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1、第第5 5章章 微型计算机控制技术概述微型计算机控制技术概述微型计算机控制技术研究的内容及特点微型计算机控制技术研究的内容及特点研究的内容：研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术通信技术、测量技术、信号处理技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。以及微机的控制方法及其应用。主要的特点：主要的特点：1 1）理论性强）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等：应用各种控制理论、信号处理理论等2 2）综合性强）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技
2、：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术术、网络技术、测量技术、信号处理技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等、电子技术等3 3）实践性强）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等践中积累了大量的经验方法、经验数据等4 4）理论与实践相结合）理论与实践相结合5 5）实用性强）实用性强6 6）应用广泛等）应用广泛等第第5 5章章 微型计算机控制技术概述微型计算机控制技术概述计算机控制技术发展迅速计算机控制技术发展迅速1 1、近、近3030年计算机发展迅速年计算机发展迅速微机、单片机，从微机、单片机，
3、从8 8位机到位机到3232位、位、6464位机，主频从几兆到几位机，主频从几兆到几千兆，集成度达数千万只晶体管，可靠性提高、体积小、功耗低。千兆，集成度达数千万只晶体管，可靠性提高、体积小、功耗低。2 2、计算机控制系统发展迅速、计算机控制系统发展迅速应用机型：应用机型：单板机、单片机、单板机、单片机、STDSTD总线工控机、工业总线工控机、工业PCPC机机控制方式：控制方式：从单机控制到集散控制、现场总线网络控制从单机控制到集散控制、现场总线网络控制应用范围：应用范围：从大型企业到一般企业从大型企业到一般企业控制对象：控制对象：从生产过程到检测设备一般的仪器仪表从生产过程到检测设备一般的仪
4、器仪表第第5 5章章 微型计算机控制技术概述微型计算机控制技术概述本章主要内容本章主要内容1.1 1.1 微型计算机控制系统组成微型计算机控制系统组成1.2 1.2 微型计算机控制系统分类微型计算机控制系统分类1.3 1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势微型计算机控制系统发展概况及趋势5.15.1 微型计算机控制系统组成（微型计算机控制系统组成（1 1）微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测部微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测部件、执行机构、外部通用设备等五部分组成。如图件、执行机构、外部通用设备等五部分组成。如图1-11-1所示。所示。5.15.1 微型计算机
5、控制系统组成（微型计算机控制系统组成（2 2）1.1.11.1.1 微型机控制系统硬件结构微型机控制系统硬件结构 系统硬件主要由以下系统硬件主要由以下5 5部分构成部分构成 1 1、主机、主机 作用作用为系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制、为系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。报警等。 选型选型：STDSTD总线机、工业总线机、工业PCPC机、机、8 8位或位或1616位或位或3232位单片机位单片机等。等。 2 2、I/OI/O接口接口 并行接口并行接口82558255或或81558155 串行接口串行接口82518251等等 直接数据传输控制器直接数据传输控制器82
6、378237 中断控制器中断控制器82598259 定时器定时器/ /计数器计数器82538253 A/D A/D转换器转换器ADC0809ADC0809等等 D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832等等1.11.1 微型计算机控制系统组成（微型计算机控制系统组成（3 3）3 3、通用外部设备、通用外部设备 作用：作用：显示、打印、存储、传输数据。显示、打印、存储、传输数据。 4 4、检测元件、检测元件作用：作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（准电信号（0-5V0-5V或或4-20mA4-20mA）。）
7、。器件：器件：各种传感器、变送器各种传感器、变送器5 5、执行机构、执行机构作用：作用：根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。设备：设备：电动的、气动的、液压传动的等。电动的、气动的、液压传动的等。 6 6、操作台、操作台作用：作用：实现人实现人-机对话，进行各种操作机对话，进行各种操作组成：组成：功能键、数字键、开关、按钮、功能键、数字键、开关、按钮、LEDLED数码管或数码管或CRTCRT显示器。显示器。 1.11.1 微型计算机控制系统组成（微型计算机控制系统组成（4 4）1.1.21.1.2 微型机控制系统软件微型机控制系统软件
8、这里所说的微型机控制系统软件，指的是应用软件。其功能这里所说的微型机控制系统软件，指的是应用软件。其功能结构为：结构为： 1 1、过程监控、过程监控 包括的程序有：包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。 2 2、过程控制计算、过程控制计算 包括的程序有：包括的程序有：控制算法（控制算法（PIDPID算法、最优控制、串级调节、算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故处理、信息管理（信息生
