控制與接口技術(shù)-引言課件

1、研究生課程 材料科學(xué)與工程學(xué)院 控制與接口技術(shù)控制與接口技術(shù) 主講教師：葉春生 Tel: 華中科技大學(xué)材料學(xué)院 華中科技大學(xué) 研究生課程2 2021-7-6 控制與接口技術(shù)控制與接口技術(shù) 第一章 緒論 第二章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正 第三章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析與綜合 第四章 STM32處理器及其應(yīng)用 第五章 數(shù)控（CNC）系統(tǒng)及其插補(bǔ)原理 第六章 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 第七章 SIMULINK交互式仿真集成環(huán)境 華中科技大學(xué) 研究生課程3 2021-7-6 第一章第一章 緒論緒論 1）計(jì)算機(jī)以其運(yùn)算速度快，可靠性高，價(jià)格便宜， 被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活的各廣泛地應(yīng)用于

2、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活的各 個(gè)領(lǐng)域個(gè)領(lǐng)域。例如，衛(wèi)星跟蹤天線的控制、電氣傳動(dòng)裝置 的控制、數(shù)控機(jī)床、伺服壓力機(jī)、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、 力控系統(tǒng)、飛機(jī)、大型油輪的自動(dòng)駕駛儀等等； 2）許多常規(guī)的控制儀表和調(diào)節(jié)器已經(jīng)被計(jì)算機(jī)所 取代，計(jì)算機(jī)正在控制整個(gè)生產(chǎn)過程控制整個(gè)生產(chǎn)過程，對(duì)生產(chǎn)中的各 種參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速和成分等 進(jìn)行采樣； 3）復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理：復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理：生產(chǎn)工藝過程的統(tǒng)計(jì)數(shù)字和 數(shù)據(jù)處理，復(fù)雜生產(chǎn)工藝過程的數(shù)值仿真。 華中科技大學(xué) 研究生課程4 2021-7-6 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 控制基礎(chǔ)回顧控制基礎(chǔ)回顧 1.11.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 1

3、.21.2典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 1.31.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCSFCS） 1.41.4計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMSCIMS） 1.51.5智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng) 1.61.6機(jī)電一體化控制系統(tǒng)機(jī)電一體化控制系統(tǒng) 1.71.7工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 1.81.8計(jì)算機(jī)總線計(jì)算機(jī)總線 華中科技大學(xué) 研究生課程5 2021-7-6 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成可以是電氣的，機(jī)械的，液壓 的，氣動(dòng)的等等，然而描述這些系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型卻可以 是相同的。 通過數(shù)學(xué)模型來研究自動(dòng)控制系統(tǒng)，就擺脫了各種類 型系統(tǒng)的外部關(guān)系而抓住這些系統(tǒng)的共同運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 控

4、制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是通過物理學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)等 定律來描述的，如機(jī)械系統(tǒng)的牛頓定律，電氣系統(tǒng)的克 ?；舴蚨傻榷际怯脕砻枋鱿到y(tǒng)模型的基本定律。 自動(dòng)控制系統(tǒng) 幾個(gè)重要概念的回顧幾個(gè)重要概念的回顧 華中科技大學(xué) 研究生課程6 2021-7-6 數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式； 數(shù)學(xué)模型可以有多種形式。 在經(jīng)典理論中，常用的數(shù)學(xué)模型是微（差）分方 程，結(jié)構(gòu)圖，信號(hào)流圖等； 在現(xiàn)代控制理論中，采用的是狀態(tài)空間表達(dá)式。 結(jié)構(gòu)圖，信號(hào)流圖，狀態(tài)圖是數(shù)學(xué)模型的圖形表 達(dá)形式。 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 華中科技大學(xué) 研究生課程7 2021-7-6 數(shù)學(xué)模型的建立數(shù)學(xué)模型的建立 建立合理的數(shù)學(xué)模型，

5、對(duì)于系統(tǒng)的分析研究是十分重要的。 合理包括兩條： （1）反映元件及系統(tǒng)的特性要正確； （2）寫出的數(shù)學(xué)式子要簡明； 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的要求可采用解析法和實(shí)驗(yàn)法。解析法 是根據(jù)系統(tǒng)和元件所遵循的有關(guān)定律來建立數(shù)學(xué)模型的。用解 析法建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，對(duì)其內(nèi)部所體現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和科學(xué)規(guī)律 要十分清楚，要抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，力求所建立的 數(shù)學(xué)模型要合理。實(shí)驗(yàn)法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立數(shù)學(xué)模型的， 即人為地在系統(tǒng)上加上某種測(cè)試信號(hào)，用實(shí)驗(yàn)所得的輸入和輸 出數(shù)據(jù)來辨識(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，階次和參數(shù)，這種方法也成為系統(tǒng) 辨識(shí)。 線性系統(tǒng)最重要的特性是可用疊加原理。對(duì)非線性系統(tǒng)當(dāng) 非線性不嚴(yán)重或變量變化范圍不大時(shí)，可

