第1章計算機控制系統(tǒng)的基本概念

1、第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 第第1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 1.2 計算機控制系統(tǒng)的一般構成計算機控制系統(tǒng)的一般構成 1.3 微機控制系統(tǒng)的分類微機控制系統(tǒng)的分類1.4 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展1.5 工業(yè)控制機的組成及特點工業(yè)控制機的組成及特點1.6 工業(yè)控制機的總線結構工業(yè)控制機的總線結構 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.1 自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制系統(tǒng)的基本概念 古典控制理論：- 20世紀40年代發(fā)展起來；-

2、 頻率法（幅頻特性和相頻特性）和根軌跡法（穩(wěn)定性分析）；- 適于單輸入單輸出的線性自動控制系統(tǒng)；現(xiàn)代控制理論：為數(shù)字計算機應用于自動控制領域創(chuàng)造了條件 - 20世紀60年代逐漸形成；- 以狀態(tài)空間法為基礎；- 適于多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的時變系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)以及最優(yōu)控制系統(tǒng)等。 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 ug12uaijn3 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) ugn功 率放 大 器直 流電 動 機工 作機 械直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理圖 當電動機的負載轉(zhuǎn)矩變化很小，系統(tǒng)元件特性比較穩(wěn)定時，所示的控制系統(tǒng)可以滿足預期的要求。否

3、則，電動機的實際轉(zhuǎn)速與期望值相比將有較大的誤差。為了克服或減小負載轉(zhuǎn)矩變化對轉(zhuǎn)速的影響，可以采用干擾補償?shù)霓k法，但是，采用干擾補償?shù)南到y(tǒng)一般不能解決由于元件特性不穩(wěn)定所產(chǎn)生的輸出誤差。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng) 功 率放 大 器uguaijnub測 速 發(fā) 電 機 n干 擾 轉(zhuǎn) 矩n功 率放 大 器直 流電 動 機工 作機 械加 法 器ug測 速發(fā) 電 機帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)原理圖帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)則可以減小或消除由各種因素所引起的轉(zhuǎn)速變化。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 隨

4、動控制系統(tǒng)示意圖 uaijnuecuur12ri減速器輸入軸輸出軸rue電位器(比較器)放大器電動機減速器uac隨動系統(tǒng)的原理圖（例：輪船主機轉(zhuǎn)速控制）第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 自動控制系統(tǒng)的基本組成 控 制 裝 置干擾給定值(參考輸入)偏差(誤差)被控量(輸出) 被控對象檢測裝置控制器放大元件執(zhí)行機構反饋控制裝 置第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 自動控制系統(tǒng)的類型： 恒值系統(tǒng)：給定值是恒定值（輪船主機定速控制）； 隨動系統(tǒng)：給定值(控制指令)是事先未知的時間函數(shù)的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)（火炮控制）；程序控制系統(tǒng)：控制指令已預

5、先知道的系統(tǒng)（自動包裝線）； 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或鎮(zhèn)定系統(tǒng)：如前面所示的帶偏差控制作用的速度控制系統(tǒng)是根據(jù)偏差產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，使被控量保持恒定的（商店室溫控制）。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 自動控制的基本方式： 開環(huán)控制：被控量(輸出)不影響系統(tǒng)控制的控制方式稱為開環(huán)控制（打出去的炮彈）；給定值被控量控制器執(zhí)行機構被控對象 當被控對象或控制裝置受到干擾，或者在工作過程中元件特性發(fā)生變化而影響被控量時，系統(tǒng)不能進行自動補償，被控制精度難以保證。但是由于結構比較簡單，在控制精度要求不高或者元件工作特性比較穩(wěn)定而干擾又很小的場合應用比較廣泛。第第1

