2022年《微型計算機控制技術(shù)》教案

1、第 周 第 次課 年 月 日 章 節(jié) 名 第 1 章 運算機把握系統(tǒng)概述 稱 授 課 理論課（ * ）；實踐課（ ）；實習 教 學 2方 （ ） 時 數(shù) 式 教 學 目 的 及 1.明白運算機把握系統(tǒng)的構(gòu)成原理 2.明白運算機把握系統(tǒng)硬件組成與軟件組成； 3. 初步熟識微型運算機把握系統(tǒng)分類與裝置種類 要 求 教 學 重 重點 ：運算機把握系統(tǒng)硬件組成與軟件組成； 點 與 難點：運算機把握系統(tǒng)分類與裝置種類 難 點 教 學 手 介紹,爭辯與多媒體 段 復 習 思 考 題 教 學 主 要 內(nèi) 容 時間 支配 運算機把握系統(tǒng)的構(gòu)成原理 運算機把握系統(tǒng)硬件組成與軟件組成； 初步熟識微型運算機把握系統(tǒng)

2、分類與裝置種類 小結(jié) （15） （30） （35） （5） 1運算機把握系統(tǒng)與常規(guī)外表把握系統(tǒng)的主要異同點是什么？ 2分析說明圖 1-3 運算機把握系統(tǒng)的硬件組成及其作用； 3運算機把握系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成？ 4按把握方案來分,運算機控系統(tǒng)劃分成那幾大類？ 5運算機把握裝置可以分成哪幾種機型？ 本章概要介紹了運算機把握系統(tǒng)的構(gòu)成原理,硬件組成與軟件組成；分別 小 從運算機把握系統(tǒng)的把握方案與裝置種類這兩個不同的角度爭辯分析了 運結(jié) 算機把握系統(tǒng)的分類； 本書將在本章的基礎(chǔ)上漸次對運算機把握系統(tǒng)的 各個組成部分開放爭辯； 第 1 頁,共 11 頁第 1 章 : 緒論 隨著科學技術(shù)的進步, 人

3、們越來越多地用運算機來實現(xiàn)把握系統(tǒng)； 近幾年來, 運算機技術(shù), 自動把握技術(shù), 檢測與傳感技術(shù), CRT 顯示技術(shù), 通信與網(wǎng)絡技術(shù), 微電子技術(shù)的高速進展,促進了運算機把握技術(shù)水平的提高； 本章主要介紹運算機把握系統(tǒng)及其組成,工業(yè)把握機的組成結(jié)構(gòu)及特 點,運算機把握系統(tǒng)的進展概況和趨勢； 1 1 運算機把握系統(tǒng)概述 自動把握技術(shù)在許多領(lǐng)域里獲得了廣泛的應用； 自動把握 就是在沒有人直接參與的情形下,通過把握器使生產(chǎn)過程自 動地依據(jù)預定的規(guī)律運行； 近年來,運算機已成為自動把握技術(shù)不行分割的重要組成部分, 并為自動控 制技術(shù)的進展和應用開創(chuàng)了寬敞的新天地； 運算機把握系統(tǒng)及其組成 1 運算機把

4、握系統(tǒng) 運算機把握系統(tǒng) 利用運算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動把握的系統(tǒng)； （ 1）運算機把握系統(tǒng)的工作原理 典型的運算機把握系統(tǒng),如圖 11； 被控變量 輸入通道 運算機 輸出通道 D/A 對象 y 輸入通道 A/D 圖 在運算機把握系統(tǒng)中, 由于工業(yè)把握機的輸入和輸出是數(shù)字信號, 因此需要 有 AD 轉(zhuǎn)換器和 DA 轉(zhuǎn)換器；從本質(zhì)上看, 運算機把握系統(tǒng)的工作原理可歸納 第 2 頁,共 11 頁為以下三個步驟： 實時數(shù)據(jù)采集： 對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入； 實時把握決策： 對采集到的被控量進行分析和處理, 并按已定的把握規(guī)律, 準備將要實行的把握行為； 實時把握輸出： 依據(jù)把握決

