计算机控制技术与网络2010讲解

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1、计算机控制技术与网络 南大电子科学与工程系 张保平 课程主要内容 1.计算机控制系统 2.多机通信与网络 参考教材 1、微型计算机控制技术 于海生等编 清华大学出版社 2、单片机原理及接口技术 李朝青 北京航空航天大学出 版社 3、计算机网路 刘衍洐等编 科学出版社 概述 计算机控制系统广泛用于工业生 产和科学研究中，一般称为工控机系统 。也称为工业计算机测控系统。 目前大体上有4种基本类型: 1.智能调节器(单/多回路调节器） 2.工控机(工业PC、IPC、微机、单片机) 3.可编程控制器(PLC) 4.集散型控制系统(DCS) 工业控制微机IPC应用最为广泛 从国内外的计算机测控系统应用来

2、看, 在不同的发展阶段, 曾经流行过不同种类 的工控机, 如在上世纪80-90年代，流行 的STD、680X、CAMAC和VME等。 2000年，由IPC构成的计算机测控系统 ，市场份额超过80亿美元。 与PC兼容，受益与PC丰富的软硬件和 人才资源 计算机控制系统 IPC相关技术 硬件部分 总线规范 如ISA、EISA、PCI 接口技术 如 RS-232、485、422、USB、现场总线 信号形式 如开关量、数字量、模拟量、频率 系统设计 硬件模块设计 传感器、I/O技术 抗干扰技术 可靠性技术 计算机控制系统 IPC相关技术 软件部分 测量算法 控制规律 控制算法 工控机软件结构 人机界面

3、 组态软件设计平台 通信协议 软件可靠性方法 多机通信与网络 多机通信与网络 多机通信的基础知识与基本概念 共享存储区通信技术 PIO通信法 SIO通信法 OEM 通信技术 普通局网与工业控制局网 集散控制系统通信技术 第一章 计算机控制系统概论 1.1计算机控制系统的基本原理和特点 1.1.1基本原理 实现过程控制的三个主要步骤 实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出 1.1.2控制系统的主要特点 1.可靠性高和可维护性好 2.环境适应性强 3.控制的实时性 4.完善的输入输出通道 5.丰富的软件资源 6.适当的计算精度和运算速度 1.2、控制系统的组成原理 控制器D/A A/D 执行机构

4、被控对象 测量变送 给定量 r e 被控量 y 工控机生产过程 1.2控制系统的组成框图 人-机接口 模拟量输入（AI）通道 磁盘适配器 系统支持板 模拟量输出（AO）通道 数字量输入（DI）通道 数字量输出（DO）通道 测量变送 执行机构 电气开关 电气开关 CPU/MEM 内 部 总 线 被 控 对 象 工控系统生产过程 数字量输入通道 1、通道结构 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器 来 自 生 产 过 程 PC 总 线 输入调理电路 1、小功率调理电路 2、大功率调理电路 +5V K C R1 R2 1.3、控制系统工作方式 （1）周期性 （2）在线和离线方式 （3）实时的概

5、念 在线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 1.4控制系统分类 工业控制系统的五种基本类型: 1.数据采集系统DAS 2.直接数字控制系统DDC 3.计算机监督控制系统SCC 4.分级控制系统GCS 5.分布式控制系统DCS 6.现场总线控制系统FCS 1.DAS Data Acquisition System 报表显示报警 计 算 机 A/D 测量测量 监 测 对 象 人工控制 或控制装置 2.DDC Direct Digital Control 打印机CRT操作台 控制计算机 A/D 测量执行器 控 制 对 象 DI DO D/A 报警 3.SCC Supervis

6、ory Computer Control 生 产 过 程 模拟 调节器 SSC 计算机 记录 显示 打印 工艺 数据 设定值 调节 测量 1. SCC+模拟调节器 3.SCC 生 产 过 程 DDC 计算机 SSC 计算机 记录 显示 打印 工艺 数据 设定值 调节 测量 2. SCC+DDC系统 4.GCS Grade Control System 企业级经营管理计算机 工厂级监控计算机 控制计算机 DDC 输入 Internet 控制对象 输出 测量 控制计算机 DDC 输入 输出 测量 5.DCS Distributed Control System 分布式(集散)控制系统, 实际上是网

7、络控 制系统. DCS的3种常见网络结构类型 星型、环型、总线型 操作站 控制站 控 制 站 控制站 控 制 站 控制站 控 制 站 控制站 控 制 站 控制站 操 作 站 控 制 站 控 制 站 控 制 站 控 制 站 星型环型 总线型 6.现场总线控制系统FCS 控 制 对 象 CAN总线 控 制 对 象 控 制 对 象 控 制 对 象 控 制 计 算 机 传感器 1.5计算机控制系统的发展概况 上世纪50年代中期,美国RW-300,控制某化 工反应器，成为世界上第一台计算机控制系统 1)开创期 上世纪 55-62年,过程控制, 导致中 断技术的发明 2)DDC时期 62-67年, 模控到

8、数控 3)小型计算机67-72年, SCC 4)微机时期72-至今, IPC,DCS, PLC 5)现场总线FCS, 始于90年代， 德国的 PROFIBUS标准， BOSCH公司的CAN总线标 准 计算机控制理论的发展过程 1)采样定理 奈奎斯特定理指出：时间连续信 号转换成离散信号时，需要在一个周期内 的采样次数多于2次。如果采样次数不够 ，将无法恢复丢失的信息 奈奎斯特和香农(Shannon), 1948 取样函数 Sin (t) t Sa(t) = 取样函数 2)差分方程（代替微分方程） 3)Z变换 Z f (kT) = 4)状态空间理论 5)最优控制与随机控制 6)代数系统理论 7)

