《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》教案.doc

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第 周 第 次課 年 月 日 章 節(jié) 名 稱(chēng) 第1章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 授 課 方 式 理論課（*?。?；實(shí)踐課（?。粚?shí)習(xí)（?。? 教　學(xué) 時(shí)　數(shù) 2 教 學(xué) 目 的 及 要 求 1.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理 2.了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 3. 初步認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi)與裝置種類(lèi) 教 學(xué) 重 點(diǎn) 與 難 點(diǎn) 重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi)與裝置種類(lèi) 教 學(xué) 手 段 介紹、討論與多媒體 教　學(xué) 主 要　內(nèi)　容 時(shí)間 分配 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成與軟件組成。 初步認(rèn)識(shí)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類(lèi)與裝置種類(lèi) 小結(jié) （15’） （30’） （35’） （5’） 復(fù)習(xí)思考題 1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)的主要異同點(diǎn)是什么？ 2．分析說(shuō)明圖1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成及其作用。 3．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由哪些部分構(gòu)成？ 4．按控制方案來(lái)分，計(jì)算機(jī)控系統(tǒng)劃分成那幾大類(lèi)？ 5．計(jì)算機(jī)控制裝置可以分成哪幾種機(jī)型？ 小 結(jié) 本章概要介紹了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、硬件組成與軟件組成。分別從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案與裝置種類(lèi)這兩個(gè)不同的角度討論分析了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi)。本書(shū)將在本章的基礎(chǔ)上漸次對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分展開(kāi)討論。 第1章: 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越多地用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。近幾年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)與傳感技術(shù)、CRT顯示技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)的高速發(fā)展，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)水平的提高。 本章主要介紹計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成、工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)。 1．1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 自動(dòng)控制技術(shù)在許多領(lǐng)域里獲得了廣泛的應(yīng)用。 自動(dòng)控制—— 就是在沒(méi)有人直接參與的情況下，通過(guò)控制器使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。 近年來(lái)，計(jì)算機(jī)已成為自動(dòng)控制技術(shù)不可分割的重要組成部分，并為自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的新天地。 1.1.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其組成 1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) ——利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī) 輸出通道D/A 輸入通道A/D 對(duì)象 被控變量 y 輸入通道 （1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理 典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1．1。 圖 1.1 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于工業(yè)控制機(jī)的輸入和輸出是數(shù)字信號(hào)，因此需要有A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟： ①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。 ②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。 ③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。 上述過(guò)程不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行工作，并對(duì)被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時(shí)作出處理。 （2）在線方式和離線方式 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱(chēng)為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；生產(chǎn)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱(chēng)為離線方式或脫機(jī)方式。 （3）實(shí)時(shí)的含義 實(shí)時(shí)—— 指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。 實(shí)時(shí)的概念不能脫離具體過(guò)程，一個(gè)在線的系統(tǒng)不一定是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。 2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 典型的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖1.2。生產(chǎn)過(guò)程 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 反多路開(kāi)關(guān) 多路 開(kāi)關(guān) 開(kāi)關(guān)量 輸 出 時(shí)鐘 操作臺(tái) 計(jì)算機(jī)（主機(jī)） 接口 接口 接口 接口 A/D D/A 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 打印機(jī) CRT 顯示終端 軟件 變送器 傳感器 通用外部設(shè)備 主機(jī)、操作臺(tái) 接口 輸入輸出通道 檢測(cè)、變送執(zhí)行 被控對(duì)象 開(kāi)關(guān)量輸 入 以微型計(jì)算機(jī)為核心的過(guò)程控 圖1.2 基本組成：硬件部分和軟件部分。 各部件功能簡(jiǎn)介： 硬件部分 ①主機(jī) 組成：中央處理器（CPU）和內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)組成。 