微机控制系统与应用1概要

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1、参 考 书 目,薛均义，武自芳，微机控制系统与应用，西安交通大学出版社 赖寿宏 ，微型计算机控制技术 ，机械工业出版社,微机控制系统与应用讲义,1,参 考 书 目,薛均义，张彦斌，MCS-51系列单片微型计算机及其应用，西安交通大学出版社,微机控制系统与应用讲义,2,张迎新 ，单片机初级教程 ，北京航空航天大学出版社,参 考 书 目,姚燕男，虞鹤松，微机控制新技术，西安交通大学出版社,微机控制系统与应用讲义,3,微机控制系统与应用讲义,4,联 系 方 法,主讲教师：姚向华 E_mail: txyao,微机控制系统与应用讲义,教 学 内 容,微机控制系统与应用（44学时） 可编程逻辑控制器PLC

2、（ 16学时） 实验（16学时）,考 核 方 式,微机控制系统与应用及PLC部分：两个大作业，70% 课堂讨论：分组讨论，20 实验：实验报告，10%,5,课 程 内 容,第一章 自动控制系统概述 第二五章 MCS-51系列单片机 MCS-51系列单片机内部结构及工作原理 MCS-51系列单片机寻址方式与写指令系统 MCS-51系列单片机中断系统、定时/计数器、串行口 C语言程序设计基础（自学） 第六章过程通道 第七章应用程序设计,微机控制系统与应用讲义,6,绪 论,课程目的 了解、设计、调试和应用微机控制系统 微型计算机技术主要形成两大分支 通用微处理器（MPU）：用在海量数值计算方面，以满

3、足数字 模拟、仿真、数字信号处理、图像分 析、人工智能等领域的要求 微控制机（MCU）： 用来满足快速实时地信号采集、判 断、处理、参数控制,第一章 计算机控制系统概述,1.1 自动控制系统的基本概念 1.2 计算机控制系统的组成 1.2.1 硬件部分 1.2.2 软件部分 1.3 计算机控制系统的分类 1.3.1 按信号传送通道的结构分类 1.3.2 按控制的方法特点分类,8,1.1 自动控制系统的基本概念,9, 什么是控制？,控制定义为在工程系统中算法和反馈的使用,从本质上来说，控制是一门信息科学，包括模拟信息和数字信息的应用。, 什么是控制理论？,控制理论是指用来分析、综合控制系统的数学

4、框架。, 什么是控制技术？,控制技术包括自动检测、计算以及执行。,1.1 自动控制系统的基本概念,自动控制理论的历史发展 经典控制：采用微分方程、Laplace变换等方法，研究单输入单输出的线性时不变系统；数学模型是传递函数； 现代控制：采用线性代数、状态空间理论等方法，研究多输入多输出系统、复杂过程系统等；数学模型是状态方程； 智能控制：采用模糊数学、人工智能、神经元网络、遗传算法等方法，研究非线性时变系统；数学模型多样且不确定。 工业控制设备的发展 专用模拟电路、模拟式调节仪表 智能调节仪表、PLC、计算机 现场总线、网络通信技术,10,1.1 自动控制系统的基本概念,控制应用领域的实例,

5、11,【空间飞行器的导航和控制系统】 包括商业飞机、制导导弹、高级战斗机，发射飞船和卫星等。 它提供了在面临大的环境和系统不确定性时，系统的稳定性和 跟踪。,1.1 自动控制系统的基本概念,12,制造工业中的控制系统 从汽车制造到集成芯片制造, 计算机控制的机械装置提供了精 确的定位和组装，满足部件和成品高产量和高质量的需求。,1.1 自动控制系统的基本概念,13,【工业过程控制系统】 特别是在化工企业，通过监控数以千计的传感信号并且对数百 个阀、加热器、泵及其它执行器作出相应的调整，维持产品的 高质量。,1.1 自动控制系统的基本概念,14,通信系统 包括电话系统、蜂窝电话及Internet

6、。控制系统调节传输设备和转发器中信号的功率水平；在网络路由设备中管理信包缓冲器；提供自适应的噪声消除以适应变化的传输线路特性。,1.1 自动控制系统的基本概念,15,智能机器人 机器人成功的例子火星探路机器人和SONY公司的 Aibo机器人,1.1.1 典型自动控制系统的组成,1.1 自动控制系统的基本概念,自动控制：在无人参与的情况下，利用外加设备使整个生产过程自动地按预定规律运行，或使其某个参数按预定的要求变化。,图1.1 水位控制系统,16,1.1 自动控制系统的基本概念,自动控制系统的组成： 1.检测装置：获得被控量的实际值并进行变换。 2.比较装置：获得偏差=给定量-被控量。 3.控

7、制装置：按照一定的控制规律对偏差进行控制运算。 4.执行器： 将控制量作用于被控对象，消除或减小偏差。,图1.2 控制系统结构框图,17,1.1 自动控制系统的基本概念,输入信号：影响系统输出的量称为系统输入信号。 输入信号的类型： 1.给定输入：系统输出的希望值，决定输出的变化规律。 2.扰动输入：不希望的外作用，它将影响对被控量的控制。 输入信号的典型形式： 在分析和设计控制系统时，常用的典型输入信号有阶跃信号、 脉冲信号、斜坡信号、正弦信号。实际系统中的输入信号通常可看 作是这些典型信号的组合形式。,1.1.2 系统的输入信号,18,1.1.3 典型环节的阶跃响应特性,1.1 自动控制系

