第一章計算機(jī)控制技術(shù)緒論

計算機(jī)控制技術(shù)揚州大學(xué)11、幾個現(xiàn)象(1)

就業(yè)難、用工荒并存

中國在校大學(xué)生數(shù)量：1998年是340萬，2011年大概是3000萬左右。2010年大學(xué)畢業(yè)生640萬，全年需要就業(yè)的人員將達(dá)2400萬人左右。2010年普通高校招生657萬。高校擴(kuò)招后的10年間，我國研究生人數(shù)增加到150萬左右，2010年研究生招生53.4萬人。

每年春節(jié)后用工荒嚴(yán)重。2011-08-25媒體報道，在珠海的建筑工地上，泥水工一類的農(nóng)民工是以天計工資，他們的日薪是250元，就連最普通的雜工日薪也漲到200元/天。一、背景2

(2)

用人單位要求的學(xué)歷層次越來越高，本科生從事的工作大多數(shù)是工程設(shè)計、安裝、運行、維護(hù)、管理等，高學(xué)歷搶低學(xué)歷人員飯碗（殯葬工、掏糞工、賣豬肉等）；

(3)

企業(yè)更喜歡招來就能用的人才，不愿意花費精力和財力培訓(xùn)員工；

(4)地方院校生源質(zhì)量下降；(5)考研熱。一、背景3年份報名數(shù)(萬)增長率錄取數(shù)(萬)報錄比例201014013%46.53:12009124.63.8%47.53.3:12008120--393.0:12007128.20.8%36.43.5:12006127.128.4%40.283.2:12005117.224.0%32.4943.6:1200494.518.3%332.9:1200379.728.0%272.9:1200262.435.7%19.53.2:120014617.3%11.054.2:1200039.222.9%8.54.6:1199931.916.4%6.54.9:1199827.413.2%5.84.7:1

數(shù)據(jù)供參考2011年全國考研人數(shù)165萬,26萬人報考北京高校；教育部長袁貴仁：2011年研究生擴(kuò)招總規(guī)模達(dá)30%。考研熱：43千余人同上考研輔導(dǎo)課

2011年8月2日，眾多學(xué)生在濟(jì)南皇亭體育館內(nèi)上考研輔導(dǎo)課。該考研輔導(dǎo)班由濟(jì)南一家培訓(xùn)機(jī)構(gòu)組織，為期1個月，共有約3500名學(xué)生同時上課，其中80%的學(xué)生來自濟(jì)南的高校。主辦方在體育館內(nèi)安裝了3塊投影屏，以便館內(nèi)每個角落的學(xué)生都能看到授課內(nèi)容。為緩解上課壓力，主辦方還請來專業(yè)雜技演員在課間休息時表演，放松學(xué)生心情。不少參加輔導(dǎo)班的學(xué)生表示，時下就業(yè)壓力較大，所以放棄了寶貴的暑假，投身到考研輔導(dǎo)大軍中來，期待在來年的研究生入學(xué)考試中順利過關(guān)，為將來成功就業(yè)添一份籌碼。新華社發(fā)（崔健攝）

5典型的自動控制控制應(yīng)用：機(jī)器人手臂NI視頻大挑戰(zhàn)視頻城市大挑戰(zhàn)視頻大狗視頻人形機(jī)器人、日本Honda機(jī)器人核化偵察機(jī)器人工業(yè)自動化智能家居……6

什么是自動控制?

在無人直接參與的情況下，通過控制器使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。應(yīng)用場合：宇航、火器控制、電力系統(tǒng)、機(jī)床（數(shù)控）、熱工、化工、家用電器等。

D(s)G(s)r(t)+y(t)_e(t)u(t)y(t)7什么是計算機(jī)控制？

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們越來越多地用計算機(jī)來實現(xiàn)控制系統(tǒng)。即用計算機(jī)的硬件和軟件來實現(xiàn)控制器的功能。這是用計算機(jī)取代模擬控制器的初衷。

特點：

1.用軟件可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律；

2．可以顯示、存儲、打印系統(tǒng)的運行狀態(tài)。具有報警 功能；人機(jī)接口功能。

3．控制規(guī)律可以很方便的改變。

4．通訊組網(wǎng)功能。

計算機(jī)控制=計算機(jī)技術(shù)+自動控制理論+

通訊技術(shù)+網(wǎng)絡(luò)技術(shù)81.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述IntroductiontoComputerControlSystems91-1-1計算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象測量變送器設(shè)定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a