6、1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 閉環(huán)控制：被控量參與系統(tǒng)控制。干 擾給 定 值被 控 量控 制 器執(zhí) 行機 構被 控對 象檢 測裝 置閉環(huán)控制從原理上提供了實現(xiàn)高精度控制的可能性，它對控制元件的要求比開環(huán)控制的低。但與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)設計比較麻煩，結構也比較復雜，因而成本較高。閉環(huán)控制是自動控制中廣泛采用的一種控制方式。當控制精度要求較高，干擾影響較大時，一般都采用閉環(huán)控制。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 對控制系統(tǒng)的基本要求：穩(wěn)定性：系統(tǒng)被控量偏離給定值而振蕩時，系統(tǒng)抑制振蕩的能力；快速性：被控量趨近希望值的快慢程度；

7、精確性：過渡過程結束后，被控量與希望值接近的程度。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.2 計算機控制系統(tǒng)的一般構成計算機控制系統(tǒng)的一般構成計算機給定值被控量數(shù) 字控制器模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換執(zhí)行機構被控對象檢測裝置計算機控制系統(tǒng)的結構與前面介紹的反饋控制系統(tǒng)十分相似，只是將控制器由數(shù)字控制器來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)（火焰切割機）第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制系統(tǒng)的控制過程包括以下四個方面： (1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控制

8、量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結果輸入到計算機； (2)實時決策：對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，稱為(實時)決策； (3)實時控制：根據(jù)實時決策結果，適時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號；(4) 信息管理：結合網(wǎng)絡技術和控制策略，實現(xiàn)信息共享和管理（例如：數(shù)據(jù)庫技術）。測、算、控、管第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 實時滿足實時性：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間(采樣間隔)內(nèi)完成。實時控制：計算機能夠在工藝要求的時間范圍內(nèi)及時對被控參數(shù)進行測量、計算和控制輸出。在線 在線方式：生產(chǎn)過程與計算機直接相接并受控于計算機

9、，也稱為聯(lián)機方式；離線方式：生產(chǎn)過程不與計算機相接且不受控于計算機，而靠人聯(lián)系并實施操作，也稱為脫機方式；實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制的優(yōu)點： (1)可以消除常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器的許多難以克服的缺點，如不存在模擬調(diào)節(jié)器的漂移問題，參數(shù)整定范圍寬，可以數(shù)字濾波等；(2)使用靈活，便于實現(xiàn)特殊的控制規(guī)律，如修改部分程序就能改變調(diào)節(jié)規(guī)律，而無需改變硬件設備，甚至可以在線改變控制方案。因而可以在不增加硬件設備的情況下逐步提高控制水平。(3)具有增加控制回路而不會顯著地增加費用的特點，還可實現(xiàn)打印、制表、報警、顯示等附加功能。 第第1

10、1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)硬件：過程相關設備：傳感器、執(zhí)行器軟件：控制軟件及系統(tǒng)軟件；*計算機通信網(wǎng)絡：*其它設備：操作臺、檢測設備等；在各種計算機控制系統(tǒng)中，幾乎都是以微處理器為核心器件，因此計算機控制系統(tǒng)一般就是指微機控制系統(tǒng)。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機系統(tǒng)硬件：各種工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器(PLC)等 1)計算機主機： CPU+存儲器；2)接口：并行接口、串行接口和管理接口(包括中斷管理、直接存取DMA管理、計數(shù)/定時等)；3)輸入/輸出通道：計算機和生產(chǎn)過程之間信息傳遞和

11、交換的連接通道，這就是輸入/輸出通道，又稱過程通道；一般包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開關量輸入通道和開關量輸出通道；過程通道不能直接由主機控制，必須由接口傳送相應的信息和命令；4)通用外圍設備：鍵盤、鼠標等常用輸入設備，顯示器、打印機、記錄儀等常用輸出設備，磁盤、光盤等存儲設備；第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 過程相關設備1) 傳感器：工業(yè)對象的過程參數(shù)一般是非電物理量，必須經(jīng)過傳感器(又稱一次儀表)變換為等效的電信號。在微機控制系統(tǒng)中，為了收集和測量各種參數(shù)，廣泛采用了各種檢測元件和儀表，它們的主要功能是把被檢測的參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)換為電量。這些信號轉(zhuǎn)換