9、系统辨识与自适应控制 k = 0 Z - k f (kT) 计算机控制系统的发展趋势 1、推广应用成熟的先进技术 PLC, 智能调节器,位总线Bitbus, 现场总线Fieldbus, 以及新型的DCS 2、研发智能控制系统 分级递阶智能控制系统 、模糊控制系统 专家控制系统、学习控制系统、神经网络 控制系统、学习控制系统、神经网络控制系统 思考题1 1.工控机系统有那些环节组成? 2.IPC工控机有什么特点?它和普通PC机 有何异同点? 3.传感器和变送器有什么区别? 第2章 接口技术与总线规范 2.1 串行通信接口规范 2.1.1 串行通信控制器 作用: 串行通信控制器的作用是实现通信的链

10、路 协议或格式 方式: *同步方式 USART 8250, 8251, SIO *异步方式 UART 8051 同步方式帧格式(面向字符) SYNC SYNC 报文头 报文 CRC 异步方式帧格式(面向字符) 1/01/0 2.1.2 RS-232C接口规范(EIA标准) *接口引脚定义 *电气规范 *信号类型 单端双极性 传输距离和抗干扰能力差,电平漂移 2.1.3RS-422/423 信号类型 双端差分驱动 点对点 232C/422/423电路原理图 TTL RS-232C TTL TTLTTL RS-422 TTL RS-423 TTL 2.1.4 RS-485多点通信链路 主站 VCC

11、 1#从站 N#从站 VCC DATA+ DATA- 2.1.5 其它串行设备总线 I2C总线(Inter-Integrated Circuit)2线 CAN 总线(Controller area Network)2线 SPI总线（Serial Peripheral Interface）3 线 单总线(1-Wire) I2C总线(InterIntegrated Circuit)总线是 一种由PHILIPS公司开发 的两线式串行 总线，用于连接微控制器及其外围设备 。I2C总线产生于1980年代，最初为音频 和视频设备开发. I2C总线 I2C I2C总线以两线方式进行多机互连采用“线与”方式,

12、 漏极开路或集电极开路 串行数据线 SDA 串行时钟线 SCL 通信协议复杂 主要内容: 1. 主从方式, 一次通信总是由主机发起 2.数据传输的起停约定 3.寻址与仲裁, 多主机互连, 总线控制权的申请 典型的I2C总线多机结构 单片机A 单片机B A/D D/A 存储器 LCD 驱动器 I2BUS I2C总线数据传输过程 SDA 应答 SCL 结束 开始信号地址 R/W ACK数据 ACK数据 17 8 917 8 917 8 9 ACK CAN 总线Controller Area Network ISO-IS11898国际标准 广泛用于车载电子、医疗仪器、安全监 控等高速低成本的多路网络

13、中 方便构成多主机分布式网络系统 物理层并没有严格定义，只要是互补电 平、差动输入和输出，与485相似 传输速率1Mbps（40m） IC芯片 PCA82C250 单总线(1-Wire) 电源与信号共用总线 窃电技术 主 机 无源设备 传感器 思考题2 1.简要说明RS-232、RS-422和RS-485接 口标准的特点（主要电气规范，传送距 离，波特率） 2.CAN总线的主要特点是什么? 3.嵌入式系统中有那些外设总线? 第三章 控制算法与控制规律 3.1控制系统的性能及其指标 3.1.1控制系统的稳定性 控制系统在给定输入或外界扰动作用下, 过度过程可能有以 下4种情况: A 发散振荡 B

14、衰减振荡 C等幅震荡 D非周期衰减 过度过程曲线 A发散振荡 B衰减振荡 C等幅振荡D非周期衰减 t y(t) y(t) y(t) y(t) t tt 3.1.2控制系统动态指标 y0 y tpts ess y(t) ym B2 B1 t 0 超调量 ts 调节时间 相对误差 tp 峰值时间 衰减比 N 振荡次数 ess 稳态误差 时域指标 超调量 调节时间 ts 相对误差 峰值时间 tp 衰减比 振荡次数 N 稳态误差 ess 超调量 yym y =100% 调节时间 ts 相对误差= 0.02或0.05 yy 峰值时间 tp 反映了系统对输入信号反应的快速性 衰减比 B1 B2 = 振荡次

15、数 N 反映了控制系统的阻尼特性, 定义为 进入 稳态前,穿越的稳态值 的次数的一半, 图中为 N = 1.5 y(t) y 稳态误差 ess ess y0y = 3.1测量算法 3.1.1数字滤波 主要用于克服随机误差，具有高精度、高 可靠性、高稳定性的特点，一般不受频率限制, 低频段 和高频段都可以，特别适合于低频段。 与模拟滤波器相比，优点十分明显： 1、软件实现，无须硬件上的各种匹配问题 2、多通道信号输入，可以共用一个数字滤波 器，降低成本。 3、滤波特性可以通过改变程序或参数来实现。 非常方便。 常用滤波方法包括一阶惯性滤波 、限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波 、滑动平均滤波、加权滑动平均滤波、 复合滤波和卡尔曼滤波等。 1.一阶惯性滤波 适合低频 Yn=aXn+bYn-1; X输入, Y输出 2.限幅滤波 Yn= Yn ； 当 |Yn|-|Yn-1| Yn-1； 当 |Yn|-|Yn-1| 3.中值滤波和算术平均值滤波 Y = X1 , X2 XNX* ; X* X* 为 X1 XN的中间值 Y 1 N X i i=1 N