單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖ym按偏差e進(jìn)行控制，目的是減少或消除偏差。1.1計算機(jī)控制系統(tǒng)概述101.計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制系統(tǒng)：應(yīng)用計算機(jī)（控制計算機(jī)）來實現(xiàn)生產(chǎn)過 程自動控制的系統(tǒng)。（1）計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送器的信號進(jìn)行檢測和輸入。實時決策控制：對采集的信號分析處理，按已定的控制規(guī)律，決定控 制行為。實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對控制機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號。

實時報警： 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，及時發(fā)出聲光信號，并記錄故障。單回路計算機(jī)控制系統(tǒng)示意圖u計算機(jī)保持器被控對象測量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)yYm(kT)采樣器A/DD/A計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定值r(kT)11(2)有關(guān)計算機(jī)控制的幾個概念在線形式與離線形式在線方式：生產(chǎn)過程和計算機(jī)直接相連，受計算機(jī)控制。 亦稱聯(lián)機(jī)方式。離線方式：生產(chǎn)過程不和計算機(jī)相連，不受計算機(jī)控制， 靠人進(jìn)行聯(lián)系并進(jìn)行相應(yīng)操作。亦稱脫機(jī)方 式。12閉環(huán)與開環(huán)

開環(huán)：計算機(jī)僅采集生產(chǎn)過程的參數(shù)，經(jīng)處理后送至打印機(jī)、 顯示器。不直接改變生產(chǎn)過程的參數(shù)。

閉環(huán)：計算機(jī)直接參加控制。實時的含義

實時：信號的輸入、計算和輸出都要在規(guī)定的時間段內(nèi)完成。計算機(jī)以足夠快的速度進(jìn)行處理，超出了這個時間段，就失去了控制的時機(jī)，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)不一定就是一個實時系統(tǒng)，但一個實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。13

計算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖計算機(jī)控制系統(tǒng)可以分為兩大組成部分：控制計算機(jī)和生產(chǎn)過程1.計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成141.計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成152.常用的計算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)（1）PLC162.常用的計算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)（2）工業(yè)控制計算機(jī)172.常用的計算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)（3）嵌入式系統(tǒng)（嵌入式微處理器；嵌入式微控制器；嵌入式微DSP；嵌入式微片上系統(tǒng)）182.常用的計算機(jī)控制系統(tǒng)主機(jī)（4）智能調(diào)節(jié)器192.計算機(jī)在控制系統(tǒng)中的主要作用進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理對生產(chǎn)過程實施實時控制

對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督與管理3.

計算機(jī)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點組成方式靈活能實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益為實現(xiàn)企業(yè)綜合自動化打下了良好的基礎(chǔ)201.1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類ClassificationofComputerControlSystem21操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)組成框圖顯示終端打印機(jī)微型機(jī)工業(yè)對象A/D轉(zhuǎn)換器采樣器測量元件調(diào)節(jié)器1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

計算機(jī)根據(jù)控制算法和測量元件測得的信號數(shù)據(jù)，計算出供操作人員選擇的最優(yōu)操作條件及操作方案。22操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。計算機(jī)根據(jù)控制算法(數(shù)學(xué)模型)和測得的信號數(shù)據(jù)，計算出最優(yōu)操作條件及操作方案。操作人員根據(jù)計算機(jī)的輸出信息（CRT顯示圖形或數(shù)據(jù)、打印機(jī)輸出）等去改變控制器的給定值或直接操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的特點:

①結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全；②可減少大量常規(guī)顯示、記錄儀表；③無輸出過程通道；④人工操作，速度受到限制，不易控制多個對象。23計算機(jī)巡回檢測系統(tǒng)數(shù)

字計算機(jī)CRT打印機(jī)報警過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程執(zhí)行機(jī)構(gòu)

人主要用于記錄生產(chǎn)過程的運行信息，輸入通道較多。242.計算機(jī)直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)252.計算機(jī)直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)直接數(shù)字控制(DDC)計算機(jī)CRT打印機(jī)報警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

……

……計算機(jī)首先通過模入通道、開入通道實時采集數(shù)據(jù)，然后按照控制規(guī)律進(jìn)行計算，最后發(fā)出控制信息，并通過模出通道、開出通道直接控制生產(chǎn)過程。

DDC系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用方式。計算機(jī)取代了模擬調(diào)節(jié)器。26DDC控制的特點：