12、成統(tǒng)一的微機標準電平后再送入微機。檢測元件精度的高低直接影響微機控制系統(tǒng)的精度。2) 執(zhí)行器：為了控制生產(chǎn)過程，需要有執(zhí)行機構。常用的執(zhí)行機構有電動、液動和氣動等形式。動力電機和控制電機也是經(jīng)常用到的執(zhí)行機構； 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 軟件軟件是指能完成各種功能的微機程序的總和，如操作系統(tǒng)、監(jiān)控程序、管理程序、控制程序、計算和自診斷程序等。1) 系統(tǒng)軟件： DOS，Windows，Windows NT，UNIX等操作系統(tǒng)和專業(yè)化的軟件工作平臺（如匯編、編譯等語言加工軟件軟件和控制系統(tǒng)的編程軟件等）；2) 應用軟件和數(shù)據(jù)庫：應用軟件是用戶根據(jù)要解決的實際

13、問題而編寫的各種程序。在微機控制系統(tǒng)中，每個控制對象或控制任務都配有相應的控制程序，用這些控制程序來完成對各個控制對象的不同要求。在平衡系統(tǒng)硬件和軟件的性能和功能時，只有當確定系統(tǒng)硬件后，才能確定如何配制軟件。只有軟件和硬件相互有機配合，才能充分發(fā)揮微機的優(yōu)勢，研制出完善的微機控制系統(tǒng)。 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.3 微機控制系統(tǒng)的分類微機控制系統(tǒng)的分類按照功能結構對計算機控制系統(tǒng)分類1) 數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視系統(tǒng)（安防系統(tǒng)）2) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)（數(shù)控機床）(Direct Digital Control) 3) 微機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC)（鍋爐

14、） (Supervisory Computer Control)4) 集散控制系統(tǒng)(DCS) (Distributed Control System)及分級控制系統(tǒng)5) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)（PROFIBUS）(Fieldbus Control System)6) 計算機控制網(wǎng)絡 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng) 制 表顯 示報 警主 計 算 機A/D轉(zhuǎn)換采樣/變換并行接口被 控 對 象對大量的過程參數(shù)進行定時巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理、參數(shù)的越限報警及對大量數(shù)據(jù)進行積累和實時分析，按要求定時制表、打印或?qū)?shù)據(jù)處理的結

15、果記錄在外存儲器中，作為資料保存和供分析使用，最終對指導生產(chǎn)過程發(fā)揮一定作用。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 DDC系統(tǒng)框圖 給定值顯示/打印/記錄DDC計算機接 口接 口輸入通道檢 測輸出通道執(zhí)行機構被 控 對 象計算機參加閉環(huán)控制過程。用一臺微機對多個被控參數(shù)進行巡回檢測，將檢測結果與設定值進行比較，再根據(jù)規(guī)則進行控制運算，最后輸出到執(zhí)行機構對生產(chǎn)過程進行控制，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值上。計算機可完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID調(diào)節(jié)，且不需改變硬件，只通過改變軟件就可有效實現(xiàn)較復雜的控制算法。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本

16、概念 在DDC方法中，對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響的被控參數(shù)給定值是預先設定的，這個給定值不能根據(jù)過程條件和生產(chǎn)工藝信息的變化及時修改，因此DDC方式無法使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況。監(jiān)督控制(SCC)中的計算機根據(jù)工藝信息和其它參數(shù)，按照描述生產(chǎn)過程的數(shù)學模型或其它方法，自動改變模擬調(diào)節(jié)器或者DDC系統(tǒng)的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(如最低消耗、最低成本、最高產(chǎn)量等)。由于其作用是改變給定值，所以又稱SCC為給定值控制SPC(Set Point Control)。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 微機對各物理量進行巡回檢測并接收管理命令，按照一定的數(shù)學模型計算并

