微型计算机控制技术 张媛媛 13075505902 yyz 第一章 绪论 第一章 绪论 0 自动控制技术的发展历程 1 微型计算机控制系统的组成、特点和应用 2 微型计算机控制系统分类 3 典型计算机控制系统 4 工业控制计算机系统简介 5 微型计算机控制系统的发展趋势 2 0 自动控制技术的发展历程 一、20世纪50年代以前的人工控制阶段（ 基地式仪表控制系统） 二、20世纪60年代的模拟式仪表控制阶段 （电动单元组合式仪表控制系统） 三、20世纪70年代的计算机集中控制阶段 四、20世纪80年代的集散式控制阶段（分 布式控制系统） 3 图0-1-1 计算机集中控制系统 4 图0-1-2 计算机分布式控制系统 5 微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工 业对象两大部分组成。图1-1-1给出了按偏差进行控制的闭环控制系 统框图。 图1-1-1 闭环控制系统框图 第一节 微型计算机控制系统的组成、特点和应用 1.1 微型计算机控制系统的基本组成结构 6 图1-1-2中给出了开环控制系统框图 。它与闭环控制系统不同，它的控制器直 接根据给定信号去控制被控对象工作。被 控制量在整个控制过程中对控制量不产生 影响。与闭环控制系统相比，它的控制性 能较差。 图1-1-2 开环控制系统框图 7 智能阀门定位器 图1-1-3 阀门定位器实物图 8 智能阀门定位器 图1-1-4 阀门定位器原理图 9 利用计算机的运算、逻辑判断、记忆等功能完成 控制任务。因为计算机只能处理数字信息，所以无论是 给定值和反馈量都要先用A/D转换器（模数转换器）将其 变为数字量后才能送入计算机进行运算。计算机输出的 控制量也要经过D/A转换器（数模转换器）将数字信号转 换成模拟信号输出到执行机构，从而完成控制功能。 图1-1-5 计算机控制系统基本框图 A/D 控制规律 计算程序 D/A执行机构被控对象 被控量 检测装置 给定值 反馈量 计算机（微处理器） 10 计计算机控制技术术的含义义 所谓计算机控制，就是利用检测装置将被控对 象中的物理参量（如温度、压力、液位、速度）转 换为电量（如电压、电流），再将这些代表实际物 理参量的电量送入输入装置中的A/D转换器，转换为 计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置 中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得 操作人员能够直观而迅速地了解被控对象的变化过 程。 11 图1-2-1 微型计算机控制系统组成框图 1.2、 微型计算机控制系统的软硬件组成 12 1.2.1 硬件组成 （1）微型计算机核心部件 （2）操作台 （3）外围设备 （4）I/O接口和I/O通道 （5）信号检测和变送 13 （1）微型计算机核心部件 计算机控制系统的核心部件是中央处理器 、内存，主要进行数据采集、数据处理、逻辑 判断、控制量计算、越限报警等，并发出控制 命令，指导系统工作。 14 （2）操作台 它是人 机对话的纽带，人通过 操作台向计算机发出操作命令；计算机通 过操作台向人显示系统运行状况，发出报 警信号。 15 （3）外围设备 它扩展了主机的功能。例如打印机、显 示器、存储器（优盘、移动硬盘）等。 16 （4）I/O接口和I/O通道 它是计算机主机与外部联系的纽带。 有并行和串行接口，模拟量和数字量通道 。 17 （5）信号检测和变送 传感器起检测作用，将检测到的非电 量转变为电量，如温度传感器、力传感器。 变送器起转变作用，将电信号转变为 计算机接口使用的标准电信号（05V或4 20mA）。 18 硬件扩展 利用通用的标准总线的插件板，可进行 硬件扩展。例如，STD标准总线，PC标准总线 。 19 1.2.2 计算机控制系统的软件 软件是指计算机控制系统中具有各 种功能的计算机程序的总和。 它是微型计算机控制系统的神经中 枢，整个系统的工作都是在程序的指挥下 进行协调工作的。 软件通常分为两大类：一类是系统 软件（厂商提供，例如操作系统、开发系 统），另一类是应用软件（用户根据自己 需要而编写的程序）。 返回本节 20 系统软件指为提高计算机使用效率 ，扩大功能，为用户使用，维护和管理 计算机提供方便的程序总称。具有一定 通用性。 应用软件是用户根据需要解决的实 际问题编写的各种程序，在计控系统中 指完成各种任务的程序：控制程序，数 据采集及处理程序，巡回检测及报警程 序。 21 更重要的是，如果需要对被控对象进行控制， 则由计算机中的应用软件,根据采集到的物理参量的 大小和变化情况以及按照工艺所要求该物理量的设 定值进行判断；然后在输出装置中输出相应的电信 号，并且推动执行机构（如调节阀、电动机）动作 ，从而完成相应的控制任务。 计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时 进行分析、统计和显示并制作各种报表。 22 1）自动清零功能 2）量程自动切换功能 3）多点快速测控 4）数字滤波功能 5）自动修正误差 6）数据处理功能 7）复杂控制规律 8）多媒体功能 9）通信或网络功能 10）自我诊断功能 计算机技术的引入， 为控制系统带来以下一些新特点和新功能。 请同学们思考，并回答。 23 在计算机控制系统中，计算机的主要作用主要作用： 1、信息处理。对于复杂的控制系统，输入信号和输出 信号的计算工作量很大，采用模拟装置不能满足精度要求 ，因而需要采用计算机进行处理； 2、系统校正。