①系統(tǒng)直接控制生產(chǎn)過程，屬閉環(huán)控制。

②可控制多個回路。

③可實現(xiàn)靈活的控制算法，改變軟件即可變更控制算法。④

對計算機(jī)要求實時性好、可靠性高。273.計算機(jī)監(jiān)督控制(SCC)系統(tǒng)在計算機(jī)監(jiān)督控制SCC(SupervisoryComputerContro1)系統(tǒng)中，計算機(jī)根據(jù)原始工藝信息和采集的過程參數(shù)，按照生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，自動地改變模擬調(diào)節(jié)器或以DDC方式工作的數(shù)字控制器的給定值，從而使生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況(如保持高質(zhì)量、高效率、低消耗、低成本等等)。

SCC的作用是改變控制器的給定值，所以又稱為設(shè)定值控制SPC(SetPointContro1)283.計算機(jī)監(jiān)督控制(SCC)系統(tǒng)SCC系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式：

SCC+模擬調(diào)節(jié)器

SCC+DDC控制系統(tǒng)29SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)原理圖

管理命令報告SCC給定值測量值A(chǔ)/D多路開關(guān)檢測元件生產(chǎn)過程.....

SCC計算機(jī)對各物理量進(jìn)行巡回采集，按數(shù)學(xué)模型對生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計算出生產(chǎn)過程各參數(shù)最優(yōu)給定值，送給模擬調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)SCC微型機(jī)出現(xiàn)故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立完成操作。適用已有模擬調(diào)節(jié)器的企業(yè)技術(shù)改造。模擬調(diào)節(jié)器(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器30管理命令報告SCC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)...SCC+DDC控制系統(tǒng)原理圖

(2)SCC+DDC控制系統(tǒng)實際上是一個二級控制系統(tǒng)。SCC計算機(jī)可采用高檔微型機(jī)，它與DDC計算機(jī)之間通過接口進(jìn)行信息聯(lián)系。SCC計算機(jī)可完成工段、車間一級的最優(yōu)化分析和計算，并給出最優(yōu)給定值，送給DDC級。當(dāng)DDC級微型機(jī)出現(xiàn)故障時，可由SCC微型機(jī)完成DDC的控制功能，這種系統(tǒng)提高了可靠性。31SCC控制的特點：①

一般SCC計算機(jī)不直接參加控制，而是僅給出設(shè)定值；②可使生產(chǎn)過程處于最優(yōu)工況；③

最優(yōu)工況的實現(xiàn)取決于生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型。32計算機(jī)控制發(fā)展初期，控制計算機(jī)采用的是中、小型計算機(jī)，價格昂貴。為充分發(fā)揮計算機(jī)的功能，對復(fù)雜的生產(chǎn)對象的控制都是采用集中控制方式。一臺計算機(jī)控制多個設(shè)備，多個回路。計算機(jī)的可靠性對整個生產(chǎn)過程的影響舉足輕重，一旦計算機(jī)出故障，生產(chǎn)過程陷于癱瘓。采用冗余技術(shù)，另外增加備用計算機(jī)，投資太大。分級計算機(jī)控制思想:在SCC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用多臺計算機(jī)組成的分級控制可以有效地解決一臺計算機(jī)出故障而影響整個系統(tǒng)的弊端。微型計算機(jī)的出現(xiàn)提供了分級控制的物質(zhì)基礎(chǔ)。如何才能解決可靠性問題？33分級計算機(jī)控制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖示分級計算機(jī)控制系統(tǒng)是一個四級系統(tǒng)。裝置控制級（DDC級）車間監(jiān)督級（SCC級）工廠集中控制級（MIS）企業(yè)管理級（MIS）34

集散控制系統(tǒng)是分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDistributedControlSystems）的簡稱。它以微型計算機(jī)為核心，把微型機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來，采用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。

DCS重要特征采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)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。4.計算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）特點：①控制分散，顯示操作集中。②系統(tǒng)可靠性高。35

(1）分散過程控制級直接面向生產(chǎn)過程，是DCS的基礎(chǔ)。它直接完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)控制、順序控制等功能。其輸入信息來自傳感器的信號，如熱電偶、熱電阻、變送器(溫度、壓力、液位)及開關(guān)量等信號，其輸出驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。構(gòu)成這一級的主要裝置有：①現(xiàn)場控制站(工業(yè)控制機(jī))；②可編程序控制器(PLC)；