6、利用小偏差線性化的 方法使數(shù)學(xué)模型線性化。 華中科技大學(xué) 研究生課程8 2021-7-6 解析法建立運(yùn)動(dòng)方程 用解析法建立運(yùn)動(dòng)方程的步驟用解析法建立運(yùn)動(dòng)方程的步驟 1）分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關(guān)系，確分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)中各變量間的關(guān)系，確 定出待研究元件或定出待研究元件或系統(tǒng)的輸入量和輸出量系統(tǒng)的輸入量和輸出量； 2）從輸入端入手（閉環(huán)系統(tǒng)一般從比較環(huán)節(jié)入手），從輸入端入手（閉環(huán)系統(tǒng)一般從比較環(huán)節(jié)入手）， 依據(jù)依據(jù)各元件所遵循的物理，化學(xué)，生物等規(guī)律各元件所遵循的物理，化學(xué)，生物等規(guī)律，列寫各，列寫各 自方程式，但要注意負(fù)載效應(yīng)。所謂負(fù)載效應(yīng)，就是考自方程式，但要注意負(fù)載效應(yīng)

7、。所謂負(fù)載效應(yīng)，就是考 慮后一級(jí)對(duì)前一級(jí)的影響。慮后一級(jí)對(duì)前一級(jí)的影響。 3）將所有方程聯(lián)解，將所有方程聯(lián)解，消去中間變量消去中間變量，得出系統(tǒng)輸入輸，得出系統(tǒng)輸入輸 出的出的標(biāo)準(zhǔn)方程標(biāo)準(zhǔn)方程。 所謂標(biāo)準(zhǔn)方程包含三方面的內(nèi)容：所謂標(biāo)準(zhǔn)方程包含三方面的內(nèi)容：將與輸入量有關(guān)將與輸入量有關(guān) 的各項(xiàng)放在方程的右邊，與輸出量有關(guān)的各項(xiàng)放在方程的各項(xiàng)放在方程的右邊，與輸出量有關(guān)的各項(xiàng)放在方程 的左邊；各導(dǎo)數(shù)項(xiàng)按降冪排列；將方程的系數(shù)通過的左邊；各導(dǎo)數(shù)項(xiàng)按降冪排列；將方程的系數(shù)通過 元件或系統(tǒng)的參數(shù)化成具有一定物理意義的系數(shù)。元件或系統(tǒng)的參數(shù)化成具有一定物理意義的系數(shù)。 華中科技大學(xué) 研究生課程9 2021

8、-7-6 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)高速 而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能 力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性 思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高 設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。 說明：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來講它包含了計(jì)算 機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說它的主要工作是利用 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到 的不便與繁瑣。 華中科技大學(xué) 研究生課程10 2021-7-6 仿真的定義仿真的定義 仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類 比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)。它所

9、遵循的基本原則是相似性原理。 計(jì)算機(jī)仿真的定義：是基于所建立的系統(tǒng)仿真模 型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。 計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真 華中科技大學(xué) 研究生課程11 2021-7-6 相似原理相似原理 Vtid c Ri dt di L 1 dt dV i cdt di R dt id L 1 2 2 pkx dt dx f dt xd m 2 2 ( )p tk m f ( )x t uc(t) V R L i 華中科技大學(xué) 研究生課程12 2021-7-6 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 圖 1-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖 控制器D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象 測(cè)量變

10、送A/D 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程 給給 定定 量量 輸輸 出出 量量 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)于給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，根據(jù)給定量和反饋量后，按某種 控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算（如PID運(yùn)算），計(jì)算結(jié)果（數(shù)字信號(hào)） 再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制信號(hào)輸出到 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便完成了對(duì)系統(tǒng)的控制作用。 華中科技大學(xué) 研究生課程13 2021-7-6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成 2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成 CPU/MEM 人機(jī)接口 系統(tǒng)支持 內(nèi) 部 總 線 模擬量輸入通道(AI) 模擬量輸入通道(AO) 數(shù)字量輸出通道(DO) 數(shù)字量輸入通道(

11、DI) 測(cè)量變送 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 電氣開關(guān) 電氣開關(guān) 被 控 對(duì) 象 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)檢測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu) 華中科技大學(xué) 研究生課程14 2021-7-6 1. 2 1. 2 典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 目前常用的比較典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要包括： 1）PC總線總線的板卡與工控機(jī)組成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 2）數(shù)字調(diào)節(jié)器）數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 3）PLC的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 4）嵌入式系統(tǒng)）嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)； 華中科技大學(xué) 研究生課程15 2021-7-6 1 1基于基于PCPC總線的板卡的工控機(jī)總線的板卡的工控機(jī) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（Industrial Control Compute

12、r）是一種加 固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程及其機(jī)電設(shè)備、 工藝裝備進(jìn)行測(cè)量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī)，它可以 作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。工控機(jī)與普通 微機(jī)相比，有以下特點(diǎn)： （1）工控機(jī)總線設(shè)計(jì)支持各種模塊化CPU卡和所有 PCI/ISA總線接口板。 （2）開放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可 直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。 （3）機(jī)箱采用全剛機(jī)架，可防止電磁干擾；具有足夠地負(fù) 載驅(qū)動(dòng)能力。機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，并裝有濾 塵網(wǎng)用以防塵。 華中科技大學(xué) 研究生課程16 2021-7-6 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 A/D D/A 接口卡 D/ A A/D 位