17、輸出給定值到模擬調(diào)節(jié)器。此給定值在模擬調(diào)節(jié)器中與檢測值進行比較，其偏差值經(jīng)模擬調(diào)節(jié)器計算后輸出到執(zhí)行機構，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。由此系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)情況的變化，不斷改變給定值，達到實現(xiàn)最優(yōu)控制的目的。該種系統(tǒng)特別適合老企業(yè)的技術改造工程，能夠充分利用原有的模擬調(diào)節(jié)器，又可實現(xiàn)最優(yōu)控制。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 兩級微機控制系統(tǒng)，一級為監(jiān)督級SCC，二級為控制級DDC。SCC的作用與SCC+模擬調(diào)節(jié)器中的SCC一樣，用來計算最佳給定值，SCC與DDC之間通過接口進行信息聯(lián)系。直接數(shù)字控制器DDC用來把給定值與測量值(數(shù)字量)進行比較，其偏差由DDC進行數(shù)字計算

18、，并實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構的調(diào)節(jié)控制作用。當DDC級計算機出現(xiàn)故障時，可由SCC計算機完成DDC的控制功能?？刂葡到y(tǒng)可靠性提高，使用更加靈活。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 DCS系統(tǒng)框圖 檢測控制基 本調(diào)節(jié)器監(jiān)督計算機CRT操縱臺高速數(shù)據(jù)通道基 本調(diào)節(jié)器被控對象檢測控制被控對象DCS采用分散控制和集中管理的控制理念與網(wǎng)絡化的控制結構，靈活地將控制設備、服務器、基礎自動化單元等聯(lián)系在一起。從綜合自動化角度出發(fā)，按功能分散、危險分散、管理集中和應用靈活等原則進行設計，具有高可靠性能，便于維修與更新。它以系統(tǒng)最優(yōu)化為目標，以微處理機為核心，與數(shù)據(jù)通信技術、CRT顯示、

19、人機接口技術和輸入/輸出接口技術相結合，廣泛用于數(shù)據(jù)采集、過程控制和生產(chǎn)管理第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 分級控制系統(tǒng)框圖被 控 對 象檢 測控 制設 備 級DDC管 理 指 令到 主 管 部 門 數(shù) 據(jù)銷 售 訂 貨 等 數(shù) 據(jù)市 場 動 向 信 息到 其 他 工 廠 生 產(chǎn) 運 輸 指 令存 儲 數(shù) 據(jù)來 自 其 他 工 廠 生 產(chǎn) 和 庫 存 信 息企 業(yè) 級 經(jīng) 營 管 理 計 算 機工 廠 級 集 中 監(jiān) 督 計 算 機車 間 級 監(jiān) 督 計 算 機車 間 級 監(jiān) 督 計 算 機檢 測被 控 對 象檢 測控 制設 備 級DDC檢 測微機控制系統(tǒng)不但

20、包含控制的功能，而且還包含生產(chǎn)管理和指揮調(diào)度的功能。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制網(wǎng)絡 SCn： 衛(wèi) 星 計 算 機CC中 央計 算 機SC4SC5SC6SC1SC2SC3由一臺中央計算機(CC)和若干臺衛(wèi)星計算機(SC)構成計算機網(wǎng)絡，中央計算機配置了齊全的各類外圍設備，各個衛(wèi)星計算機可以共享資源，網(wǎng)絡中的設備以及其他資源可以得到充分利用。各個衛(wèi)星機按照不同單元的功能要求由不同的微處理機進行操作控制；中央計算機用于協(xié)調(diào)各衛(wèi)星機之間的工作，并實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)督控制功能，還能進行最優(yōu)化計算和計劃、調(diào)度、庫存管理等工作。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基