③智能調(diào)節(jié)器；④其它測控裝置。

PLC36(2）集中操作監(jiān)控級：這一級上的過程管理計算機(jī)實現(xiàn)綜合監(jiān)視設(shè)備運行過程，模擬畫面集中顯示、控制回路組態(tài)和參數(shù)修改、對所有機(jī)電設(shè)備運行過程優(yōu)化處理、運行報告、趨勢圖顯示等。PLC37(3）綜合信息管理級：管理級居于自動化系統(tǒng)的最高一層，它管理的范圍很廣。把這些功能都集成到軟件系統(tǒng)中，通過綜合計劃，在各種變化條件下，結(jié)合多種多樣的條件和能量調(diào)配，以達(dá)到最優(yōu)解決這些問題。PLC385.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

80年代發(fā)展起來的DCS，其結(jié)構(gòu)模式為：“操作站－－控制站－－現(xiàn)場儀表”三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高。用模擬信號傳遞信息。各廠商的DCS有各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式為：“工作站——現(xiàn)場總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)。用數(shù)字信號取代模擬信號，使得現(xiàn)場儀表發(fā)送的信息可經(jīng)串行總線傳至操作站。FCS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。

國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。395.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

405.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

41工作站——現(xiàn)場智能儀表----變送器智能部件工作站——現(xiàn)場智能儀表----智能電磁流量計現(xiàn)場總線智能儀表426綜合自動化系統(tǒng)

由企業(yè)資源信息管理系統(tǒng)ERP（EnterpriseResourcesPlanning）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（ManufacturingExecutionSystem）和生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（ProcessControlSystem）構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，已成為綜合自動化系統(tǒng)的整體解決方案。綜合自動化系統(tǒng)主要包括制造業(yè)的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和流程工業(yè)的計算機(jī)集成過程系統(tǒng)。計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)

計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）43控制計算機(jī)的分類單片機(jī)智能調(diào)節(jié)器44工業(yè)控制機(jī)（IPC）可編程控制器（PLC）45集散系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線（FCS）46DSP47ARM（AdvancedRISCMachines）RISC(ReducedInstructionSetComputer)精簡指令集計算機(jī)

ARM是32位高性能嵌入式處理器48495051525354551.2工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點

StructureandCharacteristicsofindustryControlComputer561-2-1

工業(yè)控制機(jī)的組成工業(yè)控制機(jī)：硬件和軟件兩部分。

硬件：主機(jī)(CPU、RAM、ROM)板、、人－

機(jī)接口、系統(tǒng)支持板、磁盤系 統(tǒng)、通信接口、輸入輸出通道。 內(nèi)部總線和外部總線。

軟件：系統(tǒng)軟件、支持軟件、應(yīng)用軟件。57工業(yè)控制機(jī)的硬件組成框圖

1.工業(yè)控制機(jī)的硬件組成（1）主機(jī)板含CPU、RAM、ROM等。作用：數(shù)值計算、邏輯判斷、數(shù)據(jù)處理。58（2）內(nèi)部總線和外部總線內(nèi)部總線：工控機(jī)內(nèi)部各部分進(jìn)行信息傳送的公共通道，它 是一組信號線的集合。外部總線：工控機(jī)與其它計算機(jī)和智能設(shè)備進(jìn)行信息傳遞的 公共通道。（3）人—機(jī)接口鍵盤、顯示器、打印機(jī)。（4）系統(tǒng)支持功能①監(jiān)視定時器（Watchdog)：俗稱“看門狗”(Watchdog)。 主要作用:當(dāng)系統(tǒng)因干擾或軟故障等原因出現(xiàn)異常 時，如“飛程序”或程序進(jìn)入死循環(huán)，Watchdog可使 系統(tǒng)自動恢復(fù)運行，提高系統(tǒng)的可靠性。59③后備存儲器：

Watchdog和掉電檢測功能均要配置 后備存儲器。后備存儲器一般容量不大，它在系 統(tǒng)掉電后保證所存數(shù)據(jù)不丟失，通常有帶后備電 池的SRAM、E2PROM、FLASH。②電源掉電檢測：工控機(jī)運行時，如出現(xiàn)電源掉 電故障，應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)并保護(hù)當(dāng)時的重要數(shù)據(jù)和各 寄存器的狀態(tài)。一旦上電后，工控機(jī)能從斷電處 繼續(xù)運行。 電源掉電檢測的目的：檢測到交流電源掉電， 保護(hù)現(xiàn)場。60④實時日歷時鐘：控制系統(tǒng)中往往要求時間驅(qū)動和事件驅(qū)動 的能力 在指定時刻設(shè)置某些控制功能，屆時工控機(jī)應(yīng) 自動執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)；工控機(jī)自動記錄某個動作是在何時發(fā)生的。 常用的實時日歷時鐘芯片有DS1216、DS1287等。

