技术概述微型计算机控制技术研究的内容及

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第5章 微型计算机控制技术概述,微型计算机控制技术研究的内容及特点,研究的内容：,主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术,、测量技术、信号处理技术,等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。,主要的特点：,1）理论性强,：应用各种控制理论、信号处理理论等,2）综合性强,：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术,、测量技术、信号处理技术,、电子技术等,3）实践性强,：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等,4）理论与实践相结合,5）实用性强,6）应用广泛等,1,第5章 微型计算机控制技术概述,计算机控制技术发展迅速,1、近30年计算机发展迅速,微机、单片机，从8位机到32位、64位机，主频从几兆到几千兆，集成度达数千万只晶体管，可靠性提高、体积小、功耗低。,2、计算机控制系统发展迅速,应用机型：,单板机、单片机、STD总线工控机、工业PC机,控制方式：,从单机控制到集散控制、现场总线网络控制,应用范围：,从大型企业到一般企业,控制对象：,从生产过程到检测设备一般的仪器仪表,2,第5章 微型计算机控制技术概述,本章主要内容,1.1 微型计算机控制系统组成,1.2 微型计算机控制系统分类,1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,3,5.1,微型计算机控制系统组成（1）,微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测部件、执行机构、外部通用设备等五部分组成。如图1-1所示。,4,5.1,微型计算机控制系统组成（2）,1.1.1,微型机控制系统硬件结构,系统硬件主要由以下5部分构成,1、主机,作用,为系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。,选型,：,STD总线机、工业PC机、8位或16位或32位单片机等。,2、I/O接口,并行接口8255或8155,串行接口8251等,直接数据传输控制器8237,中断控制器8259,定时器/计数器8253,A/D转换器ADC0809等,D/A转换器DAC0832等,5,1.1,微型计算机控制系统组成（3）,3、通用外部设备,作用：,显示、打印、存储、传输数据。,4、检测元件,作用：,对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0-5V或4-20mA）。,器件：,各种传感器、变送器,5、执行机构,作用：,根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。,设备：,电动的、气动的、液压传动的等。,6、操作台,作用：,实现人-机对话，进行各种操作,组成：,功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器。,6,1.1,微型计算机控制系统组成（4）,1.1.2,微型机控制系统软件,这里所说的微型机控制系统软件，指的是应用软件。其功能结构为：,1、过程监控,包括的程序有：,巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。,2、过程控制计算,包括的程序有：,控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。,3、公共服务,包括的程序有：,基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,7,1.2,微型计算机控制系统分类（1）,所采用的控制系统与具体的过程、对象有关，可以,分为6类,。,1.2.1,操作指导控制系统,“操作指导”,是指计算机输出不直接用来控制生产对象，而只是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必要的操作。,该系统的,特点,是较简,单、安全可靠。常用于,试验调试过程。,该系统的,缺点,是要人,工操作，速度不能太快、,操作不能太多。,8,1.2,微型计算机控制系统分类（2）,1.2.2 直接数字控制系统（,DDC,）,DDC,（Direct Digital Control）是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。,如右图所示。,DDC控制的特点,：,可一机,多控，经济、灵活、可靠。,可实现各种复杂控制，如串,级、前馈、自选控制、大滞,后控制等。,9,1.2,微型计算机控制系统分类（3）,1.2.3 计算机监督系统（,SCC,）,计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称为SCC。,1、计算机监督系统SCC,在SCC系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。,2、SCC系统的优点与问题,优点：,可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应控制等。是操作指导系统和DDC系统的综合与发展。,问题：,由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，因此该系统实现比较困难。,3、SCC系统的结构,SCC+模拟调节器的控制系统,（一般模拟调节器其给定值不变）,SCC+DDC的控制系统,（比一般DDC系统灵活方便）,10,1.2,微型计算机控制系统分类（4）,计算机监督系统的两种结构如下图所示,11,1.2,微型计算机控制系统分类（5）,1.2.4 分布控制系统（,DCS,）,分布控制系统（Distributed Control System）,也称集散控制系统,。,1、系统结构,由三级组成：,底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。 是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。,2、各级功能,分散过程控制级DDC，,用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。,监督控制级SCC，,任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。,管理级MIC（Manage information,Control,），,是,整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。,12,1.2,微型计算机控制系统分类（6）,3、分布控制系统的特点,通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。,13,1.2,微型计算机控制系统分类（7）,1.2.5 计算机集成制造系统（,CIMS,）,CIMS是“Computer Integrated Manufacturing System”的缩写。,1、计算机集成制造系统CIMS的概念,CIMS,是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整体，将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控，做整体优化决策。,CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理,。