安大模板-第1章-計控

微型計算機控制技術(shù)張媛yz@第一章緒論第一章緒論0自動控制技術(shù)的發(fā)展歷程1微型計算機控制系統(tǒng)的組成、特點和應(yīng)用

2微型計算機控制系統(tǒng)分類3典型計算機控制系統(tǒng)4工業(yè)控制計算機系統(tǒng)簡介5微型計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢20自動控制技術(shù)的發(fā)展歷程一、20世紀50年代以前的人工控制階段（基地式儀表控制系統(tǒng)）二、20世紀60年代的模擬式儀表控制階段（電動單元組合式儀表控制系統(tǒng)）三、20世紀70年代的計算機集中控制階段四、20世紀80年代的集散式控制階段（分布式控制系統(tǒng)）3圖0-1-1計算機集中控制系統(tǒng)4圖0-1-2計算機分布式控制系統(tǒng)5

微型計算機控制系統(tǒng)是由計算機（工業(yè)控制計算機）和工業(yè)對象兩大部分組成。圖1-1-1給出了按偏差進行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。圖1-1-1閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖第一節(jié)微型計算機控制系統(tǒng)的組成、特點和應(yīng)用

1.1微型計算機控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)6圖1-1-2中給出了開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。它與閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，它的控制器直接根據(jù)給定信號去控制被控對象工作。被控制量在整個控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，它的控制性能較差。圖1-1-2開環(huán)控制系統(tǒng)框圖7智能閥門定位器圖1-1-3閥門定位器實物圖8智能閥門定位器圖1-1-4閥門定位器原理圖9

利用計算機的運算、邏輯判斷、記憶等功能完成控制任務(wù)。因為計算機只能處理數(shù)字信息，所以無論是給定值和反饋量都要先用A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將其變?yōu)閿?shù)字量后才能送入計算機進行運算。計算機輸出的控制量也要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成控制功能。圖1-1-5計算機控制系統(tǒng)基本框圖A/D控制規(guī)律計算程序D/A執(zhí)行機構(gòu)被控對象被控量檢測裝置給定值反饋量計算機（微處理器）10計算機控制技術(shù)的含義

所謂計算機控制，就是利用檢測裝置將被控對象中的物理參量（如溫度、壓力、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量（如電壓、電流），再將這些代表實際物理參量的電量送入輸入裝置中的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字量，并且在計算機的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而使得操作人員能夠直觀而迅速地了解被控對象的變化過程。

11圖1-2-1微型計算機控制系統(tǒng)組成框圖1.2、微型計算機控制系統(tǒng)的軟硬件組成

121.2.1硬件組成（1）微型計算機核心部件（2）操作臺（3）外圍設(shè)備（4）I/O接口和I/O通道（5）信號檢測和變送13（1）微型計算機核心部件計算機控制系統(tǒng)的核心部件是中央處理器、內(nèi)存，主要進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、越限報警等，并發(fā)出控制命令，指導(dǎo)系統(tǒng)工作。14（2）操作臺它是人－－機對話的紐帶，人通過操作臺向計算機發(fā)出操作命令；計算機通過操作臺向人顯示系統(tǒng)運行狀況，發(fā)出報警信號。15（3）外圍設(shè)備

它擴展了主機的功能。例如打印機、顯示器、存儲器（優(yōu)盤、移動硬盤）等。16（4）I/O接口和I/O通道

它是計算機主機與外部聯(lián)系的紐帶。有并行和串行接口，模擬量和數(shù)字量通道。17（5）信號檢測和變送傳感器起檢測作用，將檢測到的非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，如溫度傳感器、力傳感器。變送器起轉(zhuǎn)變作用，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C接口使用的標準電信號（0～5V或4～20mA）。18硬件擴展利用通用的標準總線的插件板，可進行硬件擴展。例如，STD標準總線，PC標準總線。191.2.2計算機控制系統(tǒng)的軟件

軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和。它是微型計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件（廠商提供，例如操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)），另一類是應(yīng)用軟件（用戶根據(jù)自己需要而編寫的程序）。返回本節(jié)20系統(tǒng)軟件指為提高計算機使用效率，擴大功能，為用戶使用，維護和管理計算機提供方便的程序總稱。具有一定通用性。應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)需要解決的實際問題編寫的各種程序，在計控系統(tǒng)中指完成各種任務(wù)的程序：控制程序，數(shù)據(jù)采集及處理程序，巡回檢測及報警程序。21更重要的是，如果需要對被控對象進行控制，則由計算機中的應(yīng)用軟件,根據(jù)采集到的物理參量的大小和變化情況以及按照工藝所要求該物理量的設(shè)定值進行判斷；然后在輸出裝置中輸出相應(yīng)的電信號，并且推動執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥、電動機）動作，從而完成相應(yīng)的控制任務(wù)。計算機還可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來，隨時進行分析、統(tǒng)計和顯示并制作各種報表。22

1）自動清零功能

2）量程自動切換功能

3）多點快速測控

4）數(shù)字濾波功能

5）自動修正誤差6）數(shù)據(jù)處理功能7）復(fù)雜控制規(guī)律8）多媒體功能9）通信或網(wǎng)絡(luò)功能10）自我診斷功能計算機技術(shù)的引入，為控制系統(tǒng)帶來以下一些新特點和新功能。請同學(xué)們思考，并回答。23在計算機控制系統(tǒng)中，計算機的主要作用：1、信息處理。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，輸入信號和輸出信號的計算工作量很大，采用模擬裝置不能滿足精度要求，因而需要采用計算機進行處理；2、系統(tǒng)校正。用計算機的軟件程序?qū)崿F(xiàn)對控制系統(tǒng)的校正，以保證控制系統(tǒng)具有所要求的動靜態(tài)特性；3、實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。由于計算機具有快速完成復(fù)雜工程計算的能力，因而可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等復(fù)雜控制。4、修改方便。模擬控制系統(tǒng)控制規(guī)律的改變涉及硬件電路變更，計算機控制系統(tǒng)只需更改軟件。241.2.3計算機控制系統(tǒng)的基本控制過程（1）實時數(shù)據(jù)采集：對來自檢測裝置的被控量的瞬時值進行采集和輸入；（2）實時決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已確定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制策略。（3）實時控制：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。并輸出其它有關(guān)信號，如報警信號等。不斷重復(fù)上述過程，使整個系統(tǒng)能夠按照一定的動態(tài)品質(zhì)指標進行工作，并且對被控參數(shù)和設(shè)備本身出現(xiàn)的異常狀態(tài)及時監(jiān)督并作出迅速處理。25圖1-3-1現(xiàn)代軋鋼廠控制室1.3計算機控制系統(tǒng)的實例26圖1-3-227圖1-3-328圖1-3-4某生產(chǎn)過程的總控制室29課后作業(yè)提交計算機控制系統(tǒng)的例子，以圖片和文字的形式，并敘述此控制系統(tǒng)的工作原理和工作流程。說明此系統(tǒng)對應(yīng)的給定輸入量、反饋量、偏差量、控制器采取的控制方法。以小組（5人）的形式。2011.3.16日前發(fā)到y(tǒng)yz@301.2計算機控制系統(tǒng)的特點（1）結(jié)構(gòu)上。系統(tǒng)中存在模擬部件，系統(tǒng)的核心部件是數(shù)字計算機。計控系統(tǒng)是模擬和數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。（2）信號上。含有連續(xù)模擬信號、離散模擬信號、數(shù)字信號。（3）系統(tǒng)設(shè)計上。常用的有模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化設(shè)計法（當采樣周期很短時，效果好）和直接設(shè)計法（基于離散系統(tǒng)理論，缺點是忽視了采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)過程）?，F(xiàn)在流行的是：利用連續(xù)系統(tǒng)的性能指標，考慮采樣點之間系統(tǒng)的動態(tài)特性，來設(shè)計。31計算機控制系統(tǒng)的特點（4）控制規(guī)律實現(xiàn)上。大部分用軟件來實現(xiàn)，易修改，成本低，方便。而連續(xù)系統(tǒng)若修改控制規(guī)律，則需改變硬件結(jié)構(gòu)，成本大。（5）回路控制上。連續(xù)控制系統(tǒng)，一般是一個控制器控制一個回路；而計控系統(tǒng)，具有高速的運算處理能力，能夠分時控制，一臺計算機可同時控制多個回路。（6）提高自動化水平。性價比高，運算速度快，精度高，可實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。32第二節(jié)計算機控制系統(tǒng)分類1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)2．直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）3．監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)（SCC）4．分級計算機控制系統(tǒng)返回本章首頁332.1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)圖2-1-1計算機操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖返回本節(jié)計算機輸出不直接控制工業(yè)對象。計算機采集工業(yè)對象的參數(shù)，根據(jù)一定的控制算法，計算出操作方案和最優(yōu)給定值。操作人員根據(jù)計算機輸出信息去改變調(diào)節(jié)器給定值或直接作用于工業(yè)對象。特點是結(jié)構(gòu)簡單，半自動化。常應(yīng)用于計控系統(tǒng)的初級研發(fā)階段，不適用于快速過程的控制。342.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC,DirectDigitalControl）

