《微型計算機控制技術》教案1

1、第 周 第 次課 年 月 日章節(jié)名稱第1章 計算機控制系統(tǒng)概述授 課方 式理論課（*）；實踐課（）；實習（）教學時數(shù)2教學目的及要求1.了解計算機控制系統(tǒng)的構成原理2.了解計算機控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。3. 初步認識微型計算機控制系統(tǒng)分類與裝置種類教學重點與難點重點：計算機控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 難點：計算機控制系統(tǒng)分類與裝置種類教學手段介紹、討論與多媒體教學 主 要內(nèi)容時間分配計算機控制系統(tǒng)的構成原理計算機控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。初步認識微型計算機控制系統(tǒng)分類與裝置種類小結（15）（30）（35）（5）復習思考題1計算機控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點是什么？2分析說明圖

2、1-3計算機控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用。3計算機控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構成？4按控制方案來分，計算機控系統(tǒng)劃分成那幾大類？ 5計算機控制裝置可以分成哪幾種機型？小結本章概要介紹了計算機控制系統(tǒng)的構成原理、硬件組成與軟件組成。分別從計算機控制系統(tǒng)的控制方案與裝置種類這兩個不同的角度討論分析了計算機控制系統(tǒng)的分類。本書將在本章的基礎上漸次對計算機控制系統(tǒng)的各個組成部分展開討論。第1章: 緒論隨著科學技術的進步，人們越來越多地用計算機來實現(xiàn)控制系統(tǒng)。近幾年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感技術、CRT顯示技術、通信與網(wǎng)絡技術、微電子技術的高速發(fā)展，促進了計算機控制技術水平的提高。 本章主要介

3、紹計算機控制系統(tǒng)及其組成、工業(yè)控制機的組成結構及特點、計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢。§11 計算機控制系統(tǒng)概述自動控制技術在許多領域里獲得了廣泛的應用。自動控制 就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產(chǎn)過程自動地按照預定的規(guī)律運行。近年來，計算機已成為自動控制技術不可分割的重要組成部分，并為自動控制技術的發(fā)展和應用開辟了廣闊的新天地。§1.1.1計算機控制系統(tǒng)及其組成 1計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng) 利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)。計算機輸出通道D/A輸入通道A/D對象被控變量y輸入通道（1）計算機控制系統(tǒng)的工作原理典型的計算機控制系統(tǒng)，如圖11。圖 1.1

4、 在計算機控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機的輸入和輸出是數(shù)字信號，因此需要有AD轉換器和DA轉換器。從本質上看，計算機控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個步驟： 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。 實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。 實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，完成控制任務。上述過程不斷重復，使整個系統(tǒng)按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異常現(xiàn)象及時作出處理。 （2）在線方式和離線方式在計算機控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機方式；

5、生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，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、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。實時的概念不能脫離具體過程，一個在線的系統(tǒng)不一定是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。2.計算機控制系統(tǒng)的組成典型的過程計算機控制系統(tǒng)如圖1.2。生產(chǎn)過程執(zhí)行機構反多路開關多路開關開關量 輸 出 時鐘操作臺計算機（主機）接口接口接口接口A/DD/A磁盤驅動器打印機CRT顯示終端軟件變送器傳感器通用外部設備主機、操作臺接口輸入輸出通道檢測、變送執(zhí)行被控對象

6、開關量輸 入以微型計算機為核心的過程控 圖1.2 基本組成：硬件部分和軟件部分。各部件功能簡介： 硬件部分 主機 組成：中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲器(RAM和ROM)組成。作用：根據(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、計算，作出控制決策，通過輸出通道發(fā)出控制命令。接口電路 作用：主機與外部設備、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、開關量輸入通道、開關量輸出通道。外部設備 外部設備按功能可分成三類：輸入設備、輸出設備和外存儲器。常

7、用的輸入設備有鍵盤、磁盤驅動器、紙帶輸入機等，輸入設備主要用來輸入程序和數(shù)據(jù)。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。輸出設備主要用來把各種信息和數(shù)據(jù)以曲線、字符、 數(shù)字等形式提供給操作人員，以便及時了解控制過程。外存儲器有磁盤、磁帶等，主要用來存儲程序和數(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控制參數(shù)和發(fā)送命令。軟件部分軟件是指計算機中使用的所有程序的總稱。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：給用戶使用維護和管理計算機專門設計的一類程序，它具有一定的通用性。組成：操作系統(tǒng)、語言加工系統(tǒng)、