21、本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 按照控制規(guī)律對計算機控制系統(tǒng)分類1) 程序控制和順序控制：程序控制是指被控量按照預先規(guī)定的時間函數(shù)變化，被控制量是時間的函數(shù)；順序控制則可以看作是程序控制的擴展，在各個時期所給出的設定值可以是不同的物理量，而且每次設定值的給出，不僅取決于時間，還取決于對以前的控制結果的邏輯判斷。2)比例積分微分控制(簡稱PID控制)：調(diào)節(jié)器的輸出是調(diào)節(jié)器輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。3)有限拍控制：有限拍控制的性能指標是調(diào)節(jié)時間最短，要求設計的系統(tǒng)在盡可能短的時間里完成調(diào)節(jié)過程。有限拍控制通常在數(shù)字隨動系統(tǒng)中應用。4)復雜規(guī)律的控制：針對生產(chǎn)過程的實際情況引入的各種復雜規(guī)律的控

22、制，如串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制以及最優(yōu)、自適應、自學習控制等。5)智能控制：人工智能、運籌學和控制理論相結合實現(xiàn)的綜合自動化系統(tǒng)。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.4 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展計算機技術的發(fā)展過程1) 開創(chuàng)時期(19551962)2) 直接數(shù)字控制時期(19621967)3) 小型計算機時期(19671972)4) 微型計算機時期(1972)第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 計算機控制理論的發(fā)展過程1) 采樣定理；2) 差分方程；3) Z變換法；4) 狀態(tài)空間理論；5)

23、 最優(yōu)控制與隨機控制；6) 代數(shù)系統(tǒng)理論；7) 系統(tǒng)辨識與自適應控制；第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 微機控制系統(tǒng)的發(fā)展1) 成熟先進技術的推廣(PLC、智能調(diào)節(jié)器、DCS、FCS)2) 智能控制系統(tǒng)研究（人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡）3) 微機控制系統(tǒng)深入發(fā)展第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 微機控制系統(tǒng)之成熟先進技術的推廣- 普及應用PLC- 廣泛使用智能調(diào)節(jié)器- 采用新型DCS和FCS第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 微機控制系統(tǒng)之智能控制系統(tǒng)研究- 分級階梯智能控制系統(tǒng)- 模糊控制系統(tǒng)-

24、專家控制系統(tǒng)- 學習控制系統(tǒng)- 神經(jīng)控制系統(tǒng)第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 微機控制系統(tǒng)之深入發(fā)展- 系統(tǒng)辨識（建立模型）- 最優(yōu)估計（狀態(tài)變量的估計）- 最優(yōu)控制（控制參數(shù)的最優(yōu)選擇）第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 系統(tǒng)辨識工業(yè)過程的數(shù)學模型可通過過程的機理分析或?qū)嶒灉y試的方法獲得，分別稱為機理模型和實驗模型。系統(tǒng)辨識把工業(yè)過程看作“黑盒子”，僅憑借過程的輸入輸出的測試數(shù)據(jù)，應用數(shù)學方法決定模型的結構和參數(shù)。若機理建模提供了模型的結構，測試數(shù)據(jù)只決定其中的未知參數(shù)，則稱為參數(shù)識別或參數(shù)估計。適應性控制就是當系統(tǒng)特性隨著負荷、

25、物料性質(zhì)和操作條件的改變而改變時，為了達到系統(tǒng)的最優(yōu)控制，要隨時改變控制結構與參數(shù)，以適應變化了的工況，保持給定的控制指標，因此要求在線實時識別過程模型，以新測數(shù)據(jù)為依據(jù)，用迭代方法為手段，不斷更新模型的結構與參數(shù)。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 最優(yōu)估計工業(yè)過程中，除了可測的輸入輸出參數(shù)外，還有無法測量而又對過程操作具有重要意義的參數(shù)?，F(xiàn)代控制理論引入了系統(tǒng)的狀態(tài)空間與狀態(tài)向量的概念，可通過適當選擇，將那些不可測的變量定義為狀態(tài)向量中的元素。狀態(tài)估計就是以過程數(shù)學模型為基礎，依據(jù)輸入輸出的在線測量數(shù)據(jù)來估計不可測的狀態(tài)變量。對于隨機過程，由于測到的輸入輸出信

