電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)-第一章(電氣)_第1頁
電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)-第一章(電氣)_第2頁
電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)-第一章(電氣)_第3頁
電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)-第一章(電氣)_第4頁
電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)-第一章(電氣)_第5頁
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電氣裝備計算機(jī)控制技術(shù)_第一章(電氣)第1頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月課程的性質(zhì)和目的本課程是自動化專業(yè)必修的專業(yè)課程,在自動化專業(yè)課程體系中起著重要的作用?!段C(jī)控制技術(shù)》是關(guān)于自動控制理論和計算機(jī)技術(shù)如何應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的一門專門技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握分析和設(shè)計一個計算機(jī)控制系統(tǒng)的理論和方法,并能將所學(xué)的知識應(yīng)用到工業(yè)過程控制、電氣傳動、機(jī)器人控制中等。第2頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月學(xué)時分配第1章計算機(jī)控制系統(tǒng)概述2學(xué)時第2章輸入/輸出接口與過程通道8學(xué)時第3章數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計方法6學(xué)時第4章數(shù)字控制器的直接設(shè)計方法6學(xué)時第5章常用應(yīng)用程序設(shè)計2學(xué)時第6章集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線4學(xué)時第7章微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計4學(xué)時實驗8學(xué)時第3頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月教材及參考書教材:[1]王新主編,微型計算機(jī)控制技術(shù),中國電力出版社,2009年8月教學(xué)參考書:[1]武自芳等編著,微型計算機(jī)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用,電子工業(yè)出版社,2007年10月[2]潘新民,王燕芳編著,微型機(jī)算計控制技術(shù),電子工業(yè)出版社,2003年1月[3]何克忠編著,計算機(jī)控制系統(tǒng),清華大學(xué)出版社,2001年7月第4頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月考試形式平時作業(yè)、考勤(30%)+考試(70%)考試題型填空、簡答、計算、設(shè)計。第5頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月第1章計算機(jī)控制系統(tǒng)概述第6頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.1自動控制系統(tǒng)的基本概念自動控制是在沒有人直接參與的前提下,應(yīng)用控制裝置自動地、有目的地控制或操縱機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程,使它們具備相應(yīng)的功能,完成預(yù)定的目標(biāo)。從信號傳送的路徑結(jié)構(gòu)可分為兩大類:開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)第7頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月在反饋控制系統(tǒng)中,通過檢測裝置(儀表)獲取輸出變量,將此值與給定值進(jìn)行比較后,由控制器(校正裝置)按偏差進(jìn)行某種控制運算,最后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出操作量作用于被控對象,以消除偏差。圖1-1反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第8頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1.2.1計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理將連續(xù)控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器的功能用計算機(jī)來實現(xiàn),就組成了一個典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)。圖1-5計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖第9頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月計算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為三個步驟:(1)實時數(shù)據(jù)采集:對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。(2)實時控制決策:對采集到的被控量進(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。(3)實時控制輸出:根據(jù)控制決策,適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號,完成控制任務(wù)。第10頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月在計算機(jī)控制系統(tǒng)中,生產(chǎn)過程與計算機(jī)直接連接,并由計算機(jī)控制,這種方式被稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式;生產(chǎn)過程不與計算機(jī)相連,且不受計算機(jī)控制,而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作,這種方式被稱為離線方式或脫機(jī)方式。第11頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.2.2計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件主要由主機(jī)、過程通道、I/O接口及人機(jī)聯(lián)系設(shè)備等部分組成。由于系統(tǒng)的不同,組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件也不同。圖1-6給出了典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖。第12頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月圖1-6計算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成框圖第13頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月一、主機(jī)微型計算機(jī)的主機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部分。它根據(jù)輸入通道送來的被控對象狀態(tài)參數(shù),進(jìn)行信息處理、分析、計算,做出控制決策,通過輸出通道發(fā)出控制命令。第14頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月二、過程通道過程通道也稱為I/O通道,是主機(jī)和被控對象實現(xiàn)信息傳送與交換的通道。根據(jù)信號傳送的方向,分為:輸入通道和輸出通道根據(jù)傳送信號的形式,分為:模擬量通道和開關(guān)量通道第15頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月過程通道的類型:1.模擬量輸人通道2.模擬量輸出通道3.開關(guān)量輸人通道4.開關(guān)量輸出通道第16頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月三、接口電路接口電路也稱為I/O接口,指主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換的紐帶。接口電路有并行接口、串行接口和直接數(shù)據(jù)傳送接口等。第17頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月四、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備在微機(jī)控制系統(tǒng)中,一般應(yīng)有一個操作臺(或操作面板),以便操作人員能和計算機(jī)系統(tǒng)“對話”,使操作人員及時了解生產(chǎn)、加工過程的狀態(tài),進(jìn)行必要的人為干預(yù),修改有關(guān)參數(shù)或緊急處理某些事件。