技术概述微型计算机控制技术研究的内容及.ppt
第5章 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）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：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4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等,第5章 微型计算机控制技术概述,计算机控制技术发展迅速1、近30年计算机发展迅速微机、单片机，从8位机到32位、64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。2、计算机控制系统发展迅速应用机型：单板机、单片机、STD总线工控机、工业PC机控制方式：从单机控制到集散控制、现场总线网络控制应用范围：从大型企业到一般企业控制对象：从生产过程到检测设备一般的仪器仪表,第5章 微型计算机控制技术概述,本章主要内容1.1 微型计算机控制系统组成1.2 微型计算机控制系统分类1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势,5.1 微型计算机控制系统组成（1）,微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测部件、执行机构、外部通用设备等五部分组成。如图1-1所示。,5.1 微型计算机控制系统组成（2）,微型机控制系统硬件结构 系统硬件主要由以下5部分构成 1、主机 作用为系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等。选型：STD总线机、工业PC机、8位或16位或32位单片机等。2、I/O接口 并行接口8255或8155 串行接口8251等 直接数据传输控制器8237 中断控制器8259 定时器/计数器8253 A/D转换器ADC0809等 D/A转换器DAC0832等,1.1 微型计算机控制系统组成（3）,3、通用外部设备 作用：显示、打印、存储、传输数据。4、检测元件作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非标准信号转换成标准电信号（0-5V或4-20mA）。器件：各种传感器、变送器5、执行机构作用：根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。设备：电动的、气动的、液压传动的等。6、操作台作用：实现人-机对话，进行各种操作组成：功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器。,1.1 微型计算机控制系统组成（4）,微型机控制系统软件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：1、过程监控 包括的程序有：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。2、过程控制计算 包括的程序有：控制算法（PID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（信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。3、公共服务 包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,1.2 微型计算机控制系统分类（1）,所采用的控制系统与具体的过程、对象有关，可以分为6类。操作指导控制系统“操作指导”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。该系统的特点是较简单、安全可靠。常用于试验调试过程。该系统的缺点是要人工操作，速度不能太快、操作不能太多。,1.2 微型计算机控制系统分类（2）,1.2.2 直接数字控制系统（DDC）DDC（Direct Digital Control）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PID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，使被控参数稳定在给定值上。如右图所示。DDC控制的特点：可一机 多控，经济、灵活、可靠。可实现各种复杂控制，如串 级、前馈、自选控制、大滞 后控制等。,1.2 微型计算机控制系统分类（3）,1.2.3 计算机监督系统（SCC）计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称为SCC。1、计算机监督系统SCC 在SCC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DDC计算机控制生产过程。2、SCC系统的优点与问题 优点：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DDC系统的综合与发展。问题：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。3、SCC系统的结构 SCC+模拟调节器的控制系统（一般模拟调节器其给定值不变）SCC+DDC的控制系统（比一般DDC系统灵活方便）,1.2 微型计算机控制系统分类（4）,计算机监督系统的两种结构如下图所示,1.2 微型计算机控制系统分类（5）,1.2.4 分布控制系统（DCS）分布控制系统（Distributed Control System）也称集散控制系统。1、系统结构 由三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。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。2、各级功能 分散过程控制级DDC，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，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。监督控制级SCC，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。管理级MIC（Manage information Control），是整个系统的中枢，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。,1.2 微型计算机控制系统分类（6）,3、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、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，创造最佳经济效益社会效益等。,1.2 微型计算机控制系统分类（7）,1.2.5 计算机集成制造系统（CIMS）CIMS是“Computer Integrated Manufacturing System”的缩写。1、计算机集成制造系统CIMS的概念 CIMS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，做整体优化决策。CIMS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。