26、息和模型本身都會被噪聲污染，其真實狀態(tài)的估計就是最優(yōu)狀態(tài)估計。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 最優(yōu)控制生產(chǎn)過程中，常會要求以最少的消耗(能量或物料)達到最大的實效。對于大型企業(yè)就存在大系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。最優(yōu)控制一般采用動態(tài)規(guī)劃、變分法與極大值原理等方法。一個典型的高級控制系統(tǒng)可以過程模型為基礎，包括在線參數(shù)估計、模型參數(shù)的自適應修正、卡爾曼濾波或狀態(tài)估計的微機綜合控制模式等。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.5 工業(yè)控制機的組成及特點工業(yè)控制機的組成及特點工業(yè)控制機的硬件組成第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控

27、制系統(tǒng)的基本概念 系統(tǒng)支持. Watchdog：. 電源監(jiān)測：MAX708. 掉電保護：電擦除可編程只讀存儲器EEPROM(X24F008)非易失性隨機存儲器NOVRAM(X20C04)非易失性數(shù)控電位器EEPOT(X9311)閃存器FLASH. 實時時鐘：DS1287,DS12887第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 X25045 ：將可編程看門狗、電壓監(jiān)控、E2PROM集于一體的多功能芯片X25045有一個狀態(tài)寄存器，可以用來提供X25045的狀態(tài)信息以及設置塊保護和看門狗的超時功能。WIP：寫進程狀態(tài)位；WEL：寫使能鎖存器的狀態(tài)位；可以由指令進行復位和置位

28、操作。寫使能鎖存器被復位時向其寫操作被禁止。BL0，BL1：確定E2PROM的塊保護地址范圍；WD0，WD1：看門狗超時功能設定位，可以設置不同的周期（典型值1.4 s、600 ms、200 ms）.當WD0和WD1同時為1時，功能被禁止。芯片引腳功能定義： 1 CS 芯片選擇輸入 2 SO串行輸出 3 -WP寫保護輸入 4 Vss地 5 SI串行輸入 6 SCK串行時鐘輸入 7 RESET 復位輸出 8 Vcc電源電壓第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 (1)串行輸入子程序unsigned char X25045Rece() unsigned char idat

29、a i;/定義變量 unsigned char idata var=0; for (i=0;i8;i+) /8位帶進位左移 var=1; /帶進位左移 sck=1 ; sck=0; /產(chǎn)生SCK脈沖 if (so) var+=1; /SO移進位位 return(var); /返回(2)串行輸出子程序void X25045Send(unsigned char var) unsigned char data i; for (i=0;i8;i+) / 8位字節(jié)輸出 sck=0; / 使SCK為低 si=(var&0 x80)?1:0; / 輸出高位 sck=1; / 使SCK為高 var=1

30、; / 左移1位 si=0; / 清SI(3)看門狗復位程序void Reset()cs=1;cs=0;cs=1; /CS脈沖復位看門狗(4)寫狀態(tài)寄存器子程序void Xwrite(unsigned char var, add) sck=0; / 使SCK為低電平 cs=0; / 芯片選擇有效 X25045Send(0 x02); / WREN指令 X25045Send(add); / 調(diào)輸出子程序 X25045Send(var); / 調(diào)輸出子程序 sck=0; / 使SCK為低電平 cs=1; / 芯片選擇無效 X25045wip-poll(); /看門狗時限子程序(5)讀狀態(tài)寄存器子程

31、序unsigned char XBRead(unsigned char add) unsigned char data i; sck=0; / 使SCK為低電平 cs=0; / 芯片選擇有效 X25045Send(0 x03); / READ指令 X25045Send(add); / 調(diào)輸出子程序 i=X25045Rece(); / 調(diào)輸入子程序 sck=0; / 使SCK為低電平 cs=1; / 芯片選擇無效 return(i); / 返回第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 DS12887實時時鐘(RTC)加RAM設計用于直接替代DS1287。在24引腳雙列直插