第18頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.2.3計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件對于計算機(jī)控制系統(tǒng)而言,除了硬件外,還必須有軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機(jī)程序的總和,它主要分兩大類:系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。第19頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.3計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類計算機(jī)控制系統(tǒng)的分類方法很多,可以按照控制方式分類、按照控制規(guī)律分類,也可以按照系統(tǒng)的功能、特點分類。按照系統(tǒng)的功能、工作特點分類,計算機(jī)控制系統(tǒng)分為:操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。第20頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月一、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)計算機(jī)的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象,對過程的控制是由操作人員來完成的,操作人員根據(jù)計算機(jī)的輸出信息執(zhí)行相應(yīng)的操作。圖1-7操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖第21頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)計算機(jī)通過輸入通道對一個或多個參數(shù)進(jìn)行巡回檢測,并根據(jù)事先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運算,然后發(fā)出控制信號,通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖1-8直接數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖第22頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月三、監(jiān)督控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SupervisoryComputerControl,SCC)實際上是一個兩級控制系統(tǒng)。上位機(jī)為監(jiān)督控制用計算機(jī),簡稱SCC計算機(jī),而面對工業(yè)對象的下位機(jī)可以是模擬調(diào)節(jié)器或DDC系統(tǒng)。

第23頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月(a)SCC+模擬調(diào)節(jié)器(b)SCC+DDC圖1-9監(jiān)督控制系統(tǒng)原理框圖第24頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月四、集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)又名分布式計算機(jī)控制系統(tǒng),國外最早稱為分散控制系統(tǒng),即DCS(DistributedControlSystem),后來叫集中(總體)分散型控制系統(tǒng)(TotalDistributedControlSystem),我國習(xí)慣性稱為集散控制系統(tǒng)或DCS。它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的,具有分散控制、綜合管理兩方面的特征。從結(jié)構(gòu)上劃分,DCS包括:過程級、操作級和管理級。第25頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月第26頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)場儀表(傳感器、變送器、執(zhí)行器等)得以智能化?!艾F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)”就是設(shè)計用來替代4~20mA模擬信號標(biāo)準(zhǔn)的新工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的制定將對DCS的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。第27頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月五、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線(Fieldbus)是連接現(xiàn)場智能設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,F(xiàn)CS)是一種以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ),將現(xiàn)場控制裝置與現(xiàn)場智能儀表互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),是20世紀(jì)90年代興起的新型計算機(jī)控制系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域。第28頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月FCS對DCS的變革第29頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)DCS的通信網(wǎng)絡(luò)截止于控制站或輸入輸出單元,現(xiàn)場儀表、執(zhí)行器與控制站之間仍然是一對一的模擬信號傳輸。FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化,現(xiàn)場總線把通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備。在FCS系統(tǒng)中,生產(chǎn)過程現(xiàn)場的各種儀表、傳感器、執(zhí)行器、控制器等都配置有微處理器,屬于智能現(xiàn)場設(shè)備,各自都具有數(shù)字計算和通信能力,可完成數(shù)據(jù)測量、處理和調(diào)節(jié)控制等功能。FCS控制系統(tǒng)將DCS控制站的功能分散到智能設(shè)備中,實現(xiàn)徹底的分散控制。第30頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月較為流行的現(xiàn)場總線主要有以下幾種:基金會現(xiàn)場總線(FoundationFieldbus)LONWORKSPROFIBUSCANHART總線。第31頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月六、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)是計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、信號處理技術(shù)、管理技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,它將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、銷售及服務(wù)等環(huán)節(jié)與人力、財力、設(shè)備等生產(chǎn)要素集成起來,進(jìn)行統(tǒng)一控制,以求生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。第32頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制核心微型計算機(jī)的發(fā)展,促進(jìn)了控制技術(shù)的進(jìn)步。目前,已有各種各樣的微型機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。根據(jù)被控對象的規(guī)模,主要有單片機(jī)、DSP、ARM、工業(yè)控制計算機(jī)和可編程控制器幾種,它們適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。在實際工程中,選擇何種機(jī)型,應(yīng)根據(jù)控制規(guī)模、工藝要求和控制特點等來確定。第33頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.1單片機(jī)單片機(jī),即單片微型計算機(jī),是將微處理器(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、時鐘及接口電路等主要計算機(jī)部件,集成在一塊集成電路芯片上構(gòu)成的計算機(jī),是微型計算機(jī)的一個重要分支。