计算机代替图1-1的控制器，如图1-2所示；闭环控制系统euqy控制器执行器被控对象测量变送器偏差给定值控制作用操纵变量被控量测量值r+_zf干扰图1-1(a)闭环控制系统闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。开环控制系统开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。开环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。uqy控制器执行器被控对象给定值控制作用操纵变量被控量r(b)开环控制系统计算机闭环控制系统原理组成计算机闭环控制系统的原理组成--是把图1-1中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。+re偏差计算机D/A执行器被控对象uqyA/D测量变送器z测量值给定值控制计算机生产过程控制作用操纵变量被控量图1-3计算机控制系统原理框图-图1-2计算机控制系统原理图计算机控制系统的工作原理a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；在线方式和离线方式★在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。★离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。实时的含义★实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成。★实时控制系统必定是在线系统。返回本章首页图1-3微型计算机控制系统原理图微机控制系统的组成：微型计算机、接口电路、外部通用设备和工业生产对象等组成。1.1微型计算机控制系统的组成★主机（单片机、CPU）中央处理器（CPU）内存储器(RAM和ROM)★接口电路:主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁★过程输入/输出通道（计算机和控制过程之间信息传递和变换的连接通道）模拟量输入通道AI模拟量输出通道AO开关量输入通道DI开关量输出通道DO★外部设备★操作台输入设备输出设备外存储器（CRT）显示器或(LED)数码显示器键盘（功能键和数字键）计算机控制系统的硬件组成软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。返回本章首页计算机控制系统的软件组成返回本章首页软件系统软件应用软件操作系统语言加工系统诊断系统控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序编辑程序编译程序连接、装配程序调试程序子程序库软件部分：数据可靠性检查程序A／D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序1.2微机控制系统的分类操作指导控制系统（ODC）直接数字控制系统（DDC）计算机监督系统（SCC）分级计算机控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）返回本章首页操作指导控制系统返回本节优点：结构简单，控制灵活和安全。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。返回本节操作指导控制系统--是基于数据采集系统的一种开环结构。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。直接数字控制系统（DDC）返回本节★要求：实时性好、可靠性高和适应性强★一台计算机通常要控制几个或几十个回路输入通道(AI.DI）输出通道(AO.DO)打印机报警操作台CRT计算机生产过程返回本节DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。计算机监督系统（SCC）计算机监督系统（SupervisoryComputerControl）简称SCC系统。SCC系统有两种不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。（1）SCC+模拟调节器控制系统（2）SCC+DDC控制系统管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关返回本节返回本节DDC计算机生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模拟调节器生产过程SSC计算机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。分级计算机控制系统分散控制系统--是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散控制系统简称为DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。返回本节返回本节操作站模拟量输出功能块控制功能块H1现场总线差压变送器模拟量输入功能块PIDI10…...AOI10AI110H1H1网桥H2现场总线…….现场节点服务器LAN（局域网）现场总线控制系统FCS返回本节现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。1.3微机控制系统的发展概况及趋势返回本章首页1946年世界上第一台电子计算机ENICA问世1·3·1计算机控制系统的发展概况1．计算机控制技术的发展过程►开创时期（1955～1962年）►直接数字控制时期（1962～1967年）►小型计算机时期（1967～1972年）►微型计算机时期（1972年～至今）返回本章首页软件的发展：50年代至70年代软件发展缓慢70年代末至今已采用各种高级语言进行实时控制2．计算机控制理论的发展过程►采样定理►差分方程返回本章首页►Z变换法)()(0kTfzkTfZkK►状态空间理论►最优控制与随机控制►代数系统理论►系统辨识与自适应控制1.3.2微机控制系统的发展趋势返回本章首页可编程控制器可编程逻辑控制器--简称可编程控制器或PLC，是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物，其低端为常规继电逻辑控制的替代装置，而高端为一种高性能的工业控制计算机。它主要由CPU、存储器、输入组件、输出组件、电源及编程器等组成。外观如图所示。可编程控制器（PLC）特点：一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设定;采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；应用广泛--不仅在顺序程序控制领域中具有优势，而且在运动控制、过程控制、网络通信领域方面也毫不逊色；PLC具有系统构成灵活，扩展容易，编程简单，调试容易，抗干扰能力强；总线式工控机总线式工控机，是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机，一般称为工业控制计算机，简称为工业控制机或工控机。通常，计算机的生产厂家是按照某个总线标准，设计制造出若干符合总线标准、具有各种功能的各式模板，而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求，选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统。总线式工控机的外形类似普通计算机，如图所示。不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱，机箱密封并加正压送风散热，机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的底板总线插座系统，将主板分解成几块PC插件，采用工业级抗干扰电源和工业级芯片，并配以相应的工业应用软件。总线式工控机具有小型化、模板化、组合化、标准化的设计特点，能满足不同层次、不同控制对象的需要，又能在恶劣的工业环境中可靠地运行。因而，它广泛应用于各种控制场合，尤其是十几到几十个回路的中等规模的控制系统中。单片微型计算机随着微电子技术与超大规模集成技术的发展，计算机技术的另一个分支──超小型化的单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)简称单片机诞生了。它是将CPU、存储器、串并行I/O口、定时/计数器、甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全都集成在一块大规模集成电路芯片上，构成了一个完整的具有相当控制功能的微控制器。单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识，而且汇编语言的通用性与可移植性差。随着高效率结构化语言的发展，其软件开发环境正在逐步改善。目前，市场上已推出面向单片机结构的高级语言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，现在的KeilC51、DynamicC等语言。由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业