第1章計(jì)算機(jī)控制技術(shù)緒論

引言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用--是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)問(wèn)，是以計(jì)算機(jī)為核心部件的過(guò)程控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動(dòng)化控制工程是其重要的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動(dòng)化控制工程來(lái)看，計(jì)算機(jī)技術(shù)又是一個(gè)主要的實(shí)現(xiàn)手段。下圖為一個(gè)制藥車間的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。

例工業(yè)爐控制工業(yè)爐控制的典型情況。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。它可以防止空氣太多時(shí)，過(guò)?？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。為了保持所需的爐溫，將測(cè)得的爐溫送入計(jì)算機(jī)計(jì)算，進(jìn)而控制燃料和空氣閥門的開(kāi)度。為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過(guò)低時(shí)從爐墻的縫隙處吸入大量過(guò)?？諝?，或在壓力過(guò)高時(shí)大量燃料通過(guò)縫隙逸出爐外，必須采用壓力控制回路。測(cè)得的爐膛壓力送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)而控制煙道出口擋板的開(kāi)度。為了提高爐子的熱效率，還須對(duì)爐子排出的廢氣進(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(guò)計(jì)算而得出其熱效率，并用以指導(dǎo)燃燒控制。觀點(diǎn)：沒(méi)有計(jì)算機(jī)就無(wú)所謂自動(dòng)化前續(xù)課程：電子技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用、單片機(jī)、自動(dòng)控制理論等特點(diǎn)：綜合性強(qiáng)——能夠?qū)⒆詣?dòng)化專業(yè)的大部分課程聯(lián)系起來(lái)

第一章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述本章要點(diǎn)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

本章主要內(nèi)容

1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念

1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

1.3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類

1.4微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

1.5控制裝置種類1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念主要知識(shí)點(diǎn):

控制系統(tǒng)概念一、控制系統(tǒng)概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來(lái)的;常規(guī)儀表組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制(圖1-1a所示)與開(kāi)環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成—用控制計(jì)算機(jī)代替圖1-1的控制器，如圖1-2所示；（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量變送器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再反饋到控制器中，控制器將此測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對(duì)象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號(hào)傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對(duì)象測(cè)量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測(cè)量值r+_zf干擾圖1-1(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對(duì)象的測(cè)量反饋信號(hào)，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器去控制被控對(duì)象，所以這種信號(hào)的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對(duì)象給定值控制作用操縱變量被控量r(b)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（3）計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計(jì)算機(jī)即微型計(jì)算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計(jì)算機(jī)采用的是數(shù)字信號(hào)傳遞，而一次儀表多采用模擬信號(hào)傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號(hào)，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號(hào)。

圖1-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控過(guò)程步驟a.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集--對(duì)來(lái)自測(cè)量變送器的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行采集和輸入；b.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理--對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運(yùn)算，進(jìn)行控制決策；

c.實(shí)時(shí)輸出控制--根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)，完成監(jiān)控任務(wù)；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)間內(nèi)完成1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件一般包括：主機(jī)--CPU＋RAM＋ROM＋系統(tǒng)總線

常規(guī)外部設(shè)備--輸入/輸出設(shè)備、外存儲(chǔ)器等過(guò)程輸入輸出通道—AI、AO、DI、DO操作臺(tái)—CRT、LED、LCD

等通信設(shè)備—交換機(jī)、modem、集線器等圖1-3所示硬件組成框圖

圖1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖

二、軟件組成硬件僅為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軀體。要使計(jì)算機(jī)正確地運(yùn)行解決各種問(wèn)題，必須為它編制軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和，它是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作都是在軟件程序指揮下協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類；系統(tǒng)軟件一般由計(jì)算機(jī)廠家提供，專門用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)本身的程序；應(yīng)用軟件是用戶針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程要求而編制的各種應(yīng)用程序。

1.3控制系統(tǒng)分類

主要知識(shí)點(diǎn)1.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）1.3.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)1.3.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC）1.3.4監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)SCC）1.3.5分散控制系統(tǒng)（DCS）1.3.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）1.3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過(guò)程中被控對(duì)象的大量參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并按操作要求進(jìn)行屏幕顯示、制表打印和越限報(bào)警。

1.3.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對(duì)象，而是顯示或打印出來(lái)，操作人員據(jù)此去改變各個(gè)控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動(dòng)與半自動(dòng)工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。缺點(diǎn)是要由人工操作，速度受到限制，不能同時(shí)控制多個(gè)回路。

1.3.3直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC）DDC系統(tǒng)--是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完成對(duì)多個(gè)被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，并通過(guò)過(guò)程輸出通道發(fā)出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個(gè)包括給定、顯示、報(bào)警等功能的操作控制臺(tái)。DDC系統(tǒng)中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅完全取代了多個(gè)模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個(gè)回路的控制方案上，不改變硬件只通過(guò)改變程序就能有效地實(shí)現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程顯示打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)）ID，D/A（入輸程過(guò)）OD，A/D（出輸程過(guò)圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)1.3.4監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)SCC）監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級(jí)系統(tǒng)，如圖1-8所示。顯然，這屬于計(jì)算機(jī)在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由下位機(jī)獨(dú)立完成控制。下位機(jī)直接參與生產(chǎn)過(guò)程控制，要求其實(shí)時(shí)性好，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)；而上位機(jī)承擔(dān)高級(jí)控制與管理任務(wù)，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲(chǔ)容量大的高檔計(jì)算機(jī)。1.3.5分散控制系統(tǒng)（DCS）分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中管理和分散控制的先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于早期開(kāi)發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國(guó)外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為DCS。DCS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。它的結(jié)構(gòu)組成如圖1-9所示。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)1.3.6現(xiàn)場(chǎng)總線控制系（FCS）