用计算机的软件程序实现对控制系统的 校正，以保证控制系统具有所要求的动静态特性； 3、实现复杂控制规律。由于计算机具有快速完成复杂 工程计算的能力，因而可以实现对系统的最优控制、自适 应控制等复杂控制。 4、修改方便。模拟控制系统控制规律的改变涉及硬件 电路变更，计算机控制系统只需更改软件。 24 1.2.3 计算机控制系统的基本控制过程 （1）实时数据采集：对来自检测装置的被控量的瞬 时值进行采集和输入； （2）实时决策：对采集到的被控量进行分析和处理 ，并按已确定的控制规律，决定将要采取的控制策略。 （3）实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构 发出控制信号，完成控制任务。并输出其它有关信号， 如报警信号等。 不断重复上述过程，使整个系统能够按照一定 的动态品质指标进行工作，并且对被控参数和设备本身 出现的异常状态及时监督并作出迅速处理。 25 图1-3-1 现代轧钢厂控制室 1.3 计算机控制系统的实例 26 图1-3-2 27 图1-3-3 28 图1-3-4 某生产过程的总控制室 29 课后作业 提交计算机控制系统的例子，以图片和文字 的形式，并叙述此控制系统的工作原理和工作 流程。说明此系统对应的给定输入量、反馈量 、偏差量、控制器采取的控制方法。 以小组（5人）的形式。 2011.3.16日前发到yyz 30 1.2 计算机控制系统的特点 （1）结构上。系统中存在模拟部件，系统的核心 部件是数字计算机。计控系统是模拟和数字部件的 混合系统。 （2）信号上。含有连续模拟信号、离散模拟信号 、数字信号。 （3）系统设计上。常用的有模拟调节规律离散化 设计法（当采样周期很短时，效果好）和直接设计 法（基于离散系统理论，缺点是忽视了采样点之间 系统的动态过程）。现在流行的是：利用连续系统 的性能指标，考虑采样点之间系统的动态特性，来 设计。 31 计算机控制系统的特点 （4）控制规律实现上。大部分用软件来实现，易 修改，成本低，方便。而连续系统若修改控制规律 ，则需改变硬件结构，成本大。 （5）回路控制上。连续控制系统，一般是一个控 制器控制一个回路；而计控系统，具有高速的运算 处理能力，能够分时控制，一台计算机可同时控制 多个回路。 （6）提高自动化水平。性价比高，运算速度快， 精度高，可实现复杂控制规律。 32 第二节 计算机控制系统分类 1操作指导控制系统 2直接数字控制系统（DDC） 3监督计算机控制系统（SCC ） 4分级计算机控制系统 返回本章首页 33 2.1 操作指导控制系统 图2-1-1 计算机操作指导控制系统示意图 返回本节 计算机输出不直接控制 工业对象。计算机采集工 业对象的参数，根据一定 的控制算法，计算出操作 方案和最优给定值。操作 人员根据计算机输出信息 去改变调节器给定值或直 接作用于工业对象。 特点是结构简单，半 自动化。常应用于计控系 统的初级研发阶段，不适 用于快速过程的控制。 34 2.2 直接数字控制系统（DDC, Direct Digital Control ） 图2-2-1 DDC控制系统原理图 DDC系统，应用最普遍。计算机通过输入通道实 时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发 出控制信号，并通过输出通道作用于被控对象。 给定值是预先设定并存入计算机内存的。它不能根 据生产过程条件和生产工艺的变化及时地修改。 特点：完全取代模拟控制器，改变程序即可实现各 种复杂的控制规律。 给定值 显示打印 计算机 D/A转换 输出通道执行机构 被 控 对 象 检测装置A/D转换输入通道 35 2.3 监督计算机系统 （SCC， Supervisory Computer Control ） SCC中，计算机根据工艺参数和过程参数检测值 ，按照所设计的控制算法计算出最佳给定值，传送给 常规模拟调节器或DDC计算机。从而使生产过程始终 处于最优工况。故又称为设定值控制SPC(Set Point Control). SCC系统有两种不同的结构形式： （1）SCC+模拟调节器控制系统:计算机将最优给定 值送给调节器，若SCC故障，由模拟调节器独立工作 。 （2）SCC+DDC控制系统:SCC实现最优控制、自适 应控制等控制规律运行；DDC实现数据处理和输出控 制。 36 SCC+SCC+模拟调节器的控模拟调节器的控 制系统制系统 计算机计算出的最 优设定值送入模拟调节 器进行后续控制。 当SCC计算机发生 故障时，可由模拟调节 器独立执行控制任务， 变为传统的控制方式。 模 拟 调 节 器 SCC 37 n n SCC+DDCSCC+DDC系统系统 采用了两级计算机控制。工 作可靠性更高。 当SCC出故障时，可以由下 级的DDC进行控制；并且因为 SCC不参与直接的输出控制， 所以可以有时间进行更加复杂 的运算。 SCC 38 2.4 分散计算机控制系统 （DCS） 特点：特点： 1 1、分散的过程控制级：、分散的过程控制级： 这是最底层，直接和现场控这是最底层，直接和现场控 制点打交道。制点打交道。 2 2、 SCCSCC既要实现一些高既要实现一些高 级的控制又要向上级计算机级的控制又要向上级计算机 反馈信息。反馈信息。 3 3、集中操作控制级：集、集中操作控制级：集 中在控制室通过显示屏等几中在控制室通过显示屏等几 种监控、操作。种监控、操作。 4、综合信息管理级：实综合信息管理级：实 现整个企业的综合信息、管现整个企业的综合信息、管 理，主要执行生产管理和经理，主要执行生产管理和经 营管理功能，能够提供管理营