第20讲：微型计算机控制系统

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1、单片机与控制技术,第01章：微机控制系统概述,本讲主要内容： 单片机控制系统的的概念： 单片机控制系统的发展情况 单片机控制系统的组成 单片机控制系统的结构原理 单片机控制系统的特点 单片机控制系统的分类 微控系统的主要研究内容,微型计算机可分为两类：一类是独立使用的微机系统，如个人电脑、各类办公用微机、工作站等；一类是嵌入式微机系统，它是作为其它系统的组成部分使用的，物理结构上嵌于其它系统之中。英文叫法为Embedded Systems。嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。单片机最早是以嵌入式微控制器的面貌出现的，是系统中最重要和应用最多的智

2、能器件。单片机以其集成度和性价比高、体积小等优点在工业自动化，过程控制、数字仪器仪表、通信系统以及家用电器产品中有着不可替代的作用。,单片机,也叫微控制器(英文为Microcontroller), 与控制技术之间有着不可分割的联系,是自动控制方面必不可少的先备知识。现代控制技术是以微控制器作为核心部件的技术。由此构成的控制系统作为当今工业控制的主流系统，已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高级复杂的计算方法和处理方法，使受控对象的动态过程按规定方式和技术要求运行，以完成各种过程控制、操作管理等任务。特别是近年来随着嵌入式系统在交通、通信、工业、

3、仪器、医疗等领域的广泛应用而深入到各行业的诸多领域。 单片机与控制技术是关于单片机与控制系统方面的技术，是单片机、控制、电子、网络通信等多学科内容的集成。,1、单片机控制系统的概念,电子计算机于1946年在美国诞生。在随后的几十年里飞速发展，特别是自1972年微机诞生以来，在信息处理、逻辑分析、决策判断、输入输出管理等方面显示了优异的性能，引起了自动控制领域的兴趣，并且嵌入到对象体系，如舰船、机车、生产线、车间、大型机床中去，实现对这些对象的信号采集、实时数据处理、智能化决策、输出驱动控制等。这些计算机系统嵌入到对象体系中后，便失去了通用计算机系统的形态和功能，变成了形形色色的自动化系统，也既

4、所谓的嵌入式系统。可分为系统级、板级和芯片级。系统级为各种类型的工控机，各种总线方式的工控机或模块组成的工控机；板极有各种类型的带CPU主板及OEM产品；器件级则以单片机最为典型。而单片机自1974年问世以来，发展非常迅速。世界上几大计算机公司，如GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilog公司、Motorola公司、NEC公司等，都纷纷推出了自己的单片机系列。目前，8位和16位单片机已普遍使用，32位超大规模集成电路单片机也已面世，同时性能也在不断提高。,（1） 单片机控制系统的发展概况,与此同时，计算机控制理论也与计算机技术同步发展，为计算机控制系统提供了分析设计的理论基础。

5、香农（Shannon）在1949年完成的采样定理解决了采样值复现信号的理论问题。1952年被定义的Z变换经改进，在50年代末成熟并引出脉冲传递函数的概念，提供了分析设计采样系统的有效数学工具。当时，可用差分方程描述离散系统，用差分方程的特征根来定义系统稳定性。对于现代工业日趋复杂的问题，1962年庞特里亚金确定了最优化控制的极大值理论，Kalman建立了控制系统的状态空间表示法，奠定了现代控制理论发展的基础。由于现代控制理论应用于现代航天工业取得辉煌的成果，60年代初到70年代末掀起了现代控制理论向过程控制领域推广应用的热潮。除线性多变量系统和最优控制理论外，随机控制，自适应控制，大系统控制等

6、理论逐步成熟起来。,二十多年来的应用事实证明，单片机性能稳定可靠。较好实现了以软件取代模拟或数字电路硬件并提高系统性能的功效，改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。许多国内外厂家工业控制计算机系统的各类插版或功能块也较多采用51系列芯片，如美国Honewell公司TDC-3000系统的过程管理机PM等。 51系列8位单片机既经典又具生命力，其历史可以划分三个发展阶段。第一个阶段是MCS51系列迅速推进到80C51系列，满足各种嵌入式应用要求。第二阶段是FLASH ROM技术推出的AT89CXX系列，目前国内使用较多。当前推出的C8051F是第三个阶段产品，性价比更具优势。同时应看到，16位、

7、32位处理器的强大发展势头，特别是32位嵌入式CPU的丰富功能，如ARM7、ARM9等系列芯片，在工业控制领域不断占据了高端微控制器市场的较大份额，同时也在逐步向低端控制器领域扩展。 对普通高等学校的学生而言，国内普及的51系列单片机及其在控制方面的主要技术有代表性，也比较容易学习和掌握。教学选用这种机型可以达到举一反三的效果。,（ 2）单片机控制系统的组成,单片机控制系统由单片机系统和工业对象组成。单片机系统有硬件和软件两部分，硬件是指单片机本身及外围设备实体，包括单片机、过程输入输出通道及接口、人机联系设备及接口、外部存储器等。软件是指管理单片机的程序以及过程控制的应用程序，由系统软件和应