9、成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。 3 3、公共服务、公共服务 包括的程序有：包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。 1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（1 1） 所采用的控制系统与具体的过程、对象有关，可以所采用的控制系统与具体的过程、对象有关，可以分为分为6 6类类。1.2.11.2.1 操作指导控制系统操作指导控制系统 “ “操作指导操作指导” ”是指计算机输出不直接用来控制生产对象，而是指计算机输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收
10、集、加工处理，然后输出数据，操作只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，操作人员根据这些数据进行必要的操作。人员根据这些数据进行必要的操作。 该系统的该系统的特点特点是较简是较简单、安全可靠。常用于单、安全可靠。常用于试验调试过程。试验调试过程。 该系统的该系统的缺点缺点是要人是要人工操作，速度不能太快、工操作，速度不能太快、操作不能太多。操作不能太多。1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（2 2）1.2.2 1.2.2 直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC） DDCDDC（Direct Digital ControlDirect Digital Co
11、ntrol）是用一台微机对多个被控参数进是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PIDPID规律或直接数规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。在给定值上。 如右图所示。如右图所示。 DDCDDC控制的特点控制的特点：可一机可一机 多控，经济、灵活、可靠。多控，经济、灵活、可靠。 可实现各种复杂控制，如串可实现各种复杂控制，如串 级、前馈、自选控制、大滞级、前馈、自选控制、大滞 后控制等。后控制等。1.21.2 微型计算机控
12、制系统分类（微型计算机控制系统分类（3 3）1.2.3 1.2.3 计算机监督系统（计算机监督系统（SCC）计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Computer ControlSupervisory Computer Control）简称简称为为SCCSCC。 1 1、计算机监督系统计算机监督系统SCCSCC 在在SCCSCC系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，将其值送给模拟调节器或佳给定值，将其值送给模拟调节器或DDCDDC计算机控制生产过程。计算机控制生产过程。 2 2、SCCSCC系统的优点与问题系统的
13、优点与问题 优点：优点：可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应控制等。是操作指导系统和控制等。是操作指导系统和DDCDDC系统的综合与发展。系统的综合与发展。 问题：问题：由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，因此该系统实现比较困难。因此该系统实现比较困难。 3 3、SCCSCC系统的结构系统的结构 SCC+SCC+模拟调节器的控制系统模拟调节器的控制系统（一般模拟调节器其给定值不变）（一般模拟调节器其给定值不变） SCC+DDCSCC+DDC的控制系统的控制系统（比一般（比一般DD
14、CDDC系统灵活方便）系统灵活方便）1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（4 4） 计算机监督系统的两种结构如下图所示计算机监督系统的两种结构如下图所示1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（5 5）1.2.4 1.2.4 分布控制系统（分布控制系统（DCS） 分布控制系统（分布控制系统（Distributed Control SystemDistributed Control System）也称集散也称集散控制系统控制系统。 1 1、系统结构、系统结构 由三级组成：由三级组成：底层的分散过程控制级（底层的分散过程控制级（DDCDDC）、）、中间层
15、的监督中间层的监督控制级（控制级（SCCSCC）、）、上层的生产管理级（上层的生产管理级（MICMIC）。）。 是计算机技术、是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。 2 2、各级功能各级功能 分散过程控制级分散过程控制级DDCDDC，用于直接生产控制，完成数据采集、顺用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。 监督
16、控制级监督控制级SCCSCC，任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。分散控制级传送数据和指令。 管理级管理级MICMIC（Manage information Manage information ControlControl），），是是整个系统的整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。数学模型和
17、控制策略，对下一级下达指令等。1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（6 6） 3 3、分布控制系统的特点、分布控制系统的特点 通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。经济效益社会效益等。1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（7 7）1.
