（參考）《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》教案

1、第 周 第 次課 年 月 日章節(jié)名稱第1章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述授 課方 式理論課（*）；實(shí)踐課（）；實(shí)習(xí)（）教學(xué)時(shí)數(shù)2教學(xué)目的及要求1.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理2.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。3. 初步認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類教學(xué)手段介紹、討論與多媒體教學(xué) 主 要內(nèi)容時(shí)間分配計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。初步認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類與裝置種類小結(jié)（15）（30）（35）（5）復(fù)習(xí)思考題1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點(diǎn)是什么？2分析說(shuō)明圖

2、1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用。3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成？4按控制方案來(lái)分，計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)劃分成那幾大類？ 5計(jì)算機(jī)控制裝置可以分成哪幾種機(jī)型？小結(jié)本章概要介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、硬件組成與軟件組成。分別從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案與裝置種類這兩個(gè)不同的角度討論分析了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。本書(shū)將在本章的基礎(chǔ)上漸次對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分展開(kāi)討論。第1章: 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越多地用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。近幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)與傳感技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)水平的提高。 本章主要介

3、紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。§11 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述自動(dòng)控制技術(shù)在許多領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)控制 就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)已成為自動(dòng)控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，并為自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的新天地。§1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成 1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輸出通道D/A輸入通道A/D對(duì)象被控變量y輸入通道（1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖11。圖 1.1

4、 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號(hào)，因此需要有AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟： 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。 實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)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(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。上述過(guò)程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。 （2）在線方式和離線方式在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；

5、生產(chǎn)過(guò)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)行了解并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。 （3）實(shí)時(shí)的含義實(shí)時(shí) 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，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過(guò)程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成典型的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖1.2。生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行機(jī)構(gòu)反多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)量 輸 出 時(shí)鐘操作臺(tái)計(jì)算機(jī)（主機(jī)）接口接口接口接口A/DD/A磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)CRT顯示終端軟件變送器傳感器通用外部設(shè)備主機(jī)、操作臺(tái)接口輸入輸出通道檢測(cè)、變送執(zhí)行被控對(duì)象

6、開(kāi)關(guān)量輸 入以微型計(jì)算機(jī)為核心的過(guò)程控 圖1.2 基本組成：硬件部分和軟件部分。各部件功能簡(jiǎn)介： 硬件部分 主機(jī) 組成：中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)組成。作用：根據(jù)輸入通道送來(lái)的被控對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行信息處理、分析、計(jì)算，作出控制決策，通過(guò)輸出通道發(fā)出控制命令。接口電路 作用：主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換時(shí)，通過(guò)接口電路的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)信息的傳送。過(guò)程輸入/輸出通道 作用：主機(jī)和被控對(duì)象實(shí)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(kāi)關(guān)量輸入通道、開(kāi)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)備和外存儲(chǔ)器。常

7、用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、紙帶輸入機(jī)等，輸入設(shè)備主要用來(lái)輸入程序和數(shù)據(jù)。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。輸出設(shè)備主要用來(lái)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(shí)了解控制過(guò)程。外存儲(chǔ)器有磁盤(pán)、磁帶等，主要用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。操作臺(tái)一般操作臺(tái)有（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器，用以顯示系統(tǒng)運(yùn)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(jì)算機(jī)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(yīng)用軟件。（l）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件：給用戶使用維護(hù)和管理計(jì)算機(jī)專門(mén)設(shè)計(jì)的一類程序，它具有一定的通用性。組成：操作系統(tǒng)、語(yǔ)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(duì)計(jì)算機(jī)本身進(jìn)行管理和控制的一種軟件。計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)處理器、內(nèi)存、設(shè)備以及信息的管理，例如對(duì)上述資源的分配、控制、調(diào)度和回收等。 2語(yǔ)言加工系統(tǒng) 語(yǔ)言加工系統(tǒng)就是將用戶編寫(xiě)的源程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的機(jī)器代碼（目的程序）。語(yǔ)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(kù)組成： (1) 編輯程序： 建立源程序文件的過(guò)程就是由編輯程序完成的。該程序可對(duì)一個(gè)程序進(jìn)行插入、增補(bǔ)、刪除、修改、移動(dòng)等編輯加工，并且在磁盤(pán)上建立源程序文件。 (2) 編譯程序： 將

