第1章節(jié)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述課件

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),第1章 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述,第1章 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究的內(nèi)容及特點(diǎn)研究的內(nèi)容：主要研究控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)（軟、硬件技術(shù)）、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、測量技術(shù)、信號處理技術(shù)等在微機(jī)控制中的應(yīng)用、以及微機(jī)的控制方法及其應(yīng)用。主要的特點(diǎn)：1）理論性強(qiáng)：應(yīng)用各種控制理論、信號處理理論等2）綜合性強(qiáng)：應(yīng)用有控制理論、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、編程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、測量技術(shù)、信號處理技術(shù)、電子

2、技術(shù)等3）實(shí)踐性強(qiáng)：所有設(shè)計(jì)、計(jì)算必須要反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；在實(shí)踐中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)方法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等4）理論與實(shí)踐相結(jié)合5）實(shí)用性強(qiáng)6）應(yīng)用廣泛等,,第1章 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展迅速1、近30年計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速微機(jī)、單片機(jī)，從8位機(jī)到32位、64位機(jī)，主頻從幾兆到幾千兆，集成度達(dá)數(shù)千萬只晶體管，可靠性提高、體積小、功耗低。2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展迅速應(yīng)用機(jī)型：單板機(jī)、單片機(jī)、STD總

3、線工控機(jī)、工業(yè)PC機(jī)控制方式：從單機(jī)控制到集散控制、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用范圍：從大型企業(yè)到一般企業(yè)控制對象：從生產(chǎn)過程到檢測設(shè)備一般的儀器儀表,,第1章 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述,,,本章主要內(nèi)容1.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類1.3 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況及趨勢,1.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（1）,微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)、接口電路、檢測部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、外部通用設(shè)

4、備等五部分組成。如圖1-1所示。,,1.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（2）,1.1.1 微型機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)硬件主要由以下5部分構(gòu)成 1、主機(jī) 作用為系統(tǒng)核心：檢測、數(shù)據(jù)處理、判斷、計(jì)算、控制、報(bào)警等。 機(jī)型：STD總線機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、8位或16位或32位單片機(jī)等。 2、I/O接口 并行接口8255或8155 串

5、行接口8251等 直接數(shù)據(jù)傳輸控制器8237 中斷控制器8259 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8253 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809等 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832等,,1.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（3）,3、通用外部設(shè)備 作用：顯示、打印、存儲、傳輸數(shù)據(jù)。 4、檢測元件作用：對各種信息進(jìn)行采集，將非電信號、非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號

6、（0---5V或4---20mA）。器件：各種傳感器、變送器5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用：根據(jù)控制信號進(jìn)行動作，如改變轉(zhuǎn)速、流量、溫度等。設(shè)備：電動的、氣動的、液壓傳動的等。 6、操作臺作用：實(shí)現(xiàn)人---機(jī)對話，進(jìn)行各種操作組成：功能鍵、數(shù)字鍵、開關(guān)、按鈕、LED數(shù)碼管或CRT顯示器。,,1.1 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成（4）,1.1.2 微型機(jī)控制系統(tǒng)軟件這里所說的微型機(jī)控制系統(tǒng)軟件，指的是應(yīng)用軟

7、件。其功能結(jié)構(gòu)為： 1、過程監(jiān)控 包括的程序有：巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警、操作面板服務(wù)、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、判斷、過程分析等。 2、過程控制計(jì)算 包括的程序有：控制算法（PID算法、最優(yōu)控制、串級調(diào)節(jié)、比值調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)、系統(tǒng)辯識等）、事故處理、信息管理（信息生成與管理、文件管理、輸出、打印、顯示等）。 3、公共服務(wù) 包括的程序有：

8、基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編輯等。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（1）,所采用的控制系統(tǒng)與具體的過程、對象有關(guān)，可以分為6類。1.2.1 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) “操作指導(dǎo)”是指計(jì)算機(jī)輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象，而只是對系統(tǒng)過程參數(shù)進(jìn)行收集、加工處理，然后輸出數(shù)據(jù)，操作人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的操作。 該系統(tǒng)的特點(diǎn)是較簡單、安全可靠。常用于試驗(yàn)調(diào)試過程。

9、 該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是要人工操作，速度不能太快、操作不能太多。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（2）,1.2.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） DDC（Direct Digital Control）是用一臺微機(jī)對多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再按PID規(guī)律或直接數(shù)字控制方法進(jìn)行控制運(yùn)算，然后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。 如右圖

10、所示。 DDC控制的特點(diǎn)：可一機(jī) 多控，經(jīng)濟(jì)、靈活、可靠。 可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制，如串 級、前饋、自選控制、大滯 后控制等。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（3）,1.2.3 計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SCC）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（Supervisory Computer Control）簡稱為SCC。 1、計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)SCC 在S

11、CC系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)按照生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳給定值，將其值送給模擬調(diào)節(jié)器或DDC計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)過程。 2、SCC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與問題 優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行給定值控制、順序控制、最優(yōu)控制和自適應(yīng)控制等。是操作指導(dǎo)系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 問題：由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，其數(shù)學(xué)模型的建立比較困難，因此該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較困難。 3、SCC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)