13、移變速 器 激光控制 器 I S A 總 線數(shù)字量輸 入 數(shù)字量輸 出 運(yùn)動(dòng)控制 卡 Y軸伺服 控制器 Z軸伺服 控制器 Y軸伺服 電機(jī) Z軸伺服 電機(jī) 變頻器 控制開關(guān) 加熱輥電 機(jī) 送紙電機(jī) 收紙電機(jī) X軸伺服 控制器 X軸伺服 電機(jī) 疊層制造系統(tǒng) （LOM）控制系 統(tǒng) 1）X、Y、Z三軸 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 2）加熱輥、送紙、 收紙裝置由異步電 機(jī)驅(qū)動(dòng)。 3）位移變速器和 激光器的控制主要 是A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 華中科技大學(xué) 研究生課程17 2021-7-6 2 2數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)用途和性能的差異可以分為以下 幾種類型：定程序控制器定程

14、序控制器、可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器、混合控混合控 制器制器、批量控制器批量控制器等。 硬件電路硬件電路由主機(jī)電路、過程輸入通道、過程輸出 通道、人機(jī)接口電路以及通信接口電路等部分組成。 軟件軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩大部分。 特點(diǎn)特點(diǎn)是運(yùn)算控制功能強(qiáng)、通過軟件實(shí)現(xiàn)所需功能、 帶有自診斷功能、帶有數(shù)字通訊功能、具有較有好 的人機(jī)界面，通過數(shù)字調(diào)節(jié)器的人機(jī)接口，操作人 員可以方便的對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行操作。 華中科技大學(xué) 研究生課程18 2021-7-6 數(shù)字調(diào)節(jié)器的應(yīng)用數(shù)字調(diào)節(jié)器的應(yīng)用 通 信 協(xié) 議 計(jì) 算 機(jī) 數(shù) 字 調(diào) 節(jié) 器數(shù) 字 調(diào) 節(jié) 器 被 控 對(duì) 象 圖1-3數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的基本構(gòu)成

15、控制器具有手、自 動(dòng)工作狀態(tài)、PID 參數(shù)值、輸入及輸 出值等一系列信息 ，并通過通信模塊 對(duì)控制器的控制設(shè) 置必要的信息，如 工作狀態(tài)的變更、 參數(shù)的設(shè)置等。 華中科技大學(xué) 研究生課程19 2021-7-6 3 3 基于可編程控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于可編程控制器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 可編程控制器（PLC）把計(jì)算機(jī)的編程靈活、功 能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)與繼電器系統(tǒng)的控制簡單、 使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起 來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特 點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 PLC的特點(diǎn)是高可靠性、功能齊全、應(yīng)用靈活、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)且調(diào)試周期短、操作維修方便。

16、PLC主要 缺點(diǎn)是人機(jī)界面比較差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力較差， 雖然一些大型PLC在這方面有了較大發(fā)展。 華中科技大學(xué) 研究生課程20 2021-7-6 可編程控制器的應(yīng)用可編程控制器的應(yīng)用 圖7-29 機(jī)械手控制示意圖 華中科技大學(xué) 研究生課程21 2021-7-6 機(jī)械手控制的基本要求機(jī)械手控制的基本要求 按起動(dòng)按鈕后，傳送帶A運(yùn)行直到光電開關(guān)PS檢測(cè) 到物體，才停止，同時(shí)機(jī)械手下降。下降到位后機(jī)械 手夾緊物體，2s后開始上升，而機(jī)械手保持夾緊。上 升到位左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到位下降，下降到位機(jī)械手松開， 2s后機(jī)械手上升。上升到位后，傳送帶B開始運(yùn)行，同 時(shí)機(jī)械手右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)到位，傳送帶B停止，此時(shí)傳送

17、帶 A運(yùn)行直到光電開關(guān)PS再次檢測(cè)到物體，才停止 循環(huán) 為了保證機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確，機(jī)械手上安裝了限位開 關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別對(duì)機(jī)械手進(jìn)行下降、 上升、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作的限位，并給出動(dòng)作到位的 信號(hào)。 華中科技大學(xué) 研究生課程22 2021-7-6 基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)所作的概念可以看出嵌入式系統(tǒng)具有以 下幾個(gè)主要特征是：專用性強(qiáng)、精簡設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)核 小、嵌入式軟件開發(fā)要想走向標(biāo)準(zhǔn)化，就必須使用多 任務(wù)的操作系統(tǒng)，為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性， 嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片 機(jī)本身中，而不是存貯于硬盤等載體中。