9、源程序“翻譯”成機(jī)器代碼。 (3)連接、裝配程序： 使用連接、裝配程序可將不同語(yǔ)言編寫(xiě)的不同的程序模塊的源程序連接起來(lái)，成為一個(gè)完整的可運(yùn)行的絕對(duì)位置目標(biāo)程序。 (4)調(diào)試程序： 調(diào)試程序用來(lái)檢查源程序是否符合程序設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。(5)子程序庫(kù)：為了用戶編程方便，系統(tǒng)軟件中都提供了子程序庫(kù)。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(jì)算機(jī)的軟件。 （2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件：是用戶為了完成特定的任務(wù)而編寫(xiě)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(cè)程序和數(shù)據(jù)管理程序等。 控制程序：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象的具體情況來(lái)編寫(xiě)，控制程序的主要目標(biāo)是滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 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(lái)檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)；AD轉(zhuǎn)換及采樣程序；數(shù)字濾波程序用來(lái)濾除干擾造成的錯(cuò)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(cè)元件或變送器的非線性特性用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。 巡回檢測(cè)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(bào)警程序用于在生產(chǎn)中某些量超過(guò)限定值時(shí)報(bào)警；事故預(yù)告程序根據(jù)限定值，檢查被控量的變化趨勢(shì)，若有可能超過(guò)限定值，則發(fā)出事故預(yù)告信號(hào)；畫(huà)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(jì)報(bào)表程序；產(chǎn)品銷售、生產(chǎn)

11、調(diào)度及庫(kù)存管理程序；產(chǎn)值利潤(rùn)預(yù)測(cè)程序等。3.工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn) 可靠性高和可維修性好。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 控制的實(shí)時(shí)性。 完善的輸入輸出通道。 豐富的軟件。 適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)精度和運(yùn)算速度。§1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。 1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(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(dǎo)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(guò) 程計(jì) 算 機(jī)打印機(jī)調(diào)節(jié)器CRT 圖1.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)象。 該控制系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)

12、。 2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，簡(jiǎn)稱DDC）系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 14。工作過(guò)程： （略）DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(guò) 程 圖 1.4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：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)可控制幾個(gè)或幾十個(gè)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(jié)構(gòu)形式，如圖 1 5。工作過(guò)程： （略）監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖。模擬 調(diào)節(jié)器DDC計(jì)算機(jī)生 產(chǎn) 過(guò) 程生 產(chǎn) 過(guò) 程SSC計(jì) 算

13、 機(jī)SSC計(jì) 算 機(jī)記錄顯示打印記錄顯示打印調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)測(cè)量測(cè)量設(shè)定值設(shè)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(dāng)SCC微型機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。 （2）SCC加上DDC的分級(jí)控制系統(tǒng) 這實(shí)際上是一個(gè)分級(jí)控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔微型機(jī)，它與DDC之間通過(guò)接口進(jìn)行信息了解。 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(diǎn)：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，把系統(tǒng)從上到下分為分散過(guò)程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)，形成分級(jí)分布式控制，其結(jié)構(gòu)如圖

14、16。集中操作監(jiān)控級(jí)管 理計(jì)算機(jī)網(wǎng) 間聯(lián)接器工程師操作站操作員操作站監(jiān) 控計(jì)算機(jī)網(wǎng) 間聯(lián)接器現(xiàn) 場(chǎng)控制站 PLC智 能調(diào)節(jié)器其它測(cè)控裝置至其它局域網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)（LAN)通信聯(lián)絡(luò)綜合信息管理級(jí)分級(jí)過(guò)程控制級(jí) 圖1.6 5現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總統(tǒng)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control SystemFCS）是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。 DCS結(jié)構(gòu)模式為：“操作站控制站現(xiàn)場(chǎng)儀表”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(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)。FCS結(jié)構(gòu)模式為：“工作站現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CS用二層結(jié)構(gòu)完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互

15、連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖17。系統(tǒng)工作過(guò)程：（略）圖17§1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì) 1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENICA正式使用以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)在世界各國(guó)得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，本節(jié)回顧一下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，并討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。§1.2.1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(guò)程 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們可按以下四個(gè)階段來(lái)描述其發(fā)展過(guò)程： （1）開(kāi)創(chuàng)時(shí)期（19551962年） （2）直接數(shù)字控制時(shí)期（19621967年） （3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（19671972年）（4）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年至今） 2計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過(guò)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(jī)控制 （6）代數(shù)系統(tǒng)理論 （7）系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制 §1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù) （1）普及應(yīng)用可編程序