2、计算机集成制造系统CIMS的结构 CIMS采用的是多任务、分层体系结构。有多种结构方案，如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMS结构、连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等。其基本思想都是“递阶控制（Hierarchical Control）”。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，次一级的功能更具体。,1.2 微型计算机控制系统分类（8）,图1-7为清华大学CIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构。工厂/车间层：主要是预测、规划、生产计划。单元层(如一个流水线)：主要是制定详细计划、工艺过程、对工作站进行调度和监控等。工作站层(具体的控制部分)：控制设备进行生产。设备层：生产设备。,1.2 微型计算机控制系统分类（9）,1.2.6 现场总线控制系统（FCS）现场总线系统FCS（Fieldbus Control System）是分布控制系统（DCS）的更新换代产品。1、结构 是一种用数字通信协议连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。简言之，是一种用数字局域网络连接起来的分布式控制系统。,1.2 微型计算机控制系统分类（10）,2、采用的技术 控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术 3、特点 1）数字化的信息传输2）分散的系统结构 3）方便的互操作性4）开放的互连网络 5）多种传输媒介的拓扑结构 4、FCS系统的基本设备 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表。基本设备有：1）传感器变送器、2）执行器 3）服务器和网桥、4）辅助设备 5）监控设备,1.2 微型计算机控制系统分类（11）,现场总线系统与分布控制系统的区别，前者为一条总线连接，后者为星形连接。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（1）,1.3.1 微机控制系统种类 按被控对象的规模可分为以下4种 一、单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)特点：用于自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低级语言、也可用高级语言编程。与微机相比其特点：1、集成度高、功能强 在一个芯片上，集成有计算机的5部分功能。2、结构合理 为哈佛（Harvard）结构，即数据存储器与程序存储器相互独立。1）容量大（16位地址线时，有64K的程序存储器和64K的数据存储器）、2）速度快（可达40MHz及以上）。3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（2）,4、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。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（3）,二、可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller）简称为PLC。是继电器逻辑控制系统与微机相结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。1、PLC的功能条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、A/D及D/A转换、数据处理、通信与连网功能等。2、PLC的特点可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。,3、PLC的分类 低档类：以开关量为主，内部有200多个继电器、定时器/计数器等资源。中档类：继电器数目更多（达512）、增加有模拟量接口，软件上增加有PID运算、数学运算、数制转换等。高档类：控制点数达1000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CRT，接近工业PC的功能。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（4）,三、STD总线工业控制机 STD（Standard）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。1、STD的特点 1）小板结构模块化设计 165.1mm*114.3mm；每一模块有一两个功能，如CPU、A/D、D/A、开关量I/O、电机控制等。2）标准化及兼容性 3）面向I/O设计 其总线是面向I/O端口的，可扩展20块I/O模块。4）高可靠性 能适应恶劣环境、抗干扰力强、Watchdog监控、掉电保护等。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（5）,1.3（6）,2、STD总线工业控制机 的系统组成 系统由总线母板机架、微处理器板、存储器板、及其它控制板组成。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（7）,四、工业PC机 是一种采用STD总线工业控制机结构的个人微型计算机。1、特点 模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、使用方便等。2、工业PC机与个人PC的区别 1）变主板为通用的底板总线插座板 2）模块化插件板，如CPU板、I/O板、A/D、D/A板等。3）电源改为工业电源 4）机箱密封，并采用正压送风 5）配有工业应用软件,微机控制系统的选用原则 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机，并自己设计。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。3）对于中等规模的控制系统，为了加快开发速度，应选用现成的工业控制机。如PLC、STD机等，应用软件可自己开发。4）对于大型的工业控制系统，最好选用工业PC机、专用集散控制系统，软件可用高级语言开发。,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（8）,1.3 微机控制系统概况及发展趋势（9）,1.3.2 微机控制系统的发展趋势 1、大力推广应用成熟的先进技术 可编程控制器（PLC）、智能化调节器（温度、速度等调节器）集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）现场总线系统（FCS）将成为微机控制系统发展的方向 2、大力研究和发展智能控制系统 分级递阶智能控制系统，是一种智能化的分级控制系统，系统一般分为组织级、协调级、执行级 模糊控制系统，是一种应用模糊集合理论的控制方法。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。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。3、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。,