18、嵌入式系統(tǒng) 開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 領(lǐng)域可以包括為：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、 家庭智能管理系統(tǒng) 、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè) 、機(jī)器人等。 華中科技大學(xué) 研究生課程23 2021-7-6 基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu) 圖2.3嵌入式硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu) 基于ARM架構(gòu)的32位 微處理器 Samsung S3C44B0X 1MB線性 Flash(BIOS) 8MBSDRM (系統(tǒng)內(nèi)存) 16MB非線性 Flash(硬盤） USB接口 USBN9603 兩個(gè)RS-232 串行通信接口 JTAG調(diào)試端口 LCD顯示 鍵盤輸入 TCP/

19、IP協(xié)議 CAN BUS 華中科技大學(xué) 研究生課程24 2021-7-6 嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的LINLIN通訊通訊 嵌入式LIN通訊 GND C3105p GND R21 2.7K RX TX BUS D9DIODEECU VCC INH 8 BAT 7 LIN 6 GND 5 RXD 1 NSLP 2 NWAKE 3 TXD 4 U3TJA1020 R23 10K BAT PC8 1 2 3 4 5 6 7 8 J8 NWAKE GND NWAKE GND BAT 1 2 3 J6 BUS GND R2 10K C5 220PF LIN_S BUS LIN_MG BUS LIN_S R1

20、1KD2 DIODE LIN_MPBAT BUS LIN_MP ECU GND LIN_MGGND C2 1nF 1 2 3 4 J10 PA10 PA9 RX TX LIN PA9-PA10:串行接口LIN與串行口RS232-2復(fù)用 華中科技大學(xué) 研究生課程25 2021-7-6 嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的CANCAN通訊通訊 嵌入式CAN通訊 12 34 56 JP6 CAN CANSP CANTX CANRX CAN_TX CAN_RX R13 10K R5 47K VCC R45 120 12 load JP19 CANSP CAN CANL CANH VCC VCC Rs 8 CANH

21、 7 CANL 6 Vref 5 TXD 1 GND 2 VCC 3 RXD 4 U1 82C250 1 2 3 4 J7 CON4 CANH CANL PD1 PD0 PD0-PD1:串行接口CAN 華中科技大學(xué) 研究生課程26 2021-7-6 嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)控制嵌入式系統(tǒng)的電機(jī)控制 嵌入式電機(jī)控制 華中科技大學(xué) 研究生課程27 2021-7-6 1.3 1.3 現(xiàn)場(chǎng)總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初期興起的一種先進(jìn)工業(yè)控制技 術(shù)，和DCS相比是一種全數(shù)字化、全分散式、全開放、 可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)； 是計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合

22、與集成; 它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，用于過 程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的 現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，它將傳統(tǒng)的 DCS三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變成兩 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)“工作站現(xiàn)場(chǎng)總線智能現(xiàn)場(chǎng)儀表”，降低了 成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu) 體系。 目前各類現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品有40多種。 華中科技大學(xué) 研究生課程28 2021-7-6 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程 華中科技大學(xué) 研究生課程29 2021-7-6 現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn) 通信線供電：通信線供電：通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上 攝取能量，這種方式用于本質(zhì)安全環(huán)境的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，與 其配套

23、的還有安全柵。 全數(shù)字化通信：全數(shù)字化通信：在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，從變法器的傳感器 到調(diào)節(jié)閥其信號(hào)一直保持?jǐn)?shù)字性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的噪聲及其它 干擾信號(hào)很難扭曲現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)里的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào) 的強(qiáng)抗干擾能力使得過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性更高。 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可與不同層 網(wǎng)絡(luò)相連。不同制造廠家的產(chǎn)品可以十分方便地掛接在現(xiàn)場(chǎng)總 線上而具有可互操作，用戶可以根據(jù)性能價(jià)格比選用最優(yōu)的， 不必保持任何修改，就可以構(gòu)成所需的控制回路，自由地集成 開放式控制系統(tǒng)。 華中科技大學(xué) 研究生課程30 2021-7-6 現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用 數(shù)值量輸入 模塊 觸

24、摸屏操作 操作單元 數(shù)值量輸出 模塊 變頻電機(jī)控 制模塊 模擬量輸入 模塊 模擬量輸出 模塊 多軸聯(lián)動(dòng)控 制模塊 溫度控制和檢 測(cè)模塊 CAN總線 個(gè)人計(jì)算機(jī) 圖2 局域網(wǎng)路數(shù)控系統(tǒng)框圖 功能模塊結(jié)構(gòu)簡圖，每個(gè)子模塊都具有獨(dú)立的編程、PLC和 通訊功能，同時(shí)具有特殊功能的編程，以滿足不同的控制要求 ，模塊的基本結(jié)構(gòu)如下： CAN收發(fā)器功能單元 MCU CAN控制器 編程接口 CAN總線 圖3 功能模塊結(jié)構(gòu)簡圖 華中科技大學(xué) 研究生課程31 2021-7-6 1.4 1.4 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng) 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（Contemporary Integrated Manufacturi

