計(jì)算機(jī)控制技術(shù)1

1、第一章 微機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)控制出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代后期，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)。20世紀(jì)70年代以后廣泛使用。計(jì)算機(jī)控制已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域沒有微處理器的產(chǎn)品不能稱為先進(jìn)的產(chǎn)品，沒有計(jì)算機(jī)的控制談不上現(xiàn)代工業(yè)控制。8/5/202211.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成與分類自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)8/5/202221.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行器被控對(duì)象 控制器控制量操作量輸入量系統(tǒng)輸出（給定量）開環(huán)控制執(zhí)行器被控對(duì)象檢測裝置校正裝置 （控制器）輸入量控制量誤差操作量系統(tǒng)輸出-擾動(dòng)（給定量）閉環(huán)控制控制的目的 系統(tǒng)輸出滿足給定

2、的要求8/5/202231.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)： 數(shù)字化； 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律； 改變控制規(guī)律，不必改動(dòng)硬件，只要修改控制程序即可。檢測裝置 數(shù)字 控制器給定值A(chǔ)/DD/A執(zhí)行器被控對(duì)象-計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖8/5/202241.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成硬件軟件主機(jī)過程通道人機(jī)聯(lián)系設(shè)備應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成8/5/20225采樣裝置變送器變送器保持保持多路轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)/模 轉(zhuǎn)換開關(guān)量輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)量輸出轉(zhuǎn)換被控對(duì)象計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線CPURAMROM 操作控制臺(tái)過程通道接口接口接口接口接口放大計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)模擬量

3、輸入通道模擬量輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道主機(jī)與操作臺(tái)8/5/20226一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)1、主機(jī)：由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器ROM、RAM和系統(tǒng)總線等幾部分組成，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計(jì)算、報(bào)警等。同時(shí)，通過接口電路向系統(tǒng)的各個(gè)部分發(fā)出各種控制命令，指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有條不紊地工作。常用微處理器： 8位：MCS-51、M6800 16位：MCS-96、8086、68000等 32位：80386、80486 64位：Pentium8/5/20227工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)嵌入式CPU卡一體

4、化工業(yè)控制計(jì)算機(jī)平板式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8/5/20228一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)人機(jī)聯(lián)系設(shè)備2、控制操作臺(tái)（人機(jī)聯(lián)系設(shè)備） 控制操作臺(tái)組成：CRT顯示器或LED數(shù)碼管顯示器、打印機(jī)、記錄儀等輸出裝置。鍵盤、功能控制按鈕和扳鍵等輸入裝置。計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器，如硬盤、磁盤機(jī)、磁帶機(jī)等。狀態(tài)指示和報(bào)警指示的指示燈和聲報(bào)警器。 控制操作臺(tái)是人與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)系的必要設(shè)備，在控制操作臺(tái)上隨時(shí)顯示記錄系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和被控對(duì)象的參數(shù)，使操作人員及時(shí)地了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)，進(jìn)行必要的干預(yù)，修改有關(guān)參數(shù)或緊急處理某些事件。另一方面，操作人員也可在控制操作臺(tái)修改程序。8/5/202298/5/202210一、計(jì)

5、算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)人機(jī)聯(lián)系設(shè)備（1）作用開關(guān)：功能控制按鈕和扳鍵，如：電源開關(guān)、自動(dòng)/手動(dòng)切換開關(guān)等，通過接口與計(jì)算機(jī)相連，以完成對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)、暫停，對(duì)控制系統(tǒng)的啟?？刂?，對(duì)工作方式、控制算法和控制方式的選擇； （2）操作鍵盤：包括數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵用來輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)，功能鍵使計(jì)算機(jī)進(jìn)入功能鍵所代表的功能服務(wù)程序，如打印、幫助、顯示等。（3）CRT顯示器或LED數(shù)碼管：顯示器用來顯示操作人員所要了解的內(nèi)容，或監(jiān)視系統(tǒng)工作進(jìn)程及畫面顯示等等。（4）打印機(jī)及記錄儀：打印記錄設(shè)備用來打印、記錄各種參數(shù)、數(shù)據(jù)和曲線。（5）計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器，如硬盤、磁盤機(jī)、磁帶機(jī)等。（6）狀態(tài)和報(bào)警指示的

6、指示燈和聲報(bào)警器。8/5/202211一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)過程通道3、過程通道 過程通道是計(jì)算機(jī)與被控對(duì)象之間交換數(shù)據(jù)信息的橋梁，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按特殊要求設(shè)置的部分。 按傳輸信號(hào)的形式可分為模擬量通道和開關(guān)量通道 按信號(hào)的傳輸方向可分為輸入通道和輸出通道 過程通道有以下幾種 模擬量輸入通道（Analog Inputs，AI） 模擬量輸出通道（Analog Outputs，AO） 開關(guān)量輸入通道（Digital Inputs，DI） 開關(guān)量輸出通道（Digital Outputs，DO） 脈沖量輸入通道（Pulse Input，PI）8/5/202212一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)過程