18、2.5 1.2.5 计算机集成制造系统（计算机集成制造系统（CIMS） CIMSCIMS是是“Computer Integrated Manufacturing System”Computer Integrated Manufacturing System”的的缩写。缩写。 1 1、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统CIMSCIMS的概念的概念 CIMSCIMS是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整体，将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控，做整体优化体，将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控，做整体优化决策。决策。 CIMSC
19、IMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理哲理。 2 2、计算机集成制造系统、计算机集成制造系统CIMSCIMS的结构的结构 CIMSCIMS采用的是多任务、分层体系结构采用的是多任务、分层体系结构。 有多种结构方案有多种结构方案，如五层递阶控制结构、面向集成平台的，如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMSCIMS结构、连续型结构、连续型CIMSCIMS结构和局域网型结构和局域网型CIMSCIMS结构等。其基本思想结构等。其基本思想都是都是“递阶控制（递阶控制（Hierarchical ControlHierarchical Con
20、trol）”。 递阶控制递阶控制是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令的命令/ /反馈控制方式。高一级的控制次一级的，次一级的功能更反馈控制方式。高一级的控制次一级的，次一级的功能更具体。具体。1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（8 8） 图图1-71-7为清华大学为清华大学CIMSCIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构。制体系结构。工厂工厂/ /车间层：车间层：主要是预主要是预测、规划、生产计划。测、规划、生产计划。 单元层单元层( (如一个流水线如一个流水线) )：
21、主要是制定详细计划、工主要是制定详细计划、工艺过程、对工作站进行调艺过程、对工作站进行调度和监控等。度和监控等。 工作站层工作站层( (具体的控制部具体的控制部分分) ) ：控制设备进行生产。控制设备进行生产。 设备层设备层 ：生产设备。生产设备。 1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（9 9）1.2.6 1.2.6 现场总线控制系统（现场总线控制系统（FCS）现场总线系统现场总线系统FCS FCS （FieldbusFieldbus Control System Control System）是分布控制系是分布控制系统（统（DCSDCS）的更新换代产品。的更新换代产品
22、。 1 1、结构、结构 是一种用数字通信协议是一种用数字通信协议连接智能现场设备和自动连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构、双向传输、多分支结构的通信网络。的通信网络。 简言之，是一种用数字简言之，是一种用数字局域网络连接起来的分布局域网络连接起来的分布式控制系统。式控制系统。1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（1010） 2 2、采用的技术、采用的技术 控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术 3 3、特点、特点 1 1）数字化的信息传输）数字化的信息传输2 2）分散的系统结构）
23、分散的系统结构 3 3）方便的互操作性）方便的互操作性4）开放的互连网络）开放的互连网络 5）多种传输媒介的拓扑结构）多种传输媒介的拓扑结构 4 4、FCSFCS系统的基本设备系统的基本设备 现场总线的现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表节点设备称为现场设备或现场仪表。基本设备有：。基本设备有： 1 1）传感器变送器、）传感器变送器、2 2）执行器）执行器 3 3）服务器和网桥、）服务器和网桥、 4 4）辅助设备）辅助设备 5 5）监控设备）监控设备1.21.2 微型计算机控制系统分类（微型计算机控制系统分类（11 11）现场总线系统与分布控制系统的区别，前者为一条总线连现场总线系统与分布
24、控制系统的区别，前者为一条总线连接，后者为星形连接。接，后者为星形连接。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势（微机控制系统概况及发展趋势（1 1）1.3.1 1.3.1 微机控制系统种类微机控制系统种类 按被控对象的规模可分为以下按被控对象的规模可分为以下4 4种种 一、单片微型计算机一、单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)(Single Chip Microcomputer) 特点：用于自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低特点：用于自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低级语言、也可用高级语言编程。级语言、也可用高级语言编程。 与微机相比其特点
25、：与微机相比其特点： 1 1、集成度高、功能强、集成度高、功能强 在一个芯片上，集成有计算机的在一个芯片上，集成有计算机的5 5部分功能。部分功能。 2 2、结构合理、结构合理 为哈佛（为哈佛（HarvardHarvard）结构，结构，即数据存储器与程序存储器相互独立。即数据存储器与程序存储器相互独立。1 1）容量大容量大（1616位地址线时，有位地址线时，有64K64K的程序存储器和的程序存储器和64K64K的数据存储的数据存储器）、器）、2 2）速度快（可达速度快（可达40MHz40MHz及以上）及以上）。 3 3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功
26、耗低1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（2 2） 4 4、指令丰富、指令丰富 有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等。有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（3 3） 二、可编程逻辑控制器（二、可编程逻辑控制器（PLCPLC） 可编程逻辑控制器（可编程逻辑控制器（Programmable Logical Programmable Logical ControllerController）简称为简称为PLCPLC。是继电器逻辑控制系统与微机相结合是继电器逻辑控制系统与微机相