要求：

◆在掉電后仍然不停地正常工作。 ◆

記時準(zhǔn)確（5）磁盤系統(tǒng)半導(dǎo)體虛擬盤，軟磁盤，硬磁盤。61（6）通信接口 工業(yè)控制機(jī)與智能外設(shè)通信的接口。RS-232C、IEEE-488接口。（7）輸入輸出通道工業(yè)控制機(jī)與生產(chǎn)過程之間的信號傳遞和變換連接的通道。

模擬量輸入(AI)通道、模擬量輸出(AO)通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸入(DI)通道、數(shù)字量(開關(guān)量)輸出(DO)通道，

作用:

將生產(chǎn)過程的信號變換成主機(jī)能夠接受和識別的代碼；將主機(jī)輸出的控制命令和數(shù)據(jù)，經(jīng)變換后作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電氣開關(guān)的控制信號。622.工業(yè)控制機(jī)的軟件組成

（1）系統(tǒng)軟件 實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序。如Intel的iRMX86、DOS、Windows、UC/OS-II。（2）支持軟件 匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序、組態(tài)程序。（3）應(yīng)用軟件 針對某個生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。包括：輸入程序、控制程序、輸出程序、人機(jī)接口程序、打印顯示程序等。

631-2-2

工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線的定義:

總線:一組信號線的集合，定義了各引線的信號、電氣、機(jī)械特性，使計算機(jī)內(nèi)部各部分之間建立信號聯(lián)系，進(jìn)行信息的傳遞和通信。

按總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和生產(chǎn)的計算機(jī)模板，經(jīng)過不同的組合，可以配置成各種用途的計算機(jī)系統(tǒng)。總線是工業(yè)控制機(jī)的重要組成部分，它包括內(nèi)部總線和外部總線。641.內(nèi)部總線

內(nèi)部總線：計算機(jī)內(nèi)部功能模板之間進(jìn)行通信的總線，它是構(gòu)成完整的計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部信息樞紐。每種型號的計算機(jī)都有自身的內(nèi)部總線，例如PC總線有62根引線，STD總線有56根引線。各種內(nèi)部總線數(shù)目不同，但按功能可分為數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB、電源總線PB四部分。內(nèi)部總線采用母板結(jié)構(gòu)，母板上各插槽的同號引腳都連接在一起。組成計算機(jī)系統(tǒng)的各功能模板插入槽內(nèi)，由總線完成各模板之間的信息傳送。65（1）PC總線指IBM公司創(chuàng)建的IBMPC或IBMPC/XT計算機(jī)的內(nèi)部總線，它是62引腳的并行總線。

IBMPC或IBMPC/XT機(jī)的CPU是Intel公司的8088(準(zhǔn)16位CPU)，它與16位CPU8086相兼容。由于PC總線應(yīng)用十分廣泛，因此，計算機(jī)系統(tǒng)幾乎全部含有這種總線結(jié)構(gòu)，即在總線母板上設(shè)置了多個PC總線插槽。①PC總線插槽引線信號的分布

PC總線共有62條引線，其插槽引線信號的分布如下頁所示。

66②

PC總線插槽引線信號的含義

PC總線插槽引線信號的含義見下頁。

地址線：A0–A19

數(shù)據(jù)線：D0–D7

部分控制線：67D68（2）STD總線

STD總線是56根并行計算機(jī)總線，由MattBiewer研制。美國Prolog和Mostek公司1978年12月首先采用，于1987年批準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。6970712.外部總線(留待7.1數(shù)據(jù)通信技術(shù)介紹)

外部總線：計算機(jī)與計算機(jī)之間或計算機(jī)與其它智能設(shè)備之間進(jìn)行通訊的總線。常用的外部總線有IEEE-488并行總線與RS-232C串行總線。

（1）RS-232C串行通訊總線

RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號，C表示修改次數(shù)。72RS-232C連接插頭：

