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1、第一章 绪论,一.计算机控制系统概论 二.工业控制机的组成结构及特点 三.计算机控制系统的发展概述,1.计算机控制系统及其组成 图示计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机,简称工控机)来实现生产过程自动控制的系统。偏差 控制量,一 计算机控制系统概论,所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。,2 计算机控制系统的工作原理 （1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入； （2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 （3）实时控制输出：根据控制决策，适时地对
2、执行机构发出控制信号，完成控制任务。,计算机控制系统的典型形式 （5种） （1）操作指导控制系统 该系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。,（2）直接数字控制（Direct Digital Control）系统 DDC系统属于计算机闭环控制系统。计算机首先通过模拟量输入通道（AI）和开关量输入通道（DI）实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（AO）和开关量输出通道（DO）直接控制生产过程。,（3）
3、监督控制（Supervisory Computer Control)系统 监督控制中，计算机根据原始工艺信息和其他的参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。 从这个角度上说，它的作用始改变设定值，又称为设定值控制SPC(Set Point Control).,（4）分散型控制系统 （Distributed Control System-DCS) DCS采用分散控制，集中操作，分级管理，分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中
4、操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。,（5）现场总线控制系统 （Fieldbus Control System-FCS) FCS是新一代分布式控制结构。20世纪80年代发展起来的DCS，其结构模式为“操作站控制站现场仪表”三层结构，系统成本较高，而且各厂商的DCS又各自的标准，不能互连。FCS于DCS不同，它的结构模式为“工作站现场总线仪表”二层结构，完成了DCS三层结构的功能，降低了成本，提高了可靠性，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。,1.工业控制机 PC总线工控机（ X86 CPU ）STD总线工控机（X86 CPU) VME总线工控机（Motorola CPU
5、） 多总线（MULTIBUS)工控机（X86 CPU),二.工业控制机的组成结构及特点,2. PC总线标准 XT线（书上的PC总线）：62线，16位，数据传输率2.38Mbps ISA (AT) 总线：对XT总线的扩充，98线， 16位，寻址空间16MB，数据传输率16Mbps EISA 总线：对ISA总线的扩充， 32位，98+98线，数据传输率32Mbps VESA总线：局部总线标准，是ISA总线的扩展，适应多媒体技术，数据交换由CPU总线直接进行，运行速度为66MHz或更高，最大数据传输率为132Mbps。,PCI总线：在CPU和外设间插入协调数据传输的管理层，提供一致的总线接口，形成了
6、开放的局部总线标准，而不依赖于CPU芯片。工作频率33MHz，PCI总线的数据宽度为32位和64两种， 数据传输率分别为133Mbps和266Mbps，PCI Express数据传输率可以达到8Gbps。,3. 基于PC总线的工业控制机常见类型 ISA 总线工控机 PCI 总线工控机 PC104 总线工控机：总线与ISA兼容的基础上缩小模板尺寸，降低功耗，满足嵌入式系统的要求。有104条信号线，模板尺寸为3.6 in3.8 in (90mm96mm)，可以层叠。 CompactPCI工控机：PCI总线欧式插卡结构。,三 计算机控制系统的发展概述,1 推广应用成熟的先进技术 （1）普及应用可编程
7、序控制器(PLC) （2）广泛使用调节器 （3）采用新型的DCS和FCS 2 大力研究和发展智能控制系统 （1）分级递阶智能控制系统 （2）模糊控制系统 （3）专家系统 （4）学习控制系统 （5）神经网络控制系统,第2章 输入输出接口与过程通道 接口：计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。 接口技术：研究计算机与外部设备交换信息的技术。 过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO） 2.1 数字量输入输出通道（DI、DO） 数字量开关量：用“0”和“1” 两个量进行描述。,2.1.1 数字量输入输出接口 数字量输入接口 三态门缓冲器74
8、LS244 MOV DX, port IN AL,DX,数字量输出接口 锁存器74LS273 利用IOW上 升沿锁存 MOV AL,DATA MOV DX, port OUT DX,DL,输 入 调 理 电 路,输 入 缓 冲 器,地址译码器,生 产 过 程,P C 总 线,2.1.2 数字量输入通道 数字量输入通道结构,输入调理电路 把现场信号经转换、保护、滤波、隔离转换成 计算机能够接收的逻辑信号。 小功率输入调理电路 开关去抖电路 积分电路,A,O,A,O,O,A1,RS触发器 去抖 RS触发器 “ 1” 负脉冲 “ 0” 高电平,大功率输入调理电路 采用光电隔离,输 出 驱 动 器,输