8、统的基本概念,图1.3 典型环节的阶跃响应特性,当系统输入信号产生阶跃变换时，系统的输出信号产生相应变化，其过渡过程反映了系统的本质特性（如稳定性、准确性、快速性等），称为系统的阶跃响应特性。下图所示为一些典型环节的阶跃响应特性。,19,控制系统通常采用阶跃响应特性曲线描述。控制系统的性能质量由稳定性、准确度和快速性表示。,1.1 自动控制系统的基本概念,1.1.4 系统性能的评价指标,图1.4 系统阶跃响应曲线,20,控制系统的性能指标： 1.（最大）超调量 2.上升时间tr：y(t)首次到达稳态值的时间，或y(t)由0.1y()上 升到0.9y()所需要的时间。 3.过渡过程时间ts：y(

9、t)与稳态值y()的偏差达到并保持在允许范围 内的时间。 4.振荡次数N： 在ts内y(t)偏离稳态值的次数。 5 稳态误差：系统期望输出值与稳态输出值之差， 即=|y期望-y()| 。,1.1 自动控制系统的基本概念,21,1.2.1 硬件部分,1.2 计算机控制系统的组成,22,1 主机 控制系统的核心 （微处理器、存储器及时钟电路） 执行存放在存储器中的程序：接收操作控制命令，采集控制 对象的参数，进行处理运算，并输出控制信息。 主机性能 主频 (800M/3.8G 运算速度及数据存取速度) 操作数据的位数（8位/16位/32位/64位 数据处理能力） 存储容量（数据处理能力）,1.2

10、计算机控制系统的组成,23,2 过程通道：主机与控制对象的信息交换通道，按信号的形式分为模拟量通道和开关量通道，按信号的传送方向分为输入通道和输出通道。 【模拟量输入通道】 传感器、变送器、滤波器、多路采样器、A/D转换器 【模拟量输出通道】 D/A转换器、多路采样器、保持器、执行机构 【开关量输入通道】 【开关量输出通道】,1.2 计算机控制系统的组成,24,3 人机接口：主机与操作员的信息交换通道 显示、记录系统的运行状态和参数； 接收操作人员的控制指令，修改程序或设置参数。 发展过程： 操作面板（按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、声光报警 器、LED显示器） 操作控制台（CRT、鼠标、键

11、盘、触摸屏） 监控组态软件,1.2 计算机控制系统的组成,25,1.2.2 软件部分 1 系统软件：操作系统、编程组态软件等。 2 应用软件：根据控制对象的要求，由用户自己编制的控制程序。,1.2 计算机控制系统的组成,26,1.3 计算机控制系统的分类,1.3.1 按信号传送通道的结构分类,开环控制系统：系统输出对系统的控制作用无任何影响，信号单 向传递。开环控制系统对控制设备的精度要求较高。,u(t)：控制输出 y(t)：系统输出,27,1.3 计算机控制系统的分类,28,D,1.3 计算机控制系统的分类,闭环控制系统：系统输出参与系统的控制作用。通过检测装置获取系统的输出，与给定值比较后

12、产生误差信号，控制装置按误差的大小产生相应的控制输出，由执行器对被控对象进行调节，使误差趋向于零。,29,1.3 计算机控制系统的分类,30,1.3 计算机控制系统的分类,1.3.2 按控制的方法特点分类,操作指导控制系统：计算机不直接参与控制，只对生产数据进行采集，经过处理后做存储、显示、报警等工作。通常应用于控制规律未知的系统，为操作员提供指导。,31,1.3 计算机控制系统的分类,直接数字控制系统：采用一台计算机作为控制器直接控制生产对象，完成生产数据的采集、存储、显示、报警，控制算法的执行，输出控制结果，接收设定值和其他参数的输入等工作。,32,1.3 计算机控制系统的分类,分布式控制

13、系统：采用分级管理与控制的思想，将复杂控制对象分为若干局部对象，每个对象都由一台计算机直接控制（数据采集、控制算法的执行、输出控制结果），另设一台计算机完成所有的管理、监控任务，控制计算机与管理计算机通过网络连接。,33,34,例：卷烟厂制丝车间分布式控制系统的结构组成。,设备层（DeviceNet）：包括具有现场总线接口的分布式I/O、现场操作站、现场执行机构、传感器检测机构、智能单元等设备，通过AB公司的DeviceNet规范连接到PLC的主机单元，实现工艺段的现场控制。 控制层（ControlNet）：包括各个控制段的PLC控制主机、数据采集主机，通过AB公司的ControlNet规范连接，实现各个工艺段之间、系统监控管理计算机和PLC控制主机之间的数据交换，完成设备数据的实时采集和控制参数的设置等。,1.3 计算机控制系统的分类,35,集中监控层（EtherNet）：包括各个工艺段的实时监控计算机、数据管理服务器、编程管理计算机、局域网络设备等，通过TCP/IP以太网协议规范的连接。该层为控制系统的人机交互的集中接口，通过该层的计算机实现对生产线的组合操作、状态的实时监控、配方参数的设定和报警显示、记录等功能，并将采集的实时数据传送到厂级数据库中保存，便于以后分析。,1.3 计算机控制系统的分类,36,