RS-232C的機(jī)械特性要求使用一個25芯標(biāo)準(zhǔn)連接插頭，每個引腳有固定的定義，下頁表列出了其功能特性?，F(xiàn)在有簡化的9芯連接插頭。

7374RS-232C的電氣特性：采用負(fù)邏輯。 邏輯“1”:-15V～-5V，傳號(MARK)

邏輯“0”:+5V～+15V，空號(SPACE)。其中-5V～+5V用作信號狀態(tài)的變遷區(qū)。

RS-232C總線規(guī)定了其通信距離不大于15米，傳送信號的速率不大于20kbps，每個信號使用一根導(dǎo)線，并公用一根信號地線。759芯RS-232C總線接口標(biāo)準(zhǔn)引腳號信號名稱方向信號功能1DCDPC機(jī)←儀器PC機(jī)收到遠(yuǎn)程信號（載波檢測）2RXDPC機(jī)←儀器PC機(jī)接收數(shù)據(jù)3TXDPC機(jī)→儀器PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)4DTRPC機(jī)→儀器PC機(jī)準(zhǔn)備就緒terminal5GND-信號地6DSRPC機(jī)←儀器儀器準(zhǔn)備就緒7RTSPC機(jī)→儀器PC機(jī)請求發(fā)送數(shù)據(jù)8CTSPC機(jī)←儀器儀器已切換到接收狀態(tài)（清除發(fā)送）9RIPC機(jī)←儀器通知PC機(jī)，線路正常（振鈴指示）76RS-232C信號電平與TTL電平轉(zhuǎn)換： 一般的RS-232C串行接口采用TTL輸入輸出電平，為了滿足RS-232C信號電平，采用集成電路MC1488發(fā)送器和MC1489接收器，進(jìn)行TTL電平與RS-232C電平的相互轉(zhuǎn)換及接口，如下圖所示。缺點：傳送距離短，由于采用單端輸入和公共信號地 線，所以容易引進(jìn)干擾。77電平轉(zhuǎn)換芯片介紹

(1)驅(qū)動器的輸出電平邏輯0：+5V～+15V；邏輯1：-5V~-15V(2)接收器的輸入檢測電平邏輯0：＞+3V；邏輯1：＜-3VRS-232C使用的是負(fù)邏輯。

MAX23278（2）IEEE-488并行通訊總線

IEEE-488總線也稱GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）總線。由美國HP公司提出，命名為HP-IB。IEEE以此為基礎(chǔ)，制定了IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)(GPIB)。79①IEEE-488總線的約定及特點

總線電纜為無源電纜線，包括16條信號線和8條地線；

系統(tǒng)中通過總線互連的設(shè)備不得超過15臺；

總線電纜長度不超過20米，或儀器設(shè)備數(shù)乘分段電纜長度總和不超過20米；

信號傳輸速率一般為500kbps，最大傳輸速率為1Mbps；

地址容量為：“聽”地址31個，“講”地址31個，最多地址容量可擴(kuò)展到961個；

總線上傳輸?shù)南樨?fù)邏輯:

低電平（≤+0.8V）為邏輯“1”， 高電平（≥2.0V）為邏輯“0”；

采用按位并行，字節(jié)串行、三線握手、雙向異步的傳輸方式。80②總線的一般描述

總線所連的設(shè)備有三種類型：控者、聽者、講者?！爸v者”：講者是產(chǎn)生和向總線發(fā)送設(shè)備消息的設(shè)備。一個系統(tǒng)可以有兩個以上的講者，但在任一時刻只能有一個講者向總線發(fā)送設(shè)備消息。81“聽者”：聽者是從總線上接收消息的設(shè)備。在系統(tǒng)內(nèi)，可以同時有若干個聽者同時接收同樣的消息。

“控者”：控者是數(shù)據(jù)傳輸過程的組織者和控制者。它指定每次數(shù)據(jù)傳輸過程的講者和聽者，處理其它設(shè)備提出的服務(wù)請求，對接口進(jìn)行管理等。通常，由計算機(jī)充當(dāng)控者，允許系統(tǒng)中有多臺設(shè)備具有控制功能，但每一時刻只有一臺設(shè)備充當(dāng)控者。