25、ng System）是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)新的發(fā)展階段， 在繼承計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)優(yōu)秀成果的基礎(chǔ)上，它不斷吸收先 進(jìn)制造技術(shù)中的相關(guān)思想的精華，從信息集成、過程集成向企 業(yè)集成方向迅速發(fā)展，在先進(jìn)制造技術(shù)中處于核心地位。 具體地說，它將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、 自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)技術(shù) 使企業(yè)產(chǎn)品在全生命周期中有關(guān)的組織、經(jīng)營、管理和技術(shù)有 機(jī)集成和優(yōu)化運(yùn)行，在企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中實(shí)現(xiàn)信息化、智 能化、集成優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)品上市快、服務(wù)好、質(zhì)量優(yōu)、成本低 的目的，進(jìn)而提高企業(yè)的柔性、健壯性和敏捷性，使企業(yè)在激 烈的市場(chǎng)競爭中立于不敗之地。而現(xiàn)代集成制造系

26、統(tǒng)的集成概 念在廣度和深度上都有了極大的擴(kuò)展，除了信息集成外還實(shí)現(xiàn) 了企業(yè)產(chǎn)品全生命周期中的各種業(yè)務(wù)過程的整體優(yōu)化，即過程 集成，并發(fā)展到企業(yè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的企業(yè)之間的集成階段。 華中科技大學(xué) 研究生課程32 2021-7-6 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成 先進(jìn)制造技術(shù)（AMTAdvanced Manufacturing Technology）作為一個(gè)專有名詞至今還沒有一個(gè)明 確的、一致公認(rèn)的定義。通過對(duì)其內(nèi)涵和特征的研 究，目前共同的認(rèn)識(shí)是：先進(jìn)制造技術(shù)是傳統(tǒng)制造 技術(shù)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源和現(xiàn) 代管理等方面的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì) 、制造、檢測(cè)、管理、銷

27、售、使用、服務(wù)的制造全 過程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生 產(chǎn)，并取得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱 。 華中科技大學(xué) 研究生課程33 2021-7-6 技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn) 1、并行工程（CEConcurrent Engineering） 并行工程是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造過程和 支持過程）的系統(tǒng)方法。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員在一開始就考慮產(chǎn)品整個(gè) 生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度 計(jì)劃和用戶要求。 2、虛擬制造（VMVirtual Manufacturing） 虛擬制造利用信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的 人、物、信息及制

28、造過程進(jìn)行全面的仿真； 3、敏捷制造（AMAgile Manufacturing） 敏捷制造是以競爭力和信譽(yù)度為基礎(chǔ)，選擇合作者組成虛擬公司，分 工合作，為同一目標(biāo)共同努力來增強(qiáng)整體競爭能力，對(duì)用戶需求作出快 速反應(yīng)，以滿足用戶的需要。 4、綠色制造（GMGreen Manufacturing） 綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目 標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命 周期中，對(duì)環(huán)境的影響（負(fù)作用）最小，資源的使用效率最高。 華中科技大學(xué) 研究生課程34 2021-7-6 1.5 1.5 智能控制概述智能控制概述 1智能控制與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)

29、別 傳統(tǒng)控制的主要特征是基于模型的控制，適用于被 控對(duì)象可用數(shù)學(xué)模型描述的線性定常系統(tǒng)；而智能控制 是針對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性和不確定性而提出來的， 是人工智能與控制理論結(jié)合的產(chǎn)物，解決問題的能力和 水平明顯高于傳統(tǒng)控制。 智能控制與傳統(tǒng)控制的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面： （1）處理復(fù)雜性、不確定性問題的能力 傳統(tǒng)控制能力較差，而智能控制系統(tǒng)具有仿人的智 能，處理復(fù)雜性、不確定性問題的能力較高。 （2）對(duì)被控對(duì)象模型的依賴 傳統(tǒng)控制是基于被控對(duì)象精確模型的控制方式，智 能控制的核心是基于知識(shí)進(jìn)行智能決策。 華中科技大學(xué) 研究生課程35 2021-7-6 智能控制的特點(diǎn)智能控制的特點(diǎn) （1）不確定性

30、的模型 智能控制可解決模型未知或模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)變 化范圍大的控制問題。 （2）高度的非線性 傳統(tǒng)控制中，非線性控制理論不成熟，方法也 較復(fù)雜，而用智能控制可較好地解決非線性系統(tǒng)的 控制。 （3）復(fù)雜的任務(wù)要求 智能控制系統(tǒng)具有決策能力，除對(duì)被控物理量 實(shí)現(xiàn)定值控制，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)啟停、故障自動(dòng) 診斷、事故應(yīng)急處理等較復(fù)雜的控制功能。 華中科技大學(xué) 研究生課程36 2021-7-6 智能控制的基本特點(diǎn)智能控制的基本特點(diǎn) 智能控制所研究的智能控制器是數(shù)學(xué)模型和知 識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型。智能控制常具有以下幾 種基本特點(diǎn)： （1）分層遞階的組織結(jié)構(gòu) 智能控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了智能遞增精度 遞減的

