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,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,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,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。,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,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。,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。,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。,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。,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）,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,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。,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。,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。,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。,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。,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,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。,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,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。,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。,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,）,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.