5、策, 適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出把握信號, 完成控 制任務； 上述過程不斷重復, 使整個系統(tǒng)依據(jù)確定的品質(zhì)指標進行工作, 并對被控量 和設(shè)備本身的反?，F(xiàn)象準時作出處理； （2）在線方式和離線方式 在運算機把握系統(tǒng)中, 生產(chǎn)過程和運算機直接連接, 并受運算機把握的方式 稱為在線方式或聯(lián)機方式； 生產(chǎn)過程不和運算機相連, 且不受運算機把握, 而是 靠人進行聯(lián)系并作相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式； （3）實時的含義 實時 指信號的輸入,運算和輸出都要在確定的時間范疇內(nèi)完成,超出 了這個時間,就失去了把握的時機,把握也就失去了意義； 實時的概念不能脫離具體過程, 一個在線的系統(tǒng)不愿定是一個實時系統(tǒng),

6、但 一個實時把握系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)； 2. 運算機把握系統(tǒng)的組成 典型的過程運算機把握系統(tǒng)如圖 ；以微型運算機為核心的過程控 磁盤驅(qū)動器 軟件 變送器 傳感器 打印機 計 接口 A/D 多路 開關(guān) 執(zhí) 行 生 算 接口 D/A 反 多 路 產(chǎn) 機 接口 機構(gòu) 過 （ 開關(guān) 主 開 關(guān) 量 程 機 輸 入 CRT ） 接口 開 關(guān) 量 顯示終端 時 操 接口 輸 出 檢測,變送執(zhí) 被控對象 鐘 作 輸入輸出通道 通用外部設(shè)備 主機,操作臺 行 圖 第 3 頁,共 11 頁基本組成 ：硬件部分和軟件部分； 各部件功能簡介： 主機 接口電路 輸硬件部分 出輸入通道 外部設(shè)備 操作臺 被控對象 主機

7、組成：中心處理器（ CPU）和內(nèi)儲備器 RAM 和 ROM 組成； 作用：依據(jù)輸入通道送來的被控對象的狀態(tài)參數(shù), 進行信息處理, 分析,運算, 作出把握決策,通過輸出通道發(fā)出把握命令； 接口電路 作用：主機與外部設(shè)備, 輸入輸出通道進行信息交換時, 通過接口電路的協(xié) 調(diào)工作,實現(xiàn)信息的傳送； 過程輸入 /輸出通道 作用：主機和被控對象實現(xiàn)信息傳送與交換的通道； 輸入 /輸出通道分為模擬量輸入通道,模擬量輸出通道,開關(guān)量輸入通道, 開關(guān)量輸出通道； 外部設(shè)備 外部設(shè)備按功能可分成三類：輸入設(shè)備,輸出設(shè)備和外儲備器； 常用的輸入設(shè)備有鍵盤,磁盤驅(qū)動器,紙帶輸入機等,輸入設(shè)備主要用來輸 入程序和數(shù)據(jù)

8、； 常用的輸出設(shè)備有顯示器,打印機,繪圖儀等；輸出設(shè)備主要用來把各種信 息和數(shù)據(jù)以曲線, 字符, 數(shù)字等形式供應應操作人員, 以便準時明白把握過程； 外儲備器有磁盤,磁帶等,主要用來儲備程序和數(shù)據(jù)； 操作臺 一般操作臺有（ CRT）顯示器或 LED 數(shù)碼顯示器,用以顯示系統(tǒng)運行的狀 態(tài)；有功能鍵,以便操作人員輸入或修改把握參數(shù)和發(fā)送命令； 第 4 頁,共 11 頁軟件部分 軟件是指運算機中使用的全部程序的總稱；軟件通常又可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件； （ l）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件： 給用戶使用愛護和治理運算機特地設(shè)計的一類程序, 它具有確定 的通用性； 組成：操作系統(tǒng),語言加工系統(tǒng),診斷系統(tǒng)； 1操