31、原則，其協(xié)調(diào)層次越高，所體現(xiàn)的智能也越 高。 （2）多模態(tài)控制 智能控制系統(tǒng)常采用具有開、閉環(huán)控制結(jié)合， 定性決策與定量控制結(jié)合，數(shù)學(xué)模型和非數(shù)學(xué)廣義 模型結(jié)合的多模態(tài)控制。 華中科技大學(xué) 研究生課程37 2021-7-6 智能控制的基本特點(diǎn)（續(xù)）智能控制的基本特點(diǎn)（續(xù)） （3）自學(xué)習(xí)能力 在控制過程中，有些智能控制系統(tǒng)能感知外界 環(huán)境變化進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步的 估計(jì)、分類、決策或控制，從而使系統(tǒng)的性能得到 改善。 （4）自適應(yīng)能力 控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力是指一個(gè)系統(tǒng)能改變自 身的性能以適應(yīng)環(huán)境變化的能力。 （5）自組織能力 自組織能力是指智能控制系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)和分 散的傳感信息具

32、有自行組織和協(xié)調(diào)功能。 華中科技大學(xué) 研究生課程38 2021-7-6 智能控制的主要類型智能控制的主要類型 1模糊控制 模糊控制是把人類專家對(duì)特定的被控對(duì)象或過程的控制 策略總結(jié)成一系列的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用 集，作用于被控對(duì)象或過程。 模糊控制的主要特點(diǎn)是在人工控制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) 對(duì)系統(tǒng)的控制。模糊控制無需建立數(shù)學(xué)模型，被控對(duì)象參數(shù) 的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯，是解決不確定性系統(tǒng)、非 線性系統(tǒng)的有效途徑。 2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在許多方面呈現(xiàn)出人腦的智能特點(diǎn)，不 依賴于精確的數(shù)學(xué)模型。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主要特點(diǎn)

33、是具有自學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能 力和自組織能力。 華中科技大學(xué) 研究生課程39 2021-7-6 智能控制的主要類型（續(xù)）智能控制的主要類型（續(xù)） 3專家控制系統(tǒng) 專家控制系統(tǒng)把知識(shí)模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，知識(shí)信息 處理技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，是人工智能與控制理論方法和 技術(shù)相結(jié)合的典型產(chǎn)物。 專家系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是它能在一定程度上模擬人的思維 活動(dòng)規(guī)律，能進(jìn)行自動(dòng)推理，善于應(yīng)付各種變化，具有透明 性和靈活性。 4分層遞階智能控制 分層遞階智能控制是在研究學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從 工程控制出發(fā)，總結(jié)人工智能與自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制及 自組織控制的關(guān)系逐漸形成的。 分層遞階智能控制的特點(diǎn)是按照自上而下精確

34、程度漸增 、智能程度漸減的原則進(jìn)行功能分配。智能主要體現(xiàn)在高層 次上，執(zhí)行級(jí)仍然采用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)解析控制算法，對(duì)數(shù)值進(jìn) 行操作和運(yùn)算。 華中科技大學(xué) 研究生課程40 2021-7-6 1.6 1.6 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)機(jī)電一體化控制系統(tǒng) 1 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng) 用計(jì)算機(jī)對(duì)溫度、壓力、流量、液面、速度等過 程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制的系統(tǒng)。為了保證燃料在爐 膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定； 燃料和空氣的比值控制過程，它可以防止空氣太 多時(shí)，過?？諝鈳ё叽罅繜崃?；也可防止當(dāng)空氣太 少時(shí)，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生許多一氧化碳或 碳黑。； 為了提高爐子的熱效率，還需對(duì)爐子排出的廢

35、氣 進(jìn)行分析，一般是用氧化鋯傳感器測(cè)量煙氣中的微 量氧，通過計(jì)算而得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒 調(diào)節(jié)。 華中科技大學(xué) 研究生課程41 2021-7-6 圖 1-4 工業(yè)爐的計(jì)算機(jī)控制 華中科技大學(xué) 研究生課程42 2021-7-6 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 由于微型計(jì)算機(jī)具有極好的快速運(yùn)算、信息存儲(chǔ) 、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理能力，電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的 許多控制要求很容易在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)。例如，變流 裝置的非線性補(bǔ)償，起動(dòng)和調(diào)速時(shí)選用不同的控制 方式或不同的控制參數(shù)，四象限運(yùn)行時(shí)的邏輯切換 ，在PWM型逆變器、交交變頻或某些生產(chǎn)機(jī)械 傳動(dòng)控制中要求的電壓、電流基準(zhǔn)曲線等。由于采 用計(jì)算機(jī)控制，可大大

36、提高系統(tǒng)的性能。 華中科技大學(xué) 研究生課程43 2021-7-6 圖1-5 計(jì)算機(jī)控制的雙閉環(huán)系統(tǒng) 華中科技大學(xué) 研究生課程44 2021-7-6 計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng) 采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)順序控制和數(shù)字程序控制是計(jì) 算機(jī)在自動(dòng)控制領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)重要方面。它廣 泛地應(yīng)用于機(jī)床控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制、運(yùn)輸機(jī)械 控制和交通管理等許多工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 所謂順序控制是使生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī) 定的時(shí)序（或現(xiàn)場(chǎng)輸入條件等）而順序動(dòng)作的自動(dòng) 控制系統(tǒng)。目前這類系統(tǒng)中多采用微處理器構(gòu)成的 可編程序控制器（PC或PLC）?？删幊绦蚩刂破魇?用方便，可靠性高，應(yīng)用廣泛。 華中科技大學(xué)