7、通道模擬量輸入通道（AI）：用來將被控對(duì)象的模擬量被控參數(shù)（被測參數(shù)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送至計(jì)算機(jī)。模擬量輸出通道（Analog Outputs，AO）：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)基本上是，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)變換為模擬的電壓或電流信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。開關(guān)量輸入通道（Digital Inputs，DI）：將現(xiàn)場的各種開關(guān)、限位或各種繼電器的狀態(tài)輸入計(jì)算機(jī)。如：直流電壓信號(hào)或開關(guān)、繼電器的觸點(diǎn)狀態(tài)（干接點(diǎn)）。開關(guān)量輸出通道（Digital Outputs，DO）：用來控制系統(tǒng)中的繼電器、接觸器、電磁閥門、指示燈、聲光報(bào)警器等只有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。輸出信號(hào)：交流電壓、電流信號(hào)，直流電壓、電流信號(hào)。

8、脈沖量輸入通道（Pulse Input，PI）：用來測量一些機(jī)械計(jì)數(shù)裝置輸出的脈沖信號(hào)。如轉(zhuǎn)速計(jì)、渦輪流量計(jì)。8/5/202213一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)檢測元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)4、檢測元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）傳感器：把非電量（如：溫度、壓力、流量、液位、成分等）轉(zhuǎn)換為電量（電壓、電流）。如：溫度傳感器、壓力傳感器等溫度溫度溫度傾角流量8/5/202214一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)檢測元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu) （2）執(zhí)行器：控制被控參數(shù)的流入量。執(zhí)行器有電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)控制的，也有采用電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、可控硅元件控制的。電動(dòng)閥氣動(dòng)閥電液比例閥8/5/202215二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)軟件有系

9、統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件（一）系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)操作運(yùn)行的基本條件之一，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理、硬件管理等功能，包括程序設(shè)計(jì)語言、編譯程序、診斷程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等軟件。系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)廠家提供，是專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。如：操作系統(tǒng)：Windows,DOS；開發(fā)系統(tǒng)：C51,TURBO C, C+，LABView,CVI等；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：SQL Server,FoxPro等 8/5/202216二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件應(yīng)用軟件（二）應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)自己的需要，面向生產(chǎn)過程，自行編制的控制程序、控制算法程序及一些服務(wù)程序，它的質(zhì)量的好壞直接影響控制系統(tǒng)的控制效果

10、?？刂瞥绦虬▽?duì)系統(tǒng)的直接檢測、控制的前沿程序，包括人機(jī)聯(lián)系、對(duì)外圍設(shè)備管理的服務(wù)性程序，還有保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的自檢程序等?？刂扑惴ǔ绦虬ㄟ^程控制的常用算法和針對(duì)控制對(duì)象設(shè)計(jì)的專用算法。如PID,串級(jí)調(diào)節(jié)，比值調(diào)節(jié)、前饋調(diào)節(jié)等，以及最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)等算法。服務(wù)程序包括基本運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、數(shù)碼轉(zhuǎn)換、格式編輯等程序。8/5/2022171.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類根據(jù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，可以分成以下幾種類型：（1）操作指導(dǎo)系統(tǒng)（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng) （3）計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)（4）集散控制系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)）（5）嵌入式系統(tǒng)（6）現(xiàn)場總線系統(tǒng)8/5/2022181.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

11、的分類操作指導(dǎo)系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）（Data Acquisition and Processing System)：對(duì)現(xiàn)場隨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量等）進(jìn)行巡回檢測、收集、記錄、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算、分析、判斷和處理，由顯示器或打印機(jī)列出處理結(jié)果，供操作人員掌握和分析生產(chǎn)情況。若遇到某個(gè)參數(shù)超過限定值，操作人員還可進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)并不直接控制生產(chǎn)過程。系統(tǒng)特點(diǎn)：簡單、安全可靠。 缺點(diǎn)：需人工操作，操作速度慢，不能同時(shí)操作幾個(gè)回路。 多路轉(zhuǎn)換模/數(shù) 轉(zhuǎn)換開關(guān)量通道轉(zhuǎn)換被控對(duì)象計(jì)算機(jī)顯示打印報(bào)警數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)8/5/2022191.1.3 計(jì)算

12、機(jī)控制系統(tǒng)的分類直接數(shù)字控制系統(tǒng)使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果與給定值比較，然后按照事先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，并將控制量通過接口直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程。系統(tǒng)特點(diǎn)：靈活性大，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律。 缺點(diǎn)： 危險(xiǎn)集中。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control，DDC）被控對(duì)象計(jì)算機(jī)檢測輸入通道接口執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出通道接口打印報(bào)警顯示鍵盤直接數(shù)字控制系統(tǒng)8/5/2022201.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類監(jiān)督控制系統(tǒng)(3) 監(jiān)督控制系統(tǒng)（Supervisory Computer Control，SCC）