82③總線的引腳分配及功能

IEEE-488采用24芯D型插頭座，它們的引線分配如下表所示。831-2-3

工業(yè)控制機(jī)的特點1.可靠性高和可維修性好可靠性和可維修性對控制系統(tǒng)來說是兩個非常重要的因素，決定著系統(tǒng)的可用程度。

可靠性的簡單含義是指設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)運行不發(fā)生故障。可維修性是指工控機(jī)發(fā)生故障時，維修快速、簡單、方便。

2.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，這就要求工控機(jī)適應(yīng)高溫、高濕、腐蝕、振動、沖擊、灰塵等環(huán)境。

工業(yè)環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重，供電條件不良，工業(yè)控制機(jī)必須要有極高的電磁兼容性。843.控制的實時性

工業(yè)控制機(jī)應(yīng)具有時間驅(qū)動和事件驅(qū)動能力，要能對生產(chǎn)過程工況變化實時地進(jìn)行監(jiān)視和控制。為此，需要有實時時鐘和中斷系統(tǒng)，有條件最好用實時操作系統(tǒng)。4.完善的輸入輸出通道

為了對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，需要給工業(yè)控制機(jī)配備完善的輸入輸出通道，如模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、人-機(jī)通信設(shè)備等。855.豐富的軟件

工業(yè)控制機(jī)應(yīng)配備較完整的操作系統(tǒng)、適合生產(chǎn)過程控制的應(yīng)用程序。工業(yè)控制軟件正向結(jié)構(gòu)化、組態(tài)化方向發(fā)展6.適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)精度和運算速度一般的生產(chǎn)過程，對于控制精度和運算速度要求并不苛刻。通常字長為8～32位，速度在每秒幾萬次至幾百萬次即可。隨著自動化程度的提高，對于精度和運算速度的要求也在不斷提高，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用對象及使用方式，選擇合適的機(jī)型。861-3計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與趨勢

1946年世界上第一臺電子計算機(jī)ENICA正式使用以來，電子計算機(jī)在世界各國得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。

計算機(jī)控制技術(shù)是自動控制理論與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的發(fā)展同樣也離不開自動控制理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。871-3-1計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程（1）開創(chuàng)時期（1955～1962年）（2）直接數(shù)字控制時期（1962～1967年）（3）小型計算機(jī)時期（1967～1972年）（4）微型計算機(jī)時期（1972年至今）881.計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過程

50年代中期在生產(chǎn)過程控制中采用數(shù)字計算機(jī)。1956年3月，美國德州的一個煉油廠與美國的TRW航空工業(yè)公司進(jìn)行計算機(jī)控制研究。歷經(jīng)3年的努力，設(shè)計出了一個采用RW－300計算機(jī)控制的聚合裝置的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)控制26個流量、72個溫度、3個壓力、3個成分。控制目的是使反應(yīng)器的壓力最小，確定對5個反應(yīng)器供料的最佳分配，根據(jù)催化劑活性測量結(jié)果來控制熱水的流量以及確定最優(yōu)循環(huán)。

TRW公司的這項開創(chuàng)性工作，為計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。從此，計算機(jī)控制技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。89（1）開創(chuàng)時期(1955～1962年)

早期計算機(jī)使用電子管，體積龐大，價格昂貴，可靠性差，所以它只能從事一些操作指導(dǎo)和設(shè)定值控制。過程控制向當(dāng)時的計算機(jī)提出了許多特殊的要求，需要它對各種過程命令作出迅速響應(yīng)，從而導(dǎo)致中斷技術(shù)的發(fā)明，使計算機(jī)能夠?qū)Ωo迫的過程任務(wù)及時做出反應(yīng)。

90（2）直接數(shù)字控制時期(1962～1967年)

早期的計算機(jī)控制按照監(jiān)督方式運行，屬于操作指導(dǎo)或設(shè)定值控制，仍需要常規(guī)的模擬控制裝置。

1962年，英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司利用計算機(jī)完全代替了原來的模擬控制。該計算機(jī)控制224個變量和129個閥門。由于計算機(jī)直接控制過程變量，完全取代了原來的模擬控制，稱這樣的控制為直接數(shù)字控制，簡稱DDC。采用DDC系統(tǒng)的初始投資較大，以后增加一個控制回路并不需要增加很多費用。靈活性是DDC系統(tǒng)的又一個優(yōu)點，改變模擬控制系統(tǒng)需要改變線路，而改變計算機(jī)控制系統(tǒng)只需要改變程序即可。

DDC是計算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展方向上的重大變革，為以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。91（3）小型計算機(jī)時期(1967～1972年)