37、 研究生課程45 2021-7-6 圖 1-6 簡單機(jī)床數(shù)字程序控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖 華中科技大學(xué) 研究生課程46 2021-7-6 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人是一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的 高度自動(dòng)化系統(tǒng)，它主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、夾持器、手臂和 各種傳感器組成。工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)ατX、觸覺、 視覺等外部反饋信息進(jìn)行感知、理解、決策，并及時(shí)按要求驅(qū) 動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置、語音系統(tǒng)完成相應(yīng)任務(wù) 圖 1-7 智能機(jī)器人的一般結(jié)構(gòu) 華中科技大學(xué) 研究生課程47 2021-7-6 1.7 1.7 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求 1、實(shí)時(shí)

38、性 實(shí)時(shí)性是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能在限定的時(shí)間內(nèi)對(duì) 外來事件作出反應(yīng)的能力。 2、高可靠性 很多生產(chǎn)過程是日夜不停地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要求 與這些過程相連的工業(yè)控制機(jī)也必須無故障地連續(xù) 運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的正確控制。 華中科技大學(xué) 研究生課程48 2021-7-6 1 1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及要求 3、硬件配置的可裝配可擴(kuò)充性 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的使用場(chǎng)合干差萬別，系統(tǒng)性能、 容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場(chǎng)相 聯(lián)接的外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量等差別更大，因 此宜采用模塊化設(shè)計(jì)方法。 4、可維護(hù)性 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，便于維修，

39、系統(tǒng)使用的板級(jí)產(chǎn) 品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和精度 不受影響；軟件和硬件的診斷功能強(qiáng)，在系統(tǒng)出現(xiàn) 故障時(shí)，能快速準(zhǔn)確地定位。 華中科技大學(xué) 研究生課程49 2021-7-6 馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型 指令寄存器指令寄存器 控制器控制器 數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道 輸入輸入輸出輸出 中央處理器中央處理器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 程序程序 指令指令0 0 指令指令1 1 指令指令2 2 指令指令3 3 指令指令4 4 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 0 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 1 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 2 華中科技大學(xué) 研究生課程50 2021-7-6 哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu) 指令寄存器指令寄存器 控制器控制器 數(shù)據(jù)通

40、道數(shù)據(jù)通道 輸入輸入輸出輸出 中央處理器中央處理器 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器 指令指令0 指令指令1 指令指令2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 地址地址 指令指令 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 華中科技大學(xué) 研究生課程51 2021-7-6 CPU 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 中央處理部件中央處理部件 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 鍵盤鍵盤 鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器 顯示器顯示器 打印機(jī)打印機(jī) 輔助（外部）輔助（外部） 存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備 磁盤機(jī)、磁帶機(jī)、光盤機(jī)等磁盤機(jī)、磁帶機(jī)、光盤機(jī)等 輸輸 入入 輸輸 出出 輸入輸入 輸出輸出 控控 制制 器器 運(yùn)運(yùn) 算算 器器 馮馮諾依曼諾依曼計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)

41、構(gòu)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 華中科技大學(xué) 研究生課程52 2021-7-6 微處理器、存儲(chǔ)器加上微處理器、存儲(chǔ)器加上I/O接口電路組成微型接口電路組成微型 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)。各部分通過地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總 線（DB）和控制總線（CB）相連。 現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的組成現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的組成 華中科技大學(xué) 研究生課程53 2021-7-6 1.直觀描述 圖靈機(jī)的計(jì)算裝置：一條兩端可無限延 長的帶子，一個(gè)讀寫頭，一組控制指令。 b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b 狀態(tài)狀態(tài) q1 讀寫頭讀寫頭 控制指令控制指令 讀寫頭可以沿讀寫頭可以沿 帶子方向左右?guī)ё臃较蜃笥?移動(dòng)，并可以移動(dòng)，并可以 在每個(gè)方格上在

42、每個(gè)方格上 進(jìn)行讀寫。進(jìn)行讀寫。 圖靈機(jī)圖靈機(jī) 華中科技大學(xué) 研究生課程54 2021-7-6 1.7.21.7.2單片微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī) 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱為單片機(jī)，它是將CPU、 RAM、ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時(shí)還 具有定時(shí)/計(jì)數(shù)、通訊和中斷等功能的微型計(jì)算機(jī) 。自1976年Intel公司首片單片機(jī)問世以來，隨著集 成電路制造技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的CPU依次出現(xiàn)了 8位和16位機(jī)型，并使運(yùn)行速度、存儲(chǔ)器容量和集 成度不斷提高。現(xiàn)在比較常用的單片機(jī)一般具有 數(shù)十K的閃存、16位的A/D及看門狗等功能，而各 種滿足專門需要的單片機(jī)也可由生產(chǎn)廠家定做。 華中科技大學(xué) 研究生課