9、作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)：就是對運算機本身進行治理和把握的一種軟件； 運算機自身系統(tǒng)中的全部硬件和軟件統(tǒng)稱為資源； 從功能上看,可把操作系統(tǒng)看作是資源的治理系統(tǒng),實現(xiàn)對處理器,內(nèi)存, 設(shè)備以及信息的治理,例如對上述資源的支配,把握,調(diào)度和回收等； 2語言加工系統(tǒng) 語言加工系統(tǒng)就是將用戶編寫的源程序轉(zhuǎn)換成運算機能夠執(zhí)行的機器代碼 （目的程序）； 語言加工系統(tǒng)主要由編輯程序,編譯程序,連接,裝配程序,調(diào)試程序,及 子程序庫組成： 1 編輯程序： 建立源程序文件的過程就是由編輯程序完成的；該程序可 對一個程序進行插入,增補,刪除,修改,移動等編輯加工,并且在磁盤上建立 源程序文件； 2 編譯程序： 將源程序

10、“翻譯”成機器代碼； 3連接,裝配程序： 使用連接,裝配程序可將不同語言編寫的不同的程 序模塊的源程序連接起來,成為一個完整的可運行的確定地址目標程序； 4調(diào)試程序： 調(diào)試程序用來檢查源程序是否符合程序設(shè)計者的設(shè)計意圖； 5子程序庫：為了用戶編程便利,系統(tǒng)軟件中都供應了子程序庫；明白這 些子程序的功能和調(diào)用條件之后,就可直接在程序中調(diào)用它們 3診斷系統(tǒng) 診斷系統(tǒng)是用于修理運算機的軟件； （ 2）應用軟件 應用軟件：是用戶為了完成特定的任務而編寫的各種程序的總稱； 第 5 頁,共 11 頁包括：把握程序,數(shù)據(jù)采集及處理程序,巡回檢測程序和數(shù)據(jù)治理程序等； 把握程序：主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)劑和把握,它

11、依據(jù)各種把握算法和被控對象 的具體情形來編寫,把握程序的主要目標是中意系統(tǒng)的性能指標； 數(shù)據(jù)采集及處理程序： 包括： 數(shù)據(jù)牢靠性檢查程序用來檢查是牢靠輸入數(shù)據(jù)仍是故障數(shù)據(jù)； AD 轉(zhuǎn)換及采樣程序； 數(shù)字濾波程序用來濾除干擾造成的錯誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)； 線性化處理程序?qū)z測元件或變送器的非線性特性用軟件進行補償； 巡回檢測程序：包括： 數(shù)據(jù)采集程序完成數(shù)據(jù)的采集和處理； 越限報警程序用于在生產(chǎn)中某些量超過限定值時報警； 事故預報程序依據(jù)限定值, 檢查被控量的變化趨勢, 如有可能超過限定 值,就發(fā)出事故預報信號； 畫面顯示程序用圖,表在 CRT 上形象地反映生產(chǎn)狀況； 數(shù)據(jù)治理程序 這部分程序

12、用于生產(chǎn)治理,主要包括：統(tǒng)計報表程序；產(chǎn)品銷售,生產(chǎn)調(diào)度 及庫存治理程序；產(chǎn)值利潤推測程序等； 3. 工業(yè)把握機的特點 牢靠性高和可修理性好； ； 環(huán)境適應性強； 把握的實時性； 完善的輸入輸出通道； 豐富的軟件； 適當?shù)倪\算機精度和運算速度； 運算機把握系統(tǒng)的典型形式 運算機把握系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式； 1操作指導把握系統(tǒng) 第 6 頁,共 11 頁操作指導把握系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 13； 系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)處理,給出操作指導信息； 計 CRT 模擬量輸入（ AI ）通道 調(diào)劑器 生 數(shù)字量輸入（ DI）通道 產(chǎn) 算 過 機 操 作 程 打印機 人 員 圖 系統(tǒng)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔,把握靈

13、敏和安全； 缺點：要由人工操作,速度受到限制,不能把握多個對象； 該把握系統(tǒng)屬于開環(huán)把握結(jié)構(gòu)； 2直接數(shù)字把握系統(tǒng) 直接數(shù)字把握 （Direct Digital 工作過程： （略） Control ,簡稱 DDC）系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 1 4； DDC 系統(tǒng)屬于運算機閉環(huán)把握系輸入通道 生 統(tǒng)； CRT 計 （） 打印機 產(chǎn) 算 過 報 警 機 程 輸出通道 操作臺 AO.DO 圖 系統(tǒng)優(yōu)點： 要求實時性好, 牢靠性高和適應性強； 一臺運算機可把握幾個或 幾十個回路； 3 監(jiān)督把握系統(tǒng) 監(jiān)督把握 SCC（Supervisory Computer Control ）； 監(jiān)督把握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,如圖 1