32、式封裝中整合了鋰電池、石英晶體以及寫保護電路，可替代典型應用中的16個元件。獨特之處在于能在沒有電源的情況下維持日歷與存儲信息。 直接替代IBM AT計算機時鐘/日歷 引腳與MC146818B與DS1287兼容 在沒有電源的情況下，可以在10年工作中保持完全非易失 包含鋰電池、石英晶體和支持電路的完備子系統(tǒng) 計算秒、分、時、星期、日、月、年信息，有效至2100年的閏年補償 用二進制或BCD表示時間、日歷和鬧鐘信息 配合AM、PM的12小時模式或24小時模式 夏令時選擇 可選擇Motorola或Intel總線時序 復用總線提高引腳利用率 軟件接口類似128個RAM地址 14字節(jié)時鐘與控制寄存器1

33、14字節(jié)通用RAM可編程方波輸出總線兼容的中斷信號(/IRQ) 三路中斷可分別通過軟件屏蔽與檢測 日歷鬧鐘可設置為每秒一次至每天一次周期中斷可設置在122ms至500ms時鐘刷新結束UL認證 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 磁盤接口- IDE(Integrated Drive Electronics):- ATA(AT Attachment) : defines the physical, electrical, transport, and command protocols for the internal attachment of storage de

34、vices. - ATAPI (AT Attachment Packet Interface) :- SATA(Serial ATA):- SCSI(Small Computer System Interface):第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 IDE interface pin assignmentsAbout IDE第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About Serial ATA第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About SCSI第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基

35、本概念 工業(yè)控制機的軟件組成第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 工業(yè)控制機的特點第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 1.6 1.6 工業(yè)控制機的總線結構工業(yè)控制機的總線結構總線就是一組信號線的集合，它定義了各引線的信號、電氣和機械特性，使計算機內(nèi)部各組成部分之間以及不同計算機之間藉此建立聯(lián)系，實現(xiàn)信息通信。 獨享共用！ 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 Bus TypeBus WidthBus SpeedMB/secISA16 bits8 MHz16 MBpsEISA32 bits8 MHz32 MBp

36、sVL-bus32 bits25 MHz100 MBpsVL-bus32 bits33 MHz132 MBpsPCI32 bits33 MHz132 MBpsPCI64 bits33 MHz264 MBpsPCI64 bits66 MHz512 MBpsPCI64 bits133 MHz1 GBps內(nèi)部總線：PC總線 早期PC總線對應8088CPU,為62線8位總線系統(tǒng)- ISA=Industry Standard Architecture- EISA=Extended Industry Standard Architecture - VL-bus=Vesa Local Bus (Vesa=V

37、ideo Electronics Standards Association)- PCI=Peripheral Component Interconnect 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 -ISA（industrial standard architecture）總線標準是IBM 公司1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數(shù)據(jù)總線要求。它在80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現(xiàn)在奔騰機中還保留有ISA總線插槽。ISA總線有98只引腳。 -EISA總線是1988年由Compaq等9家

38、公司聯(lián)合推出的總線標準。它是在ISA總線的基礎上使用雙層插座，在原來ISA總線的98條信號線上又增加了98條信號線，也就是在兩條ISA信號線之間添加一條EISA信號線。在實用中，EISA總線完全兼容ISA總線信號。 -VESA（video electronics standard association）總線是 1992年由60家附件卡制造商聯(lián)合推出的一種局部總線，簡稱為VL(VESA local bus)總線。它的推出為微機系統(tǒng)總線體系結構的革新奠定了基礎。該總線系統(tǒng)考慮到CPU與主存和Cache 的直接相連，通常把這部分總線稱為CPU總線或主總線，其他設備通過VL總線與CPU總線相連，所以