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點(diǎn)，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場(chǎng)儀表中去，形成一個(gè)徹底的分散控制模式。它的結(jié)構(gòu)組成如圖1-11所示。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，都帶CPU單元，可分別獨(dú)立完成測(cè)量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。1.4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)。

1.4.1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（1955～1962年）（2）直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967年）（3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972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1.4.2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)用可編程序控制器（PLC）（2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器（3）采用新型的DCS和FCS2．大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

當(dāng)前最流行的控制系統(tǒng)有：（1）分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)（2）模糊控制系統(tǒng)（3）專家控制系統(tǒng)（4）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)（5）神經(jīng)控制系統(tǒng)隨著多媒體計(jì)算機(jī)和人工智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，應(yīng)用自動(dòng)控制理論和智能控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，必將大大推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和提高工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的水平。1.5控制裝置種類

主要知識(shí)點(diǎn)1.5.1可編程控制器1.5.2可編程調(diào)節(jié)器1.5.3總線式工控機(jī)1.5.4單片微型計(jì)算機(jī)1.5.5其他控制裝置1.5.1可編程控制器可編程邏輯控制器--簡(jiǎn)稱可編程控制器或PLC，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電邏輯控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，其低端為常規(guī)繼電邏輯控制的替代裝置，而高端為一種高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入組件、輸出組件、電源及編程器等組成。外觀如圖所示?？删幊炭刂破鳎≒LC）特點(diǎn)：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)

境下應(yīng)用而設(shè)定;采用可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出；應(yīng)用廣泛--不僅在順序程序控制領(lǐng)域中具有優(yōu)勢(shì)，而且在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域方面也毫不遜色；PLC具有系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，抗干擾能力強(qiáng)；1.5.2可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器--又稱單回路調(diào)節(jié)器、智能調(diào)節(jié)器、數(shù)字調(diào)節(jié)器。它主要由微處理單元、過(guò)程I／O（輸入/輸出）單元、面板單元、通信單元、硬手操單元和編程單元等組成。外觀如圖所示?？删幊陶{(diào)節(jié)器特點(diǎn)：一種儀表化了的微型控制計(jì)算機(jī)易操作，易編程、方便靈活設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮接口、通訊的硬件設(shè)計(jì)軟件編程上也只需使用一種面向問(wèn)題的組態(tài)語(yǔ)言具有斷電保護(hù)、自診斷功能、通信等功能可以組成多級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)控制和管理

大型分散控制系統(tǒng)中最基層的控制單元適用于連續(xù)過(guò)程中模擬量信號(hào)的控制系統(tǒng)中1.5.3總線式工控機(jī)總線式工控機(jī)，是基于總線技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的一種專用于工業(yè)控制的通用性計(jì)算機(jī)，一般稱為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱為工業(yè)控制機(jī)或工控機(jī)。通常，計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)廠家是按照某個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)制造出若干符合總線標(biāo)準(zhǔn)、具有各種功能的各式模板，而控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員則根據(jù)不同的生產(chǎn)過(guò)程與技術(shù)要求，選用相應(yīng)的功能模板組合成自己所需的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)?？偩€式工控機(jī)的外形類似普通計(jì)算機(jī)，如圖所示。

不同的是它的外殼采用全鋼標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)加固型機(jī)架機(jī)箱，機(jī)箱密封并加正壓送風(fēng)散熱，機(jī)箱內(nèi)的原普通計(jì)算機(jī)的大主板變成通用的底板總線插座系統(tǒng)，將主板分解成幾塊PC插件，采用工業(yè)級(jí)抗干擾電源和工業(yè)級(jí)芯片，并配以相應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用軟件?？偩€式工控機(jī)具有小型化、模板化、組合化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能滿足不同層次、不同控制對(duì)象的需要，又能在惡劣的工業(yè)環(huán)境中可靠地運(yùn)行。因而，它廣泛應(yīng)用于各種控制場(chǎng)合，尤其是十幾到幾十個(gè)回路的中等規(guī)模的控制系統(tǒng)中。1.5.4單片微型計(jì)算機(jī)

隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的另一個(gè)分支──超小型化的單片微型計(jì)算機(jī)(SingleChipMicrocomputer)簡(jiǎn)稱單片機(jī)誕生了。它是將CPU、存儲(chǔ)器、串并行I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、甚至A/D轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語(yǔ)言，但這需要較深的計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)，而且匯編語(yǔ)言的通用性與可移植性差。隨著高效率結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言的發(fā)展，其軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境正在逐步改善。目前，市場(chǎng)上已推出面向單片