作用：根據(jù)輸入通道送來(lái)的被控對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行信息處理、分析、計(jì)算，作出控制決策，通過(guò)輸出通道發(fā)出控制命令。 ②接口電路 作用：主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)行信息交換時(shí)，通過(guò)接口電路的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)信息的傳送。 ③過(guò)程輸入/輸出通道 作用：主機(jī)和被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)信息傳送與交換的通道。 輸入/輸出通道分為模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、開(kāi)關(guān)量輸入通道、開(kāi)關(guān)量輸出通道。 ④外部設(shè)備 外部設(shè)備按功能可分成三類(lèi)：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和外存儲(chǔ)器。 常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、紙帶輸入機(jī)等，輸入設(shè)備主要用來(lái)輸入程序和數(shù)據(jù)。 常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。輸出設(shè)備主要用來(lái)把各種信息和數(shù)據(jù)以曲線、字符、 數(shù)字等形式提供給操作人員，以便及時(shí)了解控制過(guò)程。 外存儲(chǔ)器有磁盤(pán)、磁帶等，主要用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。 ⑤操作臺(tái) 一般操作臺(tái)有（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器，用以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)；有功能鍵，以便操作人員輸入或修改控制參數(shù)和發(fā)送命令。 軟件部分 軟件是指計(jì)算機(jī)中使用的所有程序的總稱(chēng)。軟件通常又可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 （l）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件：給用戶(hù)使用維護(hù)和管理計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一類(lèi)程序，它具有一定的通用性。 組成：操作系統(tǒng)、語(yǔ)言加工系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)。 1．操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)：就是對(duì)計(jì)算機(jī)本身進(jìn)行管理和控制的一種軟件。 計(jì)算機(jī)自身系統(tǒng)中的所有硬件和軟件統(tǒng)稱(chēng)為資源。 從功能上看，可把操作系統(tǒng)看作是資源的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器、內(nèi)存、設(shè)備以及信息的管理，例如對(duì)上述資源的分配、控制、調(diào)度和回收等。 2．語(yǔ)言加工系統(tǒng) 語(yǔ)言加工系統(tǒng)就是將用戶(hù)編寫(xiě)的源程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的機(jī)器代碼（目的程序）。 語(yǔ)言加工系統(tǒng)主要由編輯程序、編譯程序、連接、裝配程序、調(diào)試程序、及子程序庫(kù)組成： (1) 編輯程序： 建立源程序文件的過(guò)程就是由編輯程序完成的。該程序可對(duì)一個(gè)程序進(jìn)行插入、增補(bǔ)、刪除、修改、移動(dòng)等編輯加工，并且在磁盤(pán)上建立源程序文件。 (2) 編譯程序： 將源程序“翻譯”成機(jī)器代碼。 (3)連接、裝配程序： 使用連接、裝配程序可將不同語(yǔ)言編寫(xiě)的不同的程序模塊的源程序連接起來(lái)，成為一個(gè)完整的可運(yùn)行的絕對(duì)地址目標(biāo)程序。 (4)調(diào)試程序： 調(diào)試程序用來(lái)檢查源程序是否符合程序設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。 (5)子程序庫(kù)：為了用戶(hù)編程方便，系統(tǒng)軟件中都提供了子程序庫(kù)。了解這些子程序的功能和調(diào)用條件之后，就可直接在程序中調(diào)用它們 3．診斷系統(tǒng) 診斷系統(tǒng)是用于維修計(jì)算機(jī)的軟件。 （2）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件：是用戶(hù)為了完成特定的任務(wù)而編寫(xiě)的各種程序的總稱(chēng)。 包括：控制程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序、巡回檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)管理程序等。 ① 控制程序：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種控制算法和被控對(duì)象的具體情況來(lái)編寫(xiě)，控制程序的主要目標(biāo)是滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 ② 數(shù)據(jù)采集及處理程序： 包括： 數(shù)據(jù)可靠性檢查程序——用來(lái)檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)； A／D轉(zhuǎn)換及采樣程序； 數(shù)字濾波程序——用來(lái)濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)； 線性化處理程序——對(duì)檢測(cè)元件或變送器的非線性特性用軟件進(jìn)行補(bǔ)償。 ③ 巡回檢測(cè)程序：包括： 數(shù)據(jù)采集程序——完成數(shù)據(jù)的采集和處理； 越限報(bào)警程序——用于在生產(chǎn)中某些量超過(guò)限定值時(shí)報(bào)警； 事故預(yù)告程序——根據(jù)限定值，檢查被控量的變化趨勢(shì)，若有可能超過(guò)限定值，則發(fā)出事故預(yù)告信號(hào)； 畫(huà)面顯示程序——用圖、表在CRT上形象地反映生產(chǎn)狀況。 ④ 數(shù)據(jù)管理程序 這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括：統(tǒng)計(jì)報(bào)表程序；產(chǎn)品銷(xiāo)售、生產(chǎn)調(diào)度及庫(kù)存管理程序；產(chǎn)值利潤(rùn)預(yù)測(cè)程序等。 3.工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn) ① 可靠性高和可維修性好。。 ② 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。 ③ 控制的實(shí)時(shí)性。 ④ 完善的輸入輸出通道。 ⑤ 豐富的軟件。 ⑥ 適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)精度和運(yùn)算速度。 1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大致可分為以下幾種典型的形式。 1．操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1．3。 系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、給出操作指導(dǎo)信息。 模擬量輸入（AI）通道 數(shù)字量輸入（DI）通道 操作人 員 生 產(chǎn) 過(guò) 程 計(jì) 算 機(jī) 打印機(jī) 調(diào)節(jié)器 CRT 圖1.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活和安全。 缺點(diǎn)：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。 