12、（一般模擬調(diào)節(jié)器其給定值不變） SCC+DDC的控制系統(tǒng)（比一般DDC系統(tǒng)靈活方便）,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（4）,計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)如下圖所示,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（5）,1.2.4 分布控制系統(tǒng)（DCS） 分布控制系統(tǒng)（Distributed Control System）也稱集散控制系統(tǒng)。 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由三級組成：底層的分散過程控制級（DDC）

13、、中間層的監(jiān)督控制級（SCC）、上層的生產(chǎn)管理級（MIC）。 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。 2、各級功能 分散過程控制級DDC，用于直接生產(chǎn)控制，完成數(shù)據(jù)采集、順序控制或某一閉環(huán)控制，向監(jiān)控級發(fā)送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控級來的信息。該級由多個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的工作站組成。 監(jiān)督控制級SCC，任務(wù)是對生產(chǎn)過程的監(jiān)視與操作，與管理級、分散控制級傳送數(shù)據(jù)和指令。

14、 管理級MIC（Manage information Control），是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接受管理者的指令；對信息進(jìn)行存儲與管理；給管理者提供各種信息與報(bào)表；根據(jù)下級提供的信息及生產(chǎn)任務(wù)要求，選擇數(shù)學(xué)模型和控制策略，對下一級下達(dá)指令等。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（6）,3、分布控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、系統(tǒng)規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠，能提高自動化水

15、平、管理水平等、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低消耗，創(chuàng)造最佳經(jīng)濟(jì)效益社會效益等。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（7）,1.2.5 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS） CIMS是“Computer Integrated Manufacturing System”的縮寫。 1、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的概念 CIMS是把企業(yè)的計(jì)劃、采購、生產(chǎn)、銷售等各個(gè)環(huán)節(jié)作為整體，將其信息進(jìn)行采集、傳遞、加工

16、、協(xié)調(diào)、回控，做整體優(yōu)化決策。 CIMS體現(xiàn)了一種對企業(yè)生產(chǎn)過程與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的新哲理。 2、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的結(jié)構(gòu) CIMS采用的是多任務(wù)、分層體系結(jié)構(gòu)。 有多種結(jié)構(gòu)方案，如五層遞階控制結(jié)構(gòu)、面向集成平臺的CIMS結(jié)構(gòu)、連續(xù)型CIMS結(jié)構(gòu)和局域網(wǎng)型CIMS結(jié)構(gòu)等。其基本思想都是“遞階控制（Hierarchical Control）”。 遞階控制是一種把所需完成的任

17、務(wù)按層次分級的層狀或樹狀的命令/反饋控制方式。高一級的控制次一級的，次一級的功能更具體。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（8）,圖1-7為清華大學(xué)CIMS工程技術(shù)研究中心提出的四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)。工廠/車間層：主要是預(yù)測、規(guī)劃、生產(chǎn)計(jì)劃。 單元層(如一個(gè)流水線)：主要是制定詳細(xì)計(jì)劃、工藝過程、對工作站進(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控等。 工作站層(具體的控制部分) ：控制設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。 設(shè)備層 ：

18、生產(chǎn)設(shè)備。,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（9）,1.2.6 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS （Fieldbus Control System）是分布控制系統(tǒng)（DCS）的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 1、結(jié)構(gòu) 是一種用數(shù)字通信協(xié)議連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 簡言之，是一種用數(shù)字局域網(wǎng)絡(luò)連接起來的分布式控制系統(tǒng)。

19、,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（10）,2、采用的技術(shù) 控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 3、特點(diǎn) 1）數(shù)字化的信息傳輸2）分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3）方便的互操作性4）開放的互連網(wǎng)絡(luò) 5）多種傳輸媒介的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 4、FCS系統(tǒng)的基本設(shè)備 現(xiàn)場總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)備稱為現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表。基本設(shè)備有：

20、1）傳感器變送器、2）執(zhí)行器 3）服務(wù)器和網(wǎng)橋、 4）輔助設(shè)備 5）監(jiān)控設(shè)備,,1.2 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類（11）,現(xiàn)場總線系統(tǒng)與分布控制系統(tǒng)的區(qū)別，前者為一條總線連接，后者為星形連接。,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（1）,1.3.1 微機(jī)控制系統(tǒng)種類 按被控對象的規(guī)?？煞譃橐韵?種 一、單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microc

21、omputer) 特點(diǎn)：用于自行開發(fā)控制系統(tǒng)，方便、靈活、成本低，可用低級語言、也可用高級語言編程。 與微機(jī)相比其特點(diǎn)： 1、集成度高、功能強(qiáng) 在一個(gè)芯片上，集成有計(jì)算機(jī)的5部分功能。 2、結(jié)構(gòu)合理 為哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨(dú)立。1）容量大（16位地址線時(shí)，有64K的程序存儲器和