整個60年代計算機(jī)技術(shù)有了很大的發(fā)展，主要特點：體積更小，速度更快，工作可靠，價格更便宜。

60年代后半期，出現(xiàn)了各種類型的適合工業(yè)控制的小型計算機(jī)，使得計算機(jī)控制系統(tǒng)不再是大型企業(yè)的工程項目，對于較小的工程問題也能利用計算機(jī)來控制。由于小型機(jī)的出現(xiàn)，過程控制計算機(jī)的臺數(shù)迅速增長。

92（4）微型計算機(jī)時期(1972年～至今)

在1972年之后，微型計算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，使計算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)入了嶄新的階段。在1980年代，出現(xiàn)了超大規(guī)模集成電路，以此制造了各種類型的計算機(jī)。制造出大量的分級遞階控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)、專用控制器等，對工業(yè)的發(fā)展起到了巨大促進(jìn)作用。與計算機(jī)的硬件相比，計算機(jī)控制的軟件的發(fā)展則慢得多，在20世紀(jì)50年代至70年代，軟件生產(chǎn)的改進(jìn)很有限。到70年代末，很多計算機(jī)控制系統(tǒng)仍采用匯編語言編程?，F(xiàn)在流行用高級語言進(jìn)行實時控制，如C、BASIC、Forth等語言，這是今后的發(fā)展方向。

932．計算機(jī)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(jī)控制（6）代數(shù)系統(tǒng)理論（7）系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制（8）先進(jìn)控制技術(shù)942．計算機(jī)控制理論的發(fā)展過程

采樣定理所有的計算機(jī)控制系統(tǒng)都使用數(shù)字計算機(jī)，它們只能按離散的過程變量值來工作。存在采樣過程，如何采樣，信號才能重現(xiàn)出來。此關(guān)鍵性的問題由乃奎斯特解決了。他證明，要把正弦信號從它的采樣值中復(fù)現(xiàn)出來，每周期至少必須采樣兩次。香農(nóng)(Shannon)于1949年在他的重要論文中完全解決了這個問題。95差分方程

采樣系統(tǒng)理論的最初起源與某些特殊控制系統(tǒng)的分析有關(guān)。奧爾登伯格和薩托里厄斯在1948年研究落弓式檢流計的特性，這項研究對采樣系統(tǒng)理論做出了最早的貢獻(xiàn)。許多采樣系統(tǒng)的特征都可以通過分析一個線性時不變的差分方程來理解，即用差分方程代替了微分方程。 例如，穩(wěn)定性研究可以采用舒爾—科恩法，它相當(dāng)于連續(xù)時間系統(tǒng)的勞斯—霍爾維茲判據(jù)。96

Z變換法

拉氏變換理論是連續(xù)時間系統(tǒng)分析的重要工具。為采樣系統(tǒng)建立一種類似的變換理論將簡化系統(tǒng)分析與設(shè)計。霍爾維茲于1947年對序列{f(kT)}引進(jìn)了一個變換，定義為

這種變換由拉格茲尼和扎德于1952年定義為Z變換。97狀態(tài)空間理論

狀態(tài)空間理論的建立得益于來自許多數(shù)學(xué)家的共同努力。例如，萊夫謝茲、龐特里亞金、貝爾曼。卡爾曼把狀態(tài)空間法應(yīng)用于控制理論，享有較高的聲譽，他建立了許多概念并解決了許多重要問題。

最優(yōu)控制與隨機(jī)控制

在二十世紀(jì)50年代后期，貝爾曼(1957年)與龐特里亞金等人(1962年)證明了許多設(shè)計問題都可以形式化為最優(yōu)化問題。60年代初，隨機(jī)控制理論的發(fā)展，引出所謂線性二次型高斯(LQG)理論。98

代數(shù)系統(tǒng)理論

代數(shù)系統(tǒng)理論對線性系統(tǒng)理論有了更好的理解，并應(yīng)用多項式方法解決特殊問題。

系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制

奧斯特隆姆和威頓馬克等人在系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制方面作出了重要貢獻(xiàn)。在理論聯(lián)系實際方面，奧斯特隆姆教授處于領(lǐng)先地位，他提出的自校正調(diào)節(jié)器便是一個突出的例子。991-3-2計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

根據(jù)目前計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展情況，展望未來，前景誘人。要發(fā)展計算機(jī)控制技術(shù)，必須對生產(chǎn)