該控制系統(tǒng)屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。 2．直接數(shù)字控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DDC）系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 1．4。 工作過(guò)程： （略） DDC系統(tǒng)屬于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 輸入通道 （AI.DI） 輸出通道 (AO.DO) 打印機(jī) 報(bào) 警 操作臺(tái) CRT 計(jì) 算 機(jī) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 圖 1.4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)；一臺(tái)計(jì)算機(jī)可控制幾個(gè)或幾十個(gè)回路。 3．監(jiān)督控制系統(tǒng) 監(jiān)督控制 SCC（Supervisory Computer Control）。 監(jiān)督控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如圖 1． 5。 工作過(guò)程： （略） 監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖。 模擬 調(diào)節(jié)器 DDC 計(jì)算機(jī) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 生 產(chǎn) 過(guò) 程 SSC計(jì) 算 機(jī) SSC計(jì) 算 機(jī) 記錄 顯示 打印 記錄 顯示 打印 調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié) 測(cè)量 測(cè)量 設(shè)定值 設(shè)定值 (a) (b) 工藝數(shù)據(jù) 工藝數(shù)據(jù) 圖 1.5 （l）SCC加上模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng) 當(dāng)SCC微型機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可由模擬調(diào)節(jié)器獨(dú)立完成操作。 （2）SCC加上DDC的分級(jí)控制系統(tǒng) 這實(shí)際上是一個(gè)分級(jí)控制系統(tǒng)，SCC可采用高檔微型機(jī)，它與DDC之間通過(guò)接口進(jìn)行信息聯(lián)系。 4．分散型控制系統(tǒng) 分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System－DCS）。 系統(tǒng)特點(diǎn)：采用分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則，把系統(tǒng)從上到下分為分散過(guò)程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)、綜合信息管理級(jí)，形成分級(jí)分布式控制，其結(jié)構(gòu)如圖1．6。 集中操作監(jiān)控級(jí) 管 理 計(jì)算機(jī) 網(wǎng) 間 聯(lián)接器 工程師 操作站 操作員 操作站 監(jiān) 控 計(jì)算機(jī) 網(wǎng) 間 聯(lián)接器 現(xiàn) 場(chǎng) 控制站 PLC 智 能 調(diào)節(jié)器 其它測(cè) 控裝置 至其它局域網(wǎng) 局域網(wǎng)絡(luò)（LAN) 通信聯(lián)絡(luò) 綜合信息管理級(jí) 分級(jí)過(guò)程控制級(jí) 圖1.6 5．現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總統(tǒng)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System—FCS）是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。 DCS結(jié)構(gòu)模式為：“操作站——控制站——現(xiàn)場(chǎng)儀表”三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本較高，而且各廠商的DCS有各自的標(biāo)準(zhǔn)，不能互聯(lián)。 FCS結(jié)構(gòu)模式為：“工作站——現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)CS用二層結(jié)構(gòu)完成了DCS中的三層結(jié)構(gòu)功能，降低了成本，提高了可靠性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實(shí)現(xiàn)真正的開(kāi)放式互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1．7。 系統(tǒng)工作過(guò)程：（略） 圖1．7 1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì) 1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENICA正式使用以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)在世界各國(guó)得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，本節(jié)回顧一下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況，并討論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們可按以下四個(gè)階段來(lái)描述其發(fā)展過(guò)程： （1）開(kāi)創(chuàng)時(shí)期（1955～1962年） （2）直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967年） （3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972年） （4）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972年～至今） 2．計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過(guò)程 （1）采樣定理 （2）差分方程 （3）Z變換法 （4）狀態(tài)空間理論 （5）最優(yōu)控制與隨機(jī)控制 （6）代數(shù)系統(tǒng)理論 （7）系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制 1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1．推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù) （1）普及應(yīng)用可編程序控制器（PLC） （2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器 （3）采用新型的 DCS和 FCS 2．大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 當(dāng)前最流行的控制系統(tǒng)有： （1）分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng) （2）模糊控制系統(tǒng) （3）專(zhuān)家控制系統(tǒng) （4）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) （5）神經(jīng)控制系統(tǒng) 隨著多媒體計(jì)算機(jī)和人工智能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，應(yīng)用自動(dòng)控制理論和智能控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，必將大大推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和提高工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的水平。