單片機(jī)具有集成度高、體積小、功耗低、使用方便價格低廉等特點。主要用于一些智能化的儀表、家電和小型的控制系統(tǒng)等。第34頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.2DSPDSP可以代表數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor),也可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)(DigitalSignalProcessing)。一般我們所說的DSP是指前者,即專門從事數(shù)字信號處理的微處理器,它在機(jī)電一體化中應(yīng)用廣泛。第35頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器,其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計,在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000/C6000系列第36頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.3ARM“百度——百科”搜索“ARM”國家:英國(歐洲)ARM行業(yè):電子半導(dǎo)體微處理器智能手機(jī)總部:英國劍橋競爭對手:英特爾市場份額手機(jī)處理器90%的市場份額上網(wǎng)本處理器30%的市場份額第37頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.3ARMARM處理器(AdvancedRISCMachines),既可以認(rèn)為是一個公司的名字,也可以認(rèn)為是對一類微處理器的通稱,還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋,主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前,采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器,即通常所說的ARM微處理器,已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場,ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。第38頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器具有如下特點。(1)體積小、低功耗、低成本、高性能。(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,能很好的兼容8位/16位器件。(3)大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快。(4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。(5)尋址方式靈活簡單,執(zhí)行效率高。(6)指令長度固定。第39頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.4工業(yè)控制計算機(jī)工業(yè)控制計算機(jī),簡稱工控機(jī),是一種面向工業(yè)控制、采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)和開放式體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)。20世紀(jì)80年代所采用的是STD總線,20世紀(jì)90年代逐漸被ISA和PCI總線的工控機(jī)取代。第40頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月IPC(IndustrialPersonalComputer)是基于PC總線的工業(yè)控制計算機(jī)。典型的工業(yè)控制機(jī)一般由加固型工業(yè)機(jī)箱、工業(yè)電源、主機(jī)板、顯示板、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、各類輸人/輸出接口模板、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等組成。第41頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月(a)主機(jī)箱外部結(jié)構(gòu)(b)主機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-12IPC主機(jī)箱結(jié)構(gòu)第42頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月IPC的特點:(1)采用加固型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,以達(dá)到防震、防塵、防沖擊、抗電磁屏蔽,并具有良好的通風(fēng)散熱性能。(2)取代PC的大母板結(jié)構(gòu),整機(jī)采用總線式一體化主板,易于更換。(3)增加電源的功率裕量,加強(qiáng)電壓浪涌抑制和抗干擾措施。(4)I/O插卡采用工業(yè)級元件。(5)具有多種通信網(wǎng)卡和通信軟件支持。(6)豐富的軟件支持。第43頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.4.5可編程控制器編程序控制器(ProgrammableLogicController),簡稱PLC,是早期的繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微型計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它吸收了微電子技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)的最新成果,發(fā)展十分迅速。從單機(jī)自動化到整條生產(chǎn)線自動化,乃至整個工廠的生產(chǎn)自動化,PLC均擔(dān)當(dāng)著重要角色。第44頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月PLC的實物研華PLC和利時PLC西門子PLC三菱PLC第45頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1、PLC的特點(1)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。(2)通用性強(qiáng),使用方便。(3)功能強(qiáng),適應(yīng)面廣。(4)編程簡單,容易掌握。(5)減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計及施工的工作量。(6)體積小、重量輕、功耗低。第46頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月2.PLC的分類(1)按控制規(guī)模PLC大致可分為:微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)及大型機(jī)、超大型機(jī)(2)按結(jié)構(gòu)PLC可分為:整體式及模塊式兩大類(3)世界上PLC產(chǎn)品可按地域分為:美國產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品和日本產(chǎn)品第47頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月3.PLC的應(yīng)用和發(fā)展前景(1)開關(guān)量的邏輯控制。(2)運動控制。(3)閉環(huán)過程控制。(4)數(shù)據(jù)處理。(5)通訊連網(wǎng)。第48頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月1.5計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢1.5.1計算機(jī)控制的發(fā)展過程在生產(chǎn)過程控制中采用數(shù)字計算機(jī)控制的思想出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代中期,控制理論與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合,產(chǎn)生了計算機(jī)控制系統(tǒng),為自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展開辟了新的途徑。第49頁,課件共55頁,創(chuàng)作于2023年2月

世界上第一臺電子計算機(jī)于1946年在美國問世,到20世紀(jì)50年代末,已經(jīng)將計算機(jī)用于過程控制。20世紀(jì)60年代后期,出現(xiàn)了適合工業(yè)生產(chǎn)過程控制的小型計算機(jī),使規(guī)模較小的過程控制項目可以考慮采用計算機(jī)控制。1972年出現(xiàn)了微型計算機(jī)。使計算機(jī)控制由一臺計算機(jī)完成許多控制回路的控制任務(wù)的集中式控制結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)變成分散式控制結(jié)構(gòu),這就是集散控制系統(tǒng)(

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