22、64K的數(shù)據(jù)存儲器）、2）速度快（可達(dá)40MHz及以上）。 3、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（2）,4、指令豐富 有數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移、位指令等。,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（3）,二、可編程邏輯控制器（PLC） 可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller）簡稱為PL

23、C。是繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。在工廠自動化中有廣泛應(yīng)用。 1、PLC的功能條件控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、順序控制、A/D及D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通信與連網(wǎng)功能等。2、PLC的特點(diǎn)可靠性高、編程容易、組合靈活、輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便、運(yùn)行速度快等。,,3、PLC的分類 低檔類：以開關(guān)量為主，內(nèi)部有200多個(gè)繼電器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等資源。 中檔

24、類：繼電器數(shù)目更多（達(dá)512）、增加有模擬量接口，軟件上增加有PID運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換等。 高檔類：控制點(diǎn)數(shù)達(dá)1000以上，具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)功能，具有通信和連網(wǎng)能力，顯示器用CRT，接近工業(yè)PC的功能。,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（4）,三、STD總線工業(yè)控制機(jī) STD（Standard）總線工業(yè)控制機(jī)，是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 1、ST

25、D的特點(diǎn) 1）小板結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì) 165.1mm*114.3mm；每一模塊有一兩個(gè)功能，如CPU、A/D、D/A、開關(guān)量I/O、電機(jī)控制等。 2）標(biāo)準(zhǔn)化及兼容性 3）面向I/O設(shè)計(jì) 其總線是面向I/O端口的，可擴(kuò)展20塊I/O模塊。 4）高可靠性 能適應(yīng)惡劣環(huán)境、抗干擾力強(qiáng)、Watchdog監(jiān)控、掉電保護(hù)等。,,1

26、.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（5）,1.3 （6）,2、STD總線工業(yè)控制機(jī) 的系統(tǒng)組成 系統(tǒng)由總線母板機(jī)架、微處理器板、存儲器板、及其它控制板組成。,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（7）,四、工業(yè)PC機(jī) 是一種采用STD總線工業(yè)控制機(jī)結(jié)構(gòu)的個(gè)人微型計(jì)算機(jī)。 1、特點(diǎn) 模塊化結(jié)構(gòu)、軟件資源極其豐富、軟件開發(fā)容易、使用方便等。

27、 2、工業(yè)PC機(jī)與個(gè)人PC的區(qū)別 1）變主板為通用的底板總線插座板 2）模塊化插件板，如CPU板、I/O板、A/D、D/A板等。 3）電源改為工業(yè)電源 4）機(jī)箱密封，并采用正壓送風(fēng) 5）配有工業(yè)應(yīng)用軟件,,微機(jī)控制系統(tǒng)的選用原則 1）對于小型控制系統(tǒng)、智能化儀器、智能化接口盡量采用單片機(jī)，并自己設(shè)計(jì)。 2）對于一個(gè)產(chǎn)品或用量較大的設(shè)備，應(yīng)采用單片機(jī)并自行設(shè)計(jì)。

28、 3）對于中等規(guī)模的控制系統(tǒng)，為了加快開發(fā)速度，應(yīng)選用現(xiàn)成的工業(yè)控制機(jī)。如PLC、STD機(jī)等，應(yīng)用軟件可自己開發(fā)。 4）對于大型的工業(yè)控制系統(tǒng)，最好選用工業(yè)PC機(jī)、專用集散控制系統(tǒng)，軟件可用高級語言開發(fā)。,,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（8）,1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)概況及發(fā)展趨勢（9）,1.3.2 微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1、大力推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)

29、 可編程控制器（PLC）、智能化調(diào)節(jié)器 （溫度、速度等調(diào)節(jié)器） 集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS） 現(xiàn)場總線系統(tǒng)（FCS）將成為微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向 2、大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 分級遞階智能控制系統(tǒng)，是一種智能化的分級控制系統(tǒng)，系統(tǒng)一般分為組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級 模糊控制系統(tǒng)，是一種應(yīng)用模糊集合理論的控制方法

30、。 專家控制系統(tǒng)，是工程控制理論與專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)。 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，能夠獲得信息、積累經(jīng)驗(yàn)、自行決策與完善的系統(tǒng)。 3、單片機(jī)的應(yīng)用更加深入 將在智能化儀器、家電、中小型工業(yè)控制等方面得到更廣泛的應(yīng)用。,,課程參考書,1.  《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》 李錫雄等 編著，科學(xué)出版社，1999年8月2. 《微機(jī)控制技術(shù)》

31、 馮根生等 編著，中科大出版社，2002年9月3．《自動控制原理》 劉舒 編著，中國人民公安大學(xué)出版社，2002年1月4．《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》 李朝青 編著，北京航空航天大學(xué)出版社，2000年3月,,5． 《80X86匯編語言程序設(shè)計(jì)教程》 楊季文等 編著，清華大學(xué)出版社，2000年6月 6. 《微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》 戴梅萼 史嘉權(quán)編著，清華大學(xué)出版社，20