13、兩級(jí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)是監(jiān)督計(jì)算機(jī)，面向被控對(duì)象的下位機(jī)可以是DDC系統(tǒng)或模擬調(diào)節(jié)器。監(jiān)督計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)是采集現(xiàn)場信息，根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)控制和其它復(fù)雜的控制，指揮下位機(jī)工作，并可調(diào)整下位機(jī)的設(shè)定值，向操作人員發(fā)出操作指示。當(dāng)某臺(tái)下位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，上位機(jī)也可以代替下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制操作。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)特點(diǎn)： 可以控制多個(gè)回路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可靠性高，如果下位控制器出現(xiàn)故障，可以由上位計(jì)算機(jī)行使控制功能。缺點(diǎn)：基于模型的控制，實(shí)現(xiàn)比較困難。被控對(duì)象模入通道 模擬 調(diào)節(jié) 器模出通道監(jiān)督計(jì)算機(jī)打印報(bào)警顯示鍵盤以模擬調(diào)節(jié)器為下位機(jī)的監(jiān)督控制系統(tǒng)被控對(duì)象模入通道模出通道監(jiān)

14、督計(jì)算機(jī)打印報(bào)警顯示鍵盤 DDC 計(jì)算 機(jī)以DDC為下位機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)8/5/2022211.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類集散控制系統(tǒng)(4) 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS，分布式控制系統(tǒng)）管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)CRT操作站基本控制器基本控制器基本控制器現(xiàn)場控制對(duì)象通信總線集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)特點(diǎn)：多級(jí)多層結(jié)構(gòu)，集中管理，分散控制多臺(tái)以微處理器為核心的控制器分散于整個(gè)生產(chǎn)過程的各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)；整個(gè)系統(tǒng)采用單元模塊組合式結(jié)構(gòu)，各個(gè)單元通過通信線路連接成一個(gè)整體，由中央管理計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。8/5/202222 通信控制器DDCDDCDDCDDC 通信控

15、制器DDCDDCDDCDDC 通信控制器DDCDDCDDCDDC第n層樓面控制子系統(tǒng)第2層樓面控制子系統(tǒng)集中監(jiān)控主干網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器區(qū)域控制計(jì)算機(jī)照明 空調(diào) 給排水 電視監(jiān)控照明 空調(diào) 給排水 電視監(jiān)控照明 空調(diào) 給排水 電視監(jiān)控區(qū)域控制計(jì)算機(jī)區(qū)域控制計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)電梯運(yùn)行管理消防監(jiān)控安保監(jiān)控第1層樓面控制子系統(tǒng)現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)BAS系統(tǒng)8/5/202223網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)監(jiān)測中央管理空調(diào)系統(tǒng) 通信控制器 DDC DDC DDC DDC照明系統(tǒng) 通信控制器 DDC DDC DDC DDC電梯監(jiān)控系統(tǒng) 通信控制器 DDC DDC DDC DDC安保系統(tǒng) 通信控制器 DDC

16、DDC DDC DDC （局域控制計(jì)算機(jī) 或分站計(jì)算機(jī)）BAS系統(tǒng)8/5/2022241.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)（5）嵌入式系統(tǒng)（Embedded system） 一般指非PC系統(tǒng)，它具有計(jì)算機(jī)的功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備或器材。嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入被控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體，具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系。8/5/2022251.1.3 計(jì)算機(jī)

17、控制系統(tǒng)的分類嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的分類： （1）嵌入式微處理器(EMPU): 采用通用計(jì)算機(jī)的CPU , 如：386EX，改進(jìn)后適應(yīng)工業(yè)控制的要求?！厩度胧接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，PC104】 （2）嵌入式控制器(EMCU)：單片機(jī)，是嵌入式系統(tǒng)的主流。產(chǎn)品種類多。 （3）嵌入式DSP處理器(EDSP)：在數(shù)字信號(hào)處理方面有優(yōu)勢(shì)，多種常用的數(shù)字信號(hào)處理算法被植入。TI公司的TMS320XX系列。 （4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC）：超大規(guī)模集成電路技術(shù)的產(chǎn)物。把應(yīng)用系統(tǒng)的大部分功能集中在一個(gè)或幾個(gè)芯片上。如：ARM，C8051F8/5/2022261.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（6）現(xiàn)場總

18、線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）FCS是DCS的更新?lián)Q代產(chǎn)品，產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代，是目前工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)熱點(diǎn)。特點(diǎn)：1. 數(shù)字化的信息傳輸；2. 分散的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；3. 方便的互操作性；4. 開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；5. 多種傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。8/5/2022271.1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)通訊與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域。FCS的核心是現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線是一種數(shù)字協(xié)議，是連接現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、全分散、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 FCS技術(shù)具有現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、互操作性等特點(diǎn)，適應(yīng)設(shè)備自動(dòng)控制的需要。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)8/5/202228終結(jié)器終結(jié)器串行網(wǎng)絡(luò)適配器調(diào)制解調(diào)器計(jì)算機(jī)路由器節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)路由器節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)路由器和信道電源節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)路由器和信道電源節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)調(diào)制解調(diào)器電話網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口計(jì)算機(jī)1.25M雙絞線主信道遠(yuǎn)距離監(jiān)控站網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口計(jì)算機(jī)安裝工具自由拓?fù)潆p絞線信道電力線信道信道電源雙絞線信道自由拓?fù)?信道電源 雙絞線信道PC卡便攜式計(jì)算機(jī)安裝維護(hù)工具基于LONWORK的控制網(wǎng)絡(luò)8/5/2022291.1.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)