27、结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。的产物。在工厂自动化中有广泛应用。 1 1、PLCPLC的功能的功能条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、A/DA/D及及D/AD/A转转换、数据处理、通信与连网功能等。换、数据处理、通信与连网功能等。2 2、PLCPLC的特点的特点可靠性高、编程容易、组合灵活、输入可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/ /输出功能模块齐全、输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。安装方便、运行速度快等。 3 3、PLCPLC的分类的分类 低档类低档类：以开关量为主，内部有：以开关量为主，内部有200200多个继电器、定时器多个继
28、电器、定时器/ /计数器计数器等资源。等资源。 中档类中档类：继电器数目更多（达：继电器数目更多（达512512）、增加有模拟量接口，软件上）、增加有模拟量接口，软件上增加有增加有PIDPID运算、数学运算、数制转换等。运算、数学运算、数制转换等。 高档类高档类：控制点数达：控制点数达10001000以上，具有计算、控制和调节功能，具以上，具有计算、控制和调节功能，具有通信和连网能力，显示器用有通信和连网能力，显示器用CRTCRT，接近工业接近工业PCPC的功能。的功能。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（4 4） 三、三、STDSTD总线工业控制机总线工业控制
29、机 STDSTD（StandardStandard）总线工业控制机，是一种广泛应用于工业过程总线工业控制机，是一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统。控制的计算机系统。 1 1、STDSTD的特点的特点 1 1）小板结构模块化设计）小板结构模块化设计 165.1mm165.1mm*114.3mm*114.3mm；每一模块有一两个功能，如每一模块有一两个功能，如CPUCPU、A/DA/D、D/AD/A、开关量开关量I/OI/O、电机控制等。电机控制等。 2 2）标准化及兼容性）标准化及兼容性 3 3）面向）面向I/OI/O设计设计 其总线是面向其总线是面向I/OI/O端口的，可扩展端口的，可扩展
30、2020块块I/OI/O模块。模块。 4 4）高可靠性）高可靠性 能适应恶劣环境、抗干扰力强、能适应恶劣环境、抗干扰力强、WatchdogWatchdog监控、掉电保护等。监控、掉电保护等。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（5 5）1.31.3 （6 6） 2 2、STDSTD总线工业控制机总线工业控制机 的系统组成的系统组成 系统由总线母板机架、微处系统由总线母板机架、微处理器板、存储器板、及其它控理器板、存储器板、及其它控制板组成。制板组成。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（7 7） 四、工业四、工业PCPC机机 是一种采
31、用是一种采用STDSTD总线工业控制总线工业控制机结构的个人微型计算机。机结构的个人微型计算机。 1 1、特点、特点 模块化结构、软件资源极其丰模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、使用方便等。富、软件开发容易、使用方便等。 2 2、工业、工业PCPC机与个人机与个人PCPC的区别的区别 1 1）变主板为通用的底板总线插座板）变主板为通用的底板总线插座板 2 2）模块化插件板，如）模块化插件板，如CPUCPU板、板、I/OI/O板、板、A/DA/D、D/AD/A板等。板等。 3 3）电源改为工业电源）电源改为工业电源 4 4）机箱密封，并采用正压送风）机箱密封，并采用正压送风 5 5）配
32、有工业应用软件）配有工业应用软件 微机控制系统的选用原则微机控制系统的选用原则 1 1）对于小型控制系统、智能化仪器、智能化接口尽量采用单片）对于小型控制系统、智能化仪器、智能化接口尽量采用单片机，并自己设计。机，并自己设计。 2 2）对于一个产品或用量较大的设备，应采用单片机并自行设计。）对于一个产品或用量较大的设备，应采用单片机并自行设计。 3 3）对于中等规模的控制系统，为了加快开发速度，应选用现成）对于中等规模的控制系统，为了加快开发速度，应选用现成的工业控制机。如的工业控制机。如PLCPLC、STDSTD机等，应用软件可自己开发。机等，应用软件可自己开发。 4 4）对于大型的工业控制
33、系统，最好选用工业）对于大型的工业控制系统，最好选用工业PCPC机、专用集散机、专用集散控制系统，软件可用高级语言开发。控制系统，软件可用高级语言开发。1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（8 8）1.31.3 微机控制系统概况及发展趋势微机控制系统概况及发展趋势（9 9）1.3.2 1.3.2 微机控制系统的发展趋势微机控制系统的发展趋势 1 1、大力推广应用成熟的先进技术、大力推广应用成熟的先进技术 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）、）、智能化调节器智能化调节器 （温度、速度等调节器）（温度、速度等调节器） 集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）
34、、）、现场总线系统（现场总线系统（FCSFCS） 现场总线系统（现场总线系统（FCSFCS）将成为微机控制系统发展的方向将成为微机控制系统发展的方向 2 2、大力研究和发展智能控制系统、大力研究和发展智能控制系统 分级递阶智能控制系统，分级递阶智能控制系统，是一种智能化的分级控制系统，系统一般是一种智能化的分级控制系统，系统一般分为组织级、协调级、执行级分为组织级、协调级、执行级 模糊控制系统，模糊控制系统，是一种应用模糊集合理论的控制方法。是一种应用模糊集合理论的控制方法。 专家控制系统，专家控制系统，是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统。是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统。 学习控制系统，学习控制系统，能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统。能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统。 3 3、单片机的应用更加深入、单片机的应用更加深入 将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用。将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用。