8、用软件组成。 生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构和电气开关等装置。,（3） 单片机控制系统的结构和原理,对于按偏差进行调节的常规模拟闭环负反馈控制系统，如果把控制器用单片机和转换接口来代替，就构成了单片机控制系统。单片机把通过测量元件、变送单元和A/D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较。然后，对其偏差按某种控制算法进行计算，所得数字量输出信号经D/A转换接口直接驱动执行装置，对控制对象进行调节，使其保持在设定值上。这种控制结构一般称为闭环控制结构。,由单片机构成的微机控制系统结构图（闭环）,一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时系统必定是在线系统。,（4） 单

9、片机控制系统的特点,和一般常规模拟系统相比，有如下突出特点： 技术集成和系统复杂程度高 可靠性高和可维修性好 抗干扰能力强 控制的多功能性 应用的灵活性 另外，技术更新快、信息综合性强、内涵丰富、操作便利等也都是单片机控制系统的一些特点。,2、单片机控制系统的分类,五种类型： 计算机操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 集散型控制系统 现场总线控制系统,计算机操作指导系统,直接数字控制系统 (DDC), 监督计算机控制系统（SCC）,集散型控制系统（DCS）, 现场总线控制系统（FCS）,3、单片机控制的主要研究内容,系统的稳定性、稳态精度、动态特性、使用特性、先进可靠程度和

10、产品质量等 1）控制系统的稳定裕量 控制系统在给定输入作用或干扰作用下，输出量必须是稳定的，即过渡过程只能是振荡衰减或单调衰减，不允许出现发散或等幅振荡的情况。 在连续系统中为了衡量控制系统的稳定程度，引进稳定裕量的概念，稳定裕量包括相角裕量和幅值裕量。同样，微机控制系统中，可以引入连续系统中稳定裕量的概念。因此，也可以用相角裕量和幅值裕量来衡量微机控制系统的稳定程度。,（1 ）技术性能指标,2）稳态指标 稳态指标是衡量微机控制系统精度的指标，用稳态误差来表征。稳态误差是输出量Y（t）的稳态值Y()与要求值Y0的差值，定义为 ess= Y0 Y() ess表示了控制精度，越小越好。稳态误差es

11、s与控制系统本身特性有关，也与作用于系统的输入信号类型有关。 3）动态指标 包括超调量p，调节时间ts，峰值时间tp，振荡次数N和衰减比。,系统过渡过程特性,（2） 研究内容,）输入数据处理 对模拟量来说，一般要进行采样、增益最佳化、A/D转换、规格化、合理性检查、零偏校正、热电偶冷端补偿、线性化处理、超限制判断、工程量变换、数字滤波、温度和压力校正、开方处理、上、下限报警等处理，对脉冲序列进行瞬时值变换及累积计算。 2）输出处理 数字输出可有三种不同的形式： a） 瞬时输出式 信号一消失，触点断开。 b） 延时输出式 信号消失，延时一段时间后触点才断开。 c） 锁定输出式 触点闭合后，待下次

12、信号来时才断开。,3）控制功能,a）连续控制 连续控制算法一般有常规PID、微分先行PID、积分分离、选择性控制、采样控制、自适应控制、非线性控制、Smith预估控制、多变量解耦控制等常规及高级控制算法，此外还有模糊控制和PID自整定等智能控制算法。 附加功能为： 手动方式（MAN：MANUAL） 自动方式（AUT：AUTO） 串级方式（CAS） 计算机方式（COMP） PV跟踪 输出值跟踪 手动操作输出值在切换到自动时，由于输出 单元数值与手动操作输出相等，因而实现无扰动切换。 预置 反算 b）逻辑控制 c）顺序控制 d）批量控制,）人-机接口功能,主要功能有以下几个方面： 对全部过程变量进

13、行各种格式的显示，并允许操作人员对过程进行干预，如参数调整、状态切换、紧急处理等； 对过程变量的历史数据进行处理和存贮； 显示和打印过程报警； 编制和调用各种用户显示画面； 编制和打印各种报表； 组态和装载监视、控制和管理软件； 对通信总线上所连接的设备进行组态，并将组态结果装载到对应设备； 完成系统的自诊断和故障维修。,）通信功能,）自诊断功能 系统投运前用离线诊断程序检查各部分工作状态，系统投运中各设备不断执行在线自诊断程序，一旦发现错误，即切换到备用设备，一面经过通信网络在CRT上显示出故障代码，等待及时处理。通常故障代码可以定位到插件板，用户只需更换相应的插卡即可。 ）冗余技术 单片机

14、控制系统的运行不受故障的影响主要靠冗余应用，冗余有两种方式：工作冗余和后备冗余，俗称“热备用”和“冷备用”。各冗余方式不同，有的采用1：1冗余，也有的为N：1冗余，但均采用无中断自动切换方式。单片机控制系统特别重视供电系统的可靠性，除了220V交流供电外，要有备用电源，不间断电源UPS以及各种掉电保护措施。单片机控制系统中大多数采用两套相同通信网络的冗余形式。,本讲小结：,1、单片机控制系统的的概念： 单片机控制系统的发展情况 单片机控制系统的组成 单片机控制系统的结构原理 单片机控制系统的特点 2、单片机控制系统的分类（5类） 3、微控系统的主要研究内容（技术指标、系统功能模块）,课后习题：,P14： T5（由图求技术指标）,