14、 5 ； 工作過程： （略） 監(jiān)督把握系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式,如圖； 第 7 頁,共 11 頁程 生 調(diào)劑 模 擬 設(shè)定值 SSC 工藝數(shù)據(jù) 產(chǎn) 測量 計 記錄 調(diào)劑器 算 過 調(diào)劑 a 設(shè)定值 機 顯示 打印 程 生 工藝數(shù)據(jù) 測量 DDC SSC 產(chǎn) 計 記錄 運算機 算 過 b 顯示 機 打印 圖 （l ）SCC 加上模擬調(diào)劑器的把握系 統(tǒng) 當 SCC 微型機顯現(xiàn)故障時,可由模擬調(diào)劑器獨立完成操 作； （2）SCC 加上 DDC 的分級把握系 統(tǒng) 這實際上是一個分級把握系統(tǒng), SCC 可接受高檔微型機,它 與 接口進行信息聯(lián)系； DDC 之間通 過 4分散型把握系統(tǒng) 分散型把握系統(tǒng)（ Dis

15、tributed Control System DCS）； 系統(tǒng)特點：接受分散把握,集中操作,分級治理,分而自治和綜合和諧的設(shè) 計原就, 把系統(tǒng)從上到下分為分散過程把握級, 集中操作監(jiān)控級, 綜合信息治理 級,形成分級分布式把握,其結(jié)構(gòu)如圖 16； 至其它局域網(wǎng) 綜 合 信 息 管 理 管 理 網(wǎng) 間 級 運算機 聯(lián)接器 局域網(wǎng)絡（ LAN 集 中 操 作 監(jiān) 控 工程師 操作員 監(jiān) 控 網(wǎng) 間 級 操作站 操作站 運算機 聯(lián)接器 通信聯(lián)絡 分 級 過 程 控 制 現(xiàn) 場 PLC 智 能 其它測 級 把握站 調(diào)劑器 控裝置 圖 第 8 頁,共 11 頁5 現(xiàn)場總線把握系統(tǒng) 現(xiàn)場總統(tǒng)把握系統(tǒng)（

16、Fieldbus Control System FCS）是新一代分布式把握 結(jié)構(gòu)； DCS 結(jié)構(gòu)模式為：“操作站把握站現(xiàn)場外表”三層結(jié)構(gòu),系統(tǒng)成 本 較高,而且各廠商的 DCS 有各自的標準,不能互 聯(lián)； FCS 結(jié)構(gòu)模式為：“工作站現(xiàn)場總線智能外 二層結(jié)構(gòu), FCS 用二層 表” 結(jié) 構(gòu)完成了 DCS 中的三層結(jié)構(gòu)功能, 降低了成本, 提高了牢靠性, 國際標準統(tǒng)一 后, 可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 17； 系統(tǒng)工作過程：（略） 圖 17 第 9 頁,共 11 頁 1.2 運算機把握系統(tǒng)的進展概況及趨勢 1946 年世界上第一臺電子運算機 ENICA 正式使用以來,電子運算

17、機在世 界 各國得到了極大的重視和快速的進展； 運算機把握技術(shù)的進展離不開自動把握理 論和運算機技術(shù)的進展, 本節(jié)回憶一下運算機把握系統(tǒng)的進展概況, 并爭辯運算 機把握系統(tǒng)的進展趨勢； 運算機把握系統(tǒng)的進展概況 1 運算機把握技術(shù)的進展過程 運算機技術(shù)的進展,我們可按以下四個階段來描述其進展過程： （1）開創(chuàng)時期（ 1955 1962 年） （2）直接數(shù)字把握時期（ 19621967 年） （3）小型運算機時期（ 1967 1972 年） （4）微型運算機時期（ 1972 年至今） 2運算機把握理論的進展過程 （1）采樣定理 （2）差分方程 （3）Z 變換法 （4）狀態(tài)空間理論 （5）最優(yōu)把握與隨機把握 （6）代數(shù)系統(tǒng)理論 （7）系統(tǒng)辨識與自適應把