43、程55 2021-7-6 MCS-51MCS-51單片機(jī)單片機(jī) 圖1-8 MCS-51單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 華中科技大學(xué) 研究生課程56 2021-7-6 1.7.31.7.3數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器DSPDSP DSP是目前電子工業(yè)領(lǐng)域增長最迅速的產(chǎn)品之一 ，據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織 (WSTS)發(fā)布的統(tǒng)計(jì) 和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，19962005年，全球DSP市場(chǎng)將一 直保持穩(wěn)步增長，其中，2000年的增長率為37%， 2001年為8%，并且從2001年到2005年，增長率將逐 年遞增，2005年的增長率將達(dá)34%。因此，全球 DSP市場(chǎng)的前景非常廣闊，DSP產(chǎn)業(yè)將成為21 世紀(jì) 最具發(fā)展?jié)摿?/p>

44、的朝陽產(chǎn)業(yè)。 華中科技大學(xué) 研究生課程57 2021-7-6 數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器DSPDSP DSP是目前電子工業(yè)領(lǐng)域增長最迅速的產(chǎn)品之一 ，據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織 (WSTS)發(fā)布的統(tǒng)計(jì) 和預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，19962005年，全球DSP市場(chǎng)將一 直保持穩(wěn)步增長，其中，2000年的增長率為37%， 2001年為8%，并且從2001年到2005年，增長率將逐 年遞增，2005年的增長率將達(dá)34%。因此，全球 DSP市場(chǎng)的前景非常廣闊，DSP產(chǎn)業(yè)將成為21 世紀(jì) 最具發(fā)展?jié)摿Φ某柈a(chǎn)業(yè)。 華中科技大學(xué) 研究生課程58 2021-7-6 數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器DSPDSP的應(yīng)用的應(yīng)用

45、 DSP是數(shù)字圖像處理芯片，1400萬像素 華中科技大學(xué) 研究生課程59 2021-7-6 數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器DSPDSP的應(yīng)用的應(yīng)用 典型電機(jī)控制系統(tǒng)功能框圖 華中科技大學(xué) 研究生課程60 2021-7-6 1.7.4 1.7.4 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)ARMARM ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理 器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的 管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性 能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。 ARM的Cortex-M3是32位的 RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系 統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了ARM核心的高性

46、能。 華中科技大學(xué) 研究生課程61 2021-7-6 1.2.4 1.2.4 嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)ARMARM ARM的Cortex-M3處理器是最新一代的嵌入式ARM處理 器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的 管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性 能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。 ARM的Cortex-M3是32位的 RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系 統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了ARM核心的高性能。 華中科技大學(xué) 研究生課程62 2021-7-6 STM32F10 x框圖框圖 華中科技大學(xué) 研究生課程63 2021-7-6 ARM710 結(jié)構(gòu)框圖 華中科技大

47、學(xué) 研究生課程64 2021-7-6 1.8 1.8 計(jì)算機(jī)總線計(jì)算機(jī)總線 1.8.1 總線原理及三態(tài)門總線原理及三態(tài)門 總線總線：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件（也稱模塊）之間傳送 信息的公共通道，由若干條通信線和起驅(qū)動(dòng)、隔離 作用的三態(tài)門組成。 總線傳輸?shù)脑瓌t總線傳輸?shù)脑瓌t：同一時(shí)刻只允許傳輸1個(gè)信號(hào)， 否則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)沖突（即信號(hào)疊加），導(dǎo)致信息傳 輸錯(cuò)誤?？偩€為所連接的多個(gè)部件服務(wù)的方法是分 時(shí)傳輸。 部件與總線的連接部件與總線的連接：通過三態(tài)門來控制。圖1-16是 總線與三態(tài)門的連接圖。 華中科技大學(xué) 研究生課程65 2021-7-6 圖1-16 總線與三態(tài)門的連接 總線連接包括兩個(gè)層次 物理連接：機(jī)械和電氣方面的連接，是指采用什 么樣的電纜和連接器，總線的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸距離， 傳輸線的屏蔽、接地和抗干擾技術(shù)等。 邏輯連接：主要解決基本信息的緩沖與鎖存、總 線握手和總線裁決等問題，也即總線時(shí)序和總線使用 權(quán)分配的問題。 華中科技大學(xué) 研究生課程66 2021-7-6 1)1)總線的操作過程總線的操作過程 掛在總線上的各模塊是通過總線進(jìn)行信息交換，即數(shù)據(jù)傳輸 的，完成一次數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下四個(gè)階段。 1.總線請(qǐng)求和仲裁階段 當(dāng)系統(tǒng)總線上接有多個(gè)總線主模塊時(shí)，需要使用總線的主模 塊向總線提出申請(qǐng)，由總線仲裁機(jī)構(gòu)確定后，把下一個(gè)傳輸周 期的總線