9、 出 锁 存 器,地址译码器,生 产 过 程,P C 总 线,2.1.3 数字量输出通道 1、数字量输出通道结构,2、输出驱动电路 小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路 续流二极管在功率晶体管关闭时，为继电器线圈产生的反电动势提供旁路通道，保护晶体管。,达林顿阵列输出驱动继电器电路 MC1416，7路驱动，带保护二极管,大功率交流驱动电路 固态继电器。零交叉电路在交流电过零时产生 触发信号，减少干扰。,2.2 A/D转换器及接口技术 常用A/D转换方式： 1、逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较） ADC0809（8位），AD574（12位） 2、双斜积分型：转换时间长，抗扰
10、性好（积分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 3、全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。 4、分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。 5、-型（过采样转换器）：高速1bit DAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。,A/D转换器的主要技术指标： 转换时间：积分型毫秒级，逐次比较 微秒级，全并行 纳秒级。 分辨率：数字量位数n。 LSB（最低有效位）满量程的1/2n. 线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性 的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB 量程：能转换的电压范围。 对基准电源的要
11、求：电源精度。,2.2.1 A/D转换器 8位A/D转换器ADC0809 带8通道模拟开关的8位逐次逼近A/D转换器 转换时间100us, 误差1/2LSB,8通道模拟开关及通道选择 地址锁存信号ALE 转换启动：START收到正脉冲 转换结束：EOC从低电平变为高电平 基准电压：VREF(+)=5.12V, VREF(-)=0V,转换时序,12位A/D转换器AD547A 单通道12位逐次逼近A/D转换器 转换时间25us, 误差1/2LSB，单极性或双极 性输入，量程10V或20V。,单、双极性应用 单极性：BIP OFF接0V 双极性：BIP OFF接10V,转换结果输出： 引脚12/8=
12、1：D11-D0并行输出； 引脚12/8=0：D11-D8和D7-D0分时输出； 控制逻辑,转换进行：STS为高电平 转换结束：STS从高电平转为低电平 转换时序： 启动,转换时序：读,2.2.2 A/D转换接口技术 ADC0809与8255A接口 8255A的A口工作方式0。 A口为数据输入端 C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 通道地址ABC PC3 ALE和START，启动转换 PC7 OE和EOC，检测转换结束 8255A系统地址2C0H2C3H。,ADC0809 PROC NEAR MOV CX,8; 循环次数 CLD; DI自动增量 MOV BL,00H ; 模拟
13、通道地址 LEA DI,DATABUF； 字串存储地址 NEXTA: MOV DX,02C2H MOV AL,BL OUT DX,AL INC DX MOV AL,00000111B；输出启动信号，上升沿锁存地址 NOP NOP NOP MOV AL,00000110B；下降沿, 形成ALE, START 脉冲,OUT DX,AL DEC DX NOSC: IN AL, DX; 检测转换结束信号 TEST AL,80H JNZ NOSC; EOC=1, 则等待，检测EOC下降沿 NOEOC: IN AL, DX; TEST AL,80H JZ NOSC; EOC=0, 则等待，检测EOC上升沿
14、，转换结束 MOV DX,02C0H; 读转换结果 IN AL,DX STOS DATABUF; 保存结果 INC BL; 修改模拟通道地址 LOOP NEXTA；CX-1; RET ADC0809 ENDP,AD574与8255A接口 AD574的12/8接5V，A0接地，工作于12位转换和读出方式。 8255A的A口、B口工作方式0，数据输入端C口上半部分为输入，下半部分为输出。 PC0-PC2 R/C，CS，CE PC7 STS，检测转换结束 8255A系统地址2C0H2C3H。,MOV DX,02C2H; 令CS,R/C为低电平 MOV AL,00H OUT DX,AL NOP NOP
15、 MOV AL,04H； 令CE=1, 启动转换 OUT DX,AL NOP NOP MOV AL,03H；令CE=0，CS, R/C1，启动完毕 OUT DX,AL POLLING: IN AL,DX; 查询STS状态 TEST AL,80H JNZ POLLING; STS=1 则等待，检测下降沿（转换结束） MOV AL,01H；令CS0,R/C1, 准备读,OUT DX,AL NOP MOV AL,05H; 令CE=1,允许读出 OUT DX,AL MOV DX,02C0H IN AL,DX ; 读高4位DB11-DB8; AND AL, 0FH MOV BH,AL；存高4位 INC
16、DX IN AL,DX ；读低8位DB7-DB0 MOV BL,AL INC DX MOV AL,03H OUT DX,AL; 结束读出操作,第二章 输入输出接口与过程通道（2）,2.3 模拟量输入通道 模拟量输入通道把模拟信号转换为二进制数字信号，送入计算机中。 模拟信号传输010mA或420mA电流传输。,2.3.1 模拟量输入通道结构,2.3.2 I/V变换 电流输出 仪表DDZ-：010mA 仪表DDZ-,DDZ-S：420mA 无源I/V变换（利用无源器件完成） 010mA:R1 100 R2 500 05V输出 420mA:R1 100 R2 250 15V输出,有源I/V变换（利用有源器件完成） 010mA:R1 200 R3 100k R4 150k 05V输出 420mA:R1 200 R3 100k 同相放大器倍数 A=1+R4/R3 R4 25k 15V输出,
