第一章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

第一章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述本章主要內(nèi)容

引言1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.2微機(jī)控制系統(tǒng)的分類1.3微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢引言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)--是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問，是以計(jì)算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動(dòng)化控制工程是其重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動(dòng)化控制工程來看，計(jì)算機(jī)技術(shù)又是一個(gè)主要的實(shí)現(xiàn)手段。本書立足于工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域，討論這種不同于普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、相關(guān)技術(shù)及其工程應(yīng)用。下圖為一個(gè)制藥車間的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。自動(dòng)控制：在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：

利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的;常規(guī)儀表組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制(圖1-1a所示)與開環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成—用控制計(jì)算機(jī)代替圖1-1的控制器，如圖1-2所示；閉環(huán)控制系統(tǒng)euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量測量值r+_zf干擾圖1-1(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號(hào)傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號(hào)，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號(hào)的傳遞是單方向的。開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(b)開環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計(jì)算機(jī)即微型計(jì)算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計(jì)算機(jī)采用的是數(shù)字信號(hào)傳遞，而一次儀表多采用模擬信號(hào)傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號(hào)，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號(hào)。

圖1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理a.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行采集和輸入；b.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策；

c.實(shí)時(shí)輸出控制--根據(jù)控制決策，適時(shí)地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，完成監(jiān)控任務(wù)；

在線方式和離線方式★在線方式或聯(lián)機(jī)方式：生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式?！镫x線方式或脫機(jī)方式：生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。實(shí)時(shí)的含義★實(shí)時(shí)：是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成。★實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。返回本章首頁圖1-3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖微機(jī)控制系統(tǒng)的組成：微型計(jì)算機(jī)、接口電路、外部通用設(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)對象等組成。1.1微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成★主機(jī)（單片機(jī)、CPU）中央處理器（CPU）內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)★接口電路:

主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換的橋梁★過程輸入/輸出通道（計(jì)算機(jī)和控制過程之間信息傳遞和變換的連接通道）模擬量輸入通道AI模擬量輸出通道AO開關(guān)量輸入通道DI開關(guān)量輸出通道DO★外部設(shè)備★操作臺(tái)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。它是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)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，另一類是應(yīng)用軟件。返回本章首頁計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件組成返回本章首頁軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語言加工系統(tǒng)診斷系統(tǒng)控制程序數(shù)據(jù)采集及處理程序巡回檢測程序數(shù)據(jù)管理程序編輯程序編譯程序連接、裝配程序調(diào)試程序子程序庫軟件部分：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序數(shù)字濾波程序線性化處理程序

數(shù)據(jù)采集程序越限報(bào)警程序事故預(yù)告程序畫面顯示程序1.2微機(jī)控制系統(tǒng)的分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（ODC）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SCC）分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）返回本章首頁操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)返回本節(jié)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對象。返回本節(jié)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個(gè)控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動(dòng)與半自動(dòng)工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，速度受到限制，不能同時(shí)控制多個(gè)回路。直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）返回本節(jié)★要求：實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)★一臺(tái)計(jì)算機(jī)通常要控制幾個(gè)或幾十個(gè)回路輸入通道(AI.DI）輸出通道(AO.DO)打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)CRT計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程返回本節(jié)

DDC系統(tǒng)--是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完成對多個(gè)被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個(gè)包括給定、顯示、報(bào)警等功能的操作控制臺(tái)。DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完全取代了多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個(gè)回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SCC）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）簡稱SCC系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)（2）SCC+DDC控制系統(tǒng)管理命令報(bào)告人工監(jiān)管給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程管理命令報(bào)告人工監(jiān)管給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程DDCD/A反多路開關(guān)返回本節(jié)返回本節(jié)

DDC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(a)工藝數(shù)據(jù)

這屬于計(jì)算機(jī)在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由下位機(jī)獨(dú)立完成控制。下位機(jī)直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實(shí)時(shí)性好，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)；而上位機(jī)承擔(dān)高級(jí)控制與管理任務(wù)，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大的高檔計(jì)算機(jī)。分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則。返回本節(jié)返回本節(jié)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(diǎn)服務(wù)器LAN（局域網(wǎng)）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS返回本節(jié)

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(jìn)了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點(diǎn)，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(gè)徹底的分散控制模式。每個(gè)現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，都帶CPU單元，可分別獨(dú)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。1.3微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢返回本章首頁1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENICA問世1·3·1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展過程

?開創(chuàng)時(shí)期（1955～1962年）

?直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967年）

?小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972年）

?微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年～至今）

返回本章首頁軟件的發(fā)展：

50年代至70年代軟件發(fā)展緩慢

70年代末至今已采用各種高級(jí)語言進(jìn)行實(shí)時(shí)控制2．計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過程

?采樣定理?差分方程

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?Z變換法?

狀態(tài)空間理論?最優(yōu)控制與隨機(jī)控制?代數(shù)系統(tǒng)理論?系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制1.3.2微機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢返回本章首頁可編程控制器

可編程邏輯控制器--簡稱可編程控制器或PLC，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示。可編程控制器（PLC）特點(diǎn)：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)

境下應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛--不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢，而且在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色；PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，編程簡單，調(diào)試容易，抗干擾能力強(qiáng)；總線式工控機(jī)

總線式工控機(jī)，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計(jì)算機(jī)，一般稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱為工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)。通常，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)廠家是按照某個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造出若干符合總線標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能模板組合成自己所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī)的外形類似普通計(jì)算機(jī)，如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī)架機(jī)箱，機(jī)箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普通計(jì)算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級(jí)抗干擾電源和工業(yè)級(jí)芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同控制對象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場合，尤其是十幾到幾十個(gè)回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。單片微型計(jì)算機(jī)

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的另一個(gè)分支──超小型化的單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)簡稱單片機(jī)誕生了。它是將CPU、存儲(chǔ)器、串并行I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。

單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)，而且匯編語言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語言的發(fā)展，其軟件開發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前，市場上已推出面向單片機(jī)結(jié)構(gòu)的高級(jí)語言，如早期的ArchimedesC和FranklinC，現(xiàn)在的KeilC51、DynamicC等語言。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、性能可靠、價(jià)格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是強(qiáng)大