39、VL總線被稱為局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)線，且可通過擴展槽擴展到64位，使用33MHz時鐘頻率，最大傳輸率達132MB/s，可與CPU同步工作。是一種高速、高效的局部總線，可支持386SX、386DX、486SX、486DX及奔騰微處理器。 -PCI（peripheral component interconnect）總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司推出的一種局部總線。它定義了32位數(shù)據(jù)總線，且可擴展為64位。PCI總線主板插槽的體積比原ISA總線插槽還小，其功能比VESA、ISA有極大的改善，支持突發(fā)讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/s，可同時支持多組外圍設備。 PCI

40、局部總線不能兼容現(xiàn)有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發(fā)展的總線。 上述幾種系統(tǒng)總線一般都用于商用PC機中，在計算機系統(tǒng)總線中，還有另一大類為適應工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境而設計的系統(tǒng)總線，如STD總線、 VME總線、PC/104總線、Compact PCI等 。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About PC/104: Bus Signal Assignments早期PC總線第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About PC/104: Co

41、nnector Dimentions第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 PCI cards use 47 pins to connect (49 pins for a mastering card, which can control the PCI bus without CPU intervention).PCI-104不支持的部分About PCI: Pin ListCompact PCI是當今第一個采用無源總線底板結構的PCI系統(tǒng)，是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業(yè)組裝標準，是當今最新的一種工業(yè)計算機標準。Compact PCI是在原來PCI總線基

42、礎上改造而來，它利用PCI的優(yōu)點，提供滿足工業(yè)環(huán)境應用要求的高性能核心系統(tǒng)，同時還考慮充分利用傳統(tǒng)的總線產(chǎn)品，如ISA、STD、VME或PC/104來擴充系統(tǒng)的I/O和其他功能。第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About PCI: Application Structures第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 Plug and Play （PnP）PnP BIOS - The core utility that enables PnP and detects PnP devices. The BIOS also reads the

43、 ESCD for configuration information on existing PnP devices. Extended System Configuration Data (ESCD) - A file that contains information about installed PnP devices. PnP operating system - Any operating system, such as Windows 95/98/ME, that supports PnP. PnP handlers in the operating system comple

44、te the configuration process started by the BIOS for each PnP device. About PCI: PnP第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 內(nèi)部總線：STD總線 - 56根并行總線- 早期為8位總線系統(tǒng)，8根數(shù)據(jù)線/16根地址線-采用周期竊取和總線復用技術定義成16根數(shù)據(jù)線/24根地址線，升級為8位/16位微處理器兼容總線第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About STD: Bus Signal Assignments第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制

45、系統(tǒng)的基本概念 About STD: Card Example第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 外部總線：計算機之間或計算機與其它智能設備之間的通信總線- RS232C串行通信總線:EIA(Electronic Industries Association) 1960年提出，最新版本為EIA232E(1991年)。RS232C規(guī)定通信距離不大于15m，通信速率不大于20kbps。- IEEE-488并行通信總線:HP公司1970年提出HP-IB(Hewlett-Packard Interface Bus)，1975年IEEE以此為基礎制定IEEE-488標準接口

46、總線(GPIB: General-Purpose Interface Bus)。允許最多15臺設備互連，總線長度不超過20m，傳輸速率500kbps，最大1Mbps。DTE Data Terminal EquipmentDCEData Communications Equipment 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About RS232第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 About RS232第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 -RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Ind

47、ustry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每

48、米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。 -RS-485總線 。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485 串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。 RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。 -IEEE-488總線 是并行總線接口標準。IEEE-488總線用來連接系統(tǒng)，如微計算機、數(shù)字電壓表、數(shù)碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488總線裝配起來。它按照位并行、字節(jié)串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀器設備直接并聯(lián)于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為20米，信號傳輸速度一般為500KB/s，最大傳輸速度為1MB/s。 第第1 1章章 計算機控制系統(tǒng)的基本概念計算機控制系統(tǒng)的基本概念 其它串行設備總線-I2C（Inter-IC）總線10多年前由Philips公司推出，是近年來