圖2-2-1DDC控制系統(tǒng)原理圖

DDC系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍。計算機通過輸入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照一定的控制規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信號，并通過輸出通道作用于被控對象。給定值是預(yù)先設(shè)定并存入計算機內(nèi)存的。它不能根據(jù)生產(chǎn)過程條件和生產(chǎn)工藝的變化及時地修改。特點：完全取代模擬控制器，改變程序即可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律。給定值顯示打印計算機D/A轉(zhuǎn)換輸出通道執(zhí)行機構(gòu)被控對象檢測裝置A/D轉(zhuǎn)換輸入通道352.3監(jiān)督計算機系統(tǒng)

（SCC，SupervisoryComputerControl）

SCC中，計算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參數(shù)檢測值，按照所設(shè)計的控制算法計算出最佳給定值，傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機。從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。故又稱為設(shè)定值控制SPC(SetPointControl).SCC系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng):計算機將最優(yōu)給定值送給調(diào)節(jié)器，若SCC故障，由模擬調(diào)節(jié)器獨立工作。（2）SCC+DDC控制系統(tǒng):SCC實現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等控制規(guī)律運行；DDC實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和輸出控制。36

SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)計算機計算出的最優(yōu)設(shè)定值送入模擬調(diào)節(jié)器進行后續(xù)控制。當SCC計算機發(fā)生故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立執(zhí)行控制任務(wù)，變?yōu)閭鹘y(tǒng)的控制方式。模擬調(diào)節(jié)器SCC37SCC+DDC系統(tǒng)采用了兩級計算機控制。工作可靠性更高。當SCC出故障時，可以由下級的DDC進行控制；并且因為SCC不參與直接的輸出控制，所以可以有時間進行更加復(fù)雜的運算。SCC382.4分散計算機控制系統(tǒng)（DCS）特點：1、分散的過程控制級：這是最底層，直接和現(xiàn)場控制點打交道。2、SCC既要實現(xiàn)一些高級的控制又要向上級計算機反饋信息。3、集中操作控制級：集中在控制室通過顯示屏等幾種監(jiān)控、操作。4、綜合信息管理級：實現(xiàn)整個企業(yè)的綜合信息、管理，主要執(zhí)行生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理功能，能夠提供管理決策信息。特點：功能分散，多臺計算機分別執(zhí)行不同的功能，即能控制又能實現(xiàn)管理。39分散控制系統(tǒng)，又稱為：分布式控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)。采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治、綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。402.5

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標準不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如下圖所示。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。41DCS控制系統(tǒng)操作站模擬量輸出功能塊控制功能塊H1現(xiàn)場總線差壓變送器模擬量輸入功能塊PIDI10

…...AOI10AI110H1H1網(wǎng)橋H2現(xiàn)場總線

…….