,2、计算机集成制造系统CIMS的结构,CIMS采用的是多任务、分层体系结构,。,有多种结构方案,，如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMS结构、连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等。其基本思想都是“递阶控制（Hierarchical Control）”。,递阶控制,是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令/反馈控制方式。高一级的控制次一级的，次一级的功能更具体。,14,1.2,微型计算机控制系统分类（8）,图1-7为清华大学CIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构。,工厂/车间层：,主要是预,测、规划、生产计划。,单元层,(如一个流水线),：,主要是制定详细计划、工,艺过程、对工作站进行调,度和监控等。,工作站层,(具体的控制部,分),：,控制设备进行生产。,设备层 ：,生产设备。,15,1.2,微型计算机控制系统分类（9）,1.2.6 现场总线控制系统（,FCS,）,现场总线系统FCS （Fieldbus Control System）是分布控制系统（DCS）的更新换代产品。,1、结构,是一种用数字通信协议,连接智能现场设备和自动,化系统的数字式、全分散,、双向传输、多分支结构,的通信网络。,简言之，是一种用数字,局域网络连接起来的分布,式控制系统。,16,1.2,微型计算机控制系统分类（10）,2、采用的技术,控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术,3、特点,1）数字化的信息传输2）分散的系统结构,3）方便的互操作性,4）开放的互连网络,5）多种传输媒介的拓扑结构,4、FCS系统的基本设备,现场总线的,节点设备称为现场设备或现场仪表,。基本设备有：,1）传感器变送器、2）执行器,3）服务器和网桥、 4）辅助设备,5）监控设备,17,1.2,微型计算机控制系统分类（11）,现场总线系统与分布控制系统的区别，前者为一条总线连接，后者为星形连接。,18,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（1）,1.3.1 微机控制系统种类,按被控对象的规模可分为以下4种,一、单片微型计算机,(Single Chip Microcomputer),特点：用于自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低级语言、也可用高级语言编程。,与微机相比其特点：,1、集成度高、功能强,在一个芯片上，集成有计算机的5部分功能。,2、结构合理,为哈佛（Harvard）结构，,即数据存储器与程序存储器相互独立。,1）,容量大,（16位地址线时，有64K的程序存储器和64K的数据存储,器）、2）,速度快（可达40MHz及以上）,。,3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低,19,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（2）,4、指令丰富,有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等。,20,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（3）,二、可编程逻辑控制器（PLC）,可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller）简称为PLC,。是继电器逻辑控制系统与微机相结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。,1、PLC的功能,条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、A/D及D/A转换、数据处理、通信与连网功能等。,2、PLC的特点,可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。,21,3、PLC的分类,低档类,：以开关量为主，内部有200多个继电器、定时器/计数器等资源。,中档类,：继电器数目更多（达512）、增加有模拟量接口，软件上增加有PID运算、数学运算、数制转换等。,高档类,：控制点数达1000以上，具有计算、控制和调节功能，具有通信和连网能力，显示器用CRT，接近工业PC的功能。,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（4）,22,三、STD总线工业控制机,STD（Standard）总线工业控制机，是一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统。,1、STD的特点,1）小板结构模块化设计,165.1mm,*114.3mm,；每一模块有一两个功能，如CPU、A/D、D/A、开关量I/O、电机控制等。,2）标准化及兼容性,3）面向I/O设计,其总线是面向I/O端口的，可扩展20块I/O模块。,4）高可靠性,能适应恶劣环境、抗干扰力强、Watchdog监控、掉电保护等。,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（5）,23,1.3,（6）,2、STD总线工业控制机,的系统组成,系统由总线母板机架、微处,理器板、存储器板、及其它控,制板组成。,24,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（7）,四、工业PC机,是一种采用STD总线工业控制,机结构的个人微型计算机。,1、特点,模块化结构、软件资源极其丰,富、软件开发容易、使用方便等。,2、工业PC机与个人PC的区别,1）变主板为通用的底板总线插座板,2）模块化插件板，如CPU板、,I/O板、A/D、D/A板等。,3）电源改为工业电源,4）机箱密封，并采用正压送风,5）配有工业应用软件,25,微机控制系统的选用原则,1）对于小型控制系统、智能化仪器、智能化接口尽量采用单片机，并自己设计。,2）对于一个产品或用量较大的设备，应采用单片机并自行设计。,3）对于中等规模的控制系统，为了加快开发速度，应选用现成的工业控制机。如PLC、STD机等，应用软件可自己开发。,4）对于大型的工业控制系统，最好选用工业PC机、专用集散控制系统，软件可用高级语言开发。,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（8）,26,1.3,微机控制系统概况及发展趋势（9）,1.3.2 微机控制系统的发展趋势,1、大力推广应用成熟的先进技术,可编程控制器（PLC）、智能化调节器,（温度、速度等调节器）,集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）,现场总线系统（FCS）将成为微机控制系统发展的方向,2、大力研究和发展智能控制系统,分级递阶智能控制系统，,是一种智能化的分级控制系统，系统一般分为组织级、协调级、执行级,模糊控制系统，,是一种应用模糊集合理论的控制方法。,专家控制系统，,是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统。,学习控制系统，,能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统。,3、单片机的应用更加深入,将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用。,27,