8、診斷系統(tǒng)。 1操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)：就是對計算機本身進行管理和控制的一種軟件。計算機自身系統(tǒng)中的所有硬件和軟件統(tǒng)稱為資源。從功能上看，可把操作系統(tǒng)看作是資源的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對處理器、內(nèi)存、設備以及信息的管理，例如對上述資源的分配、控制、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換成計算機能夠執(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

9、源程序“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絕對地址目標程序。 (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計者的設計意圖。(5)子程序庫：為了用戶編程方便，系統(tǒng)軟件中都提供了子程序庫。了解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)是用于維修計算機的軟件。 （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。 包括：控制程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、巡回檢測程序和數(shù)據(jù)管理程序等。 控制程序：主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種控制算法和

10、被控對象的具體情況來編寫，控制程序的主要目標是滿足系統(tǒng)的性能指標。 數(shù)據(jù)采集及處理程序：包括：數(shù)據(jù)可靠性檢查程序用來檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)；AD轉換及采樣程序；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)；線性化處理程序對檢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；事故預告程序根據(jù)限定值，檢查被控量的變化趨勢，若有可能超過限定值，則發(fā)出事故預告信號；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)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括：統(tǒng)計報表程序；產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)

11、調(diào)度及庫存管理程序；產(chǎn)值利潤預測程序等。3.工業(yè)控制機的特點 可靠性高和可維修性好。 環(huán)境適應性強。 控制的實時性。 完善的輸入輸出通道。 豐富的軟件。 適當?shù)挠嬎銠C精度和運算速度。§1.1.2 計算機控制系統(tǒng)的典型形式 計算機控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。 1操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)的構成如圖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。模擬量輸入（AI）通道數(shù)字量輸入（DI）通道操作人 員生 產(chǎn) 過 程計 算 機打印機調(diào)節(jié)器CRT 圖1.3 系統(tǒng)優(yōu)點：結構簡單，控制靈活和安全。缺點：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。 該控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制結構

12、。 2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，簡稱DDC）系統(tǒng)的構成如圖 14。工作過程： （略）DDC系統(tǒng)屬于計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸入通道（AI.DI）輸出通道(AO.DO)打印機報 警操作臺CRT計 算 機生 產(chǎn) 過 程 圖 1.4 系統(tǒng)優(yōu)點：要求實時性好、可靠性高和適應性強；一臺計算機可控制幾個或幾十個回路。 3監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制 SCC（Supervisory Computer Control）。監(jiān)督控制系統(tǒng)的結構形式，如圖 1 5。工作過程： （略）監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結構形式，如圖。模擬 調(diào)節(jié)器DDC計算機生 產(chǎn) 過 程生 產(chǎn) 過 程SSC計 算

13、 機SSC計 算 機記錄顯示打印記錄顯示打印調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)測量測量設定值設定值(a)(b)工藝數(shù)據(jù)工藝數(shù)據(jù) 圖 1.5 （l）SCC加上模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) 當SCC微型機出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作。 （2）SCC加上DDC的分級控制系統(tǒng) 這實際上是一個分級控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔微型機，它與DDC之間通過接口進行信息聯(lián)系。 4分散型控制系統(tǒng)分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control SystemDCS）。系統(tǒng)特點：采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設計原則，把系統(tǒng)從上到下分為分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制，其結構如圖

14、16。集中操作監(jiān)控級管 理計算機網(wǎng) 間聯(lián)接器工程師操作站操作員操作站監(jiān) 控計算機網(wǎng) 間聯(lián)接器現(xiàn) 場控制站 PLC智 能調(diào)節(jié)器其它測控裝置至其它局域網(wǎng)局域網(wǎng)絡（LAN)通信聯(lián)絡綜合信息管理級分級過程控制級 圖1.6 5現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總統(tǒng)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制結構。 DCS結構模式為：“操作站控制站現(xiàn)場儀表”三層結構，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結構模式為：“工作站現(xiàn)場總線智能儀表”二層結構，F(xiàn)CS用二層結構完成了DCS中的三層結構功能，降低了成本，提高了可靠性，國際標準統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互

15、連系統(tǒng)結構。系統(tǒng)結構如圖17。系統(tǒng)工作過程：（略）圖17§1.2計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢 1946年世界上第一臺電子計算機ENICA正式使用以來，電子計算機在世界各國得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。計算機控制技術的發(fā)展離不開自動控制理論和計算機技術的發(fā)展，本節(jié)回顧一下計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，并討論計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。§1.2.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1計算機控制技術的發(fā)展過程 計算機技術的發(fā)展，我們可按以下四個階段來描述其發(fā)展過程： （1）開創(chuàng)時期（19551962年） （2）直接數(shù)字控制時期（19621967年） （3）小型計算機時期（19671972年）（4）微型計算機時期（1972年至今） 2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）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