現(xiàn)場節(jié)點服務(wù)器LAN（局域網(wǎng)）42第三節(jié)典型計算機控制系統(tǒng)簡介（1）計算機過程控制系統(tǒng)（2）微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)（3）計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)PLC（4）工業(yè)機器人433.1、計算機過程控制系統(tǒng)用計算機對溫度、壓力、流量、液面、速度等過程參數(shù)進行測量與控制的系統(tǒng)稱為計算機過程控制系統(tǒng)。

44工業(yè)爐的溫度和壓力控制系統(tǒng)453.2、微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)由于微型計算機具有極好的快速運算、信息儲存、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理能力，電動機調(diào)速系統(tǒng)中的許多控制要求很容易在計算機中實現(xiàn)。

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3.3、計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)PLC采用計算機來實現(xiàn)順序控制和數(shù)字程序控制是計算機在自動控制領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要方面。所謂順序控制是使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī)定的時序或事序（現(xiàn)場輸入條件等）而順序動作的自動控制系統(tǒng)。47目前這類系統(tǒng)中多采用微處理器構(gòu)成的可編程程序控制器，簡稱為PC或PLC。48PLC與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有如下一些特點：（1）抗干擾能力強（2）適應(yīng)性好（3）編程直觀、簡單（4）功能完善，接口功能強49西門子PLC在礦山采礦中的應(yīng)用

吉林吉恩鎳業(yè)股份公司大嶺礦GKTD型礦井提升機電控系統(tǒng)即為西門子PLC（S7-300）控制系統(tǒng)。

礦井提升機是礦山井下采礦運輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，它承擔礦物的提升，人員的上下，材料和設(shè)備的運送。整個控制系統(tǒng)自動化程度高，方便維護，運行可靠。50所謂數(shù)字程序控制系統(tǒng)是指根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律而完成工作的自動控制系統(tǒng)。目前數(shù)控系統(tǒng)多采用16位或32位工業(yè)控制微機系統(tǒng)或多微處理機系統(tǒng)控制。它按運動軌跡可以分為點位控制系統(tǒng)和輪廓控制系統(tǒng)。51第一代機器人是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)機器人，它主要由夾持器、手臂、驅(qū)動器和控制器組成。第二代機器人是帶感覺的機器人，它具有一些對外部信息進行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。第三代機器人是智能機器人，目前還沒有一個統(tǒng)一和完善的智能機器人定義。工業(yè)機器人是從初步到高級逐步完善起來的，它的發(fā)展過程可以分為三代：3.4工業(yè)機器人52第四節(jié)工業(yè)控制機的特點和要求1、實時性2、高可靠性3、硬件配置的可裝配可擴充性4、可維護性5、環(huán)境適應(yīng)性強6、完善的輸入輸出通道7．軟件豐富8．適當?shù)挠嬎銠C精度和運算速度534.1工業(yè)控制機的硬件組成（1）主機板:CPU、RAM、ROM等。數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理。（2）內(nèi)部總線和外部總線內(nèi)部總線：工業(yè)控制機內(nèi)部各組成部分進行信息傳送的公共通道，它是一組信號線的集合。外部總線：工業(yè)控制機與其它計算機和智能設(shè)備進行信息傳遞的公共通道。（3）人—機接口:鍵盤、顯示器、打印機。（4）磁盤系統(tǒng)：軟盤和硬盤。（5）通信接口工業(yè)控制機和其它計算機或智能外設(shè)通信的接口。常用RS—232C、USB和IEEE—488接口。圖4-1-1工業(yè)計算機硬件結(jié)構(gòu)框圖54(6)系統(tǒng)支持功能

①監(jiān)控定時器(看門狗-Watchdog);②電源掉電檢測;③保護重要數(shù)據(jù)的后備存貯器;④實時日歷時鐘(7)輸入輸出通道工業(yè)控制機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信號傳遞和變換的連接通道。它包括模擬量輸入(AI)通道、模擬量輸出(AO)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量)輸入(DI)通道、數(shù)字量(或開關(guān)量)輸出(DO)通道。

554.2.工業(yè)控制機的軟件組成(1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序，如美國Intel公司推出的iRMX86實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，美國ReadySystem公司推出的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)VRTX／OS。除了實時多任務(wù)操作系統(tǒng)以外，也常常使用MS—DOS和Windows等系統(tǒng)軟件。(2)支持軟件支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。(3)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計人員針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。56

4.3工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu)1．內(nèi)部總線所謂內(nèi)部總線，就是計算機內(nèi)部功能模板之間進行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。常用的有IBMPC、PCI總線和STD總線。2．外部總線

所謂外部總線，就是計算機與計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間進行通信的連線，常用的外部總線有IEEE—488并行總線、U