计算机控制技术与网络南大电子科学与工程系 张保平课程主要内容1.计算机控制系统 2.多机通信与网络参考教材1、微型计算机控制技术于海生等编 清华大学出版社 2、单片机原理及接口技术李朝青 北京航空航天大学出 版社 3、计算机网路刘衍洐等编 科学出版社概述计算机控制系统广泛用于工业生 产和科学研究中，一般称为工控机系统 。也称为工业计算机测控系统。 目前大体上有4种基本类型: 1.智能调节器(单/多回路调节器） 2.工控机(工业PC、IPC、微机、单片机) 3.可编程控制器(PLC) 4.集散型控制系统(DCS) 工业控制微机IPC应用最为广泛 从国内外的计算机测控系统应用来看, 在不同的发展阶段, 曾经流行过不同种类 的工控机, 如在上世纪80-90年代，流行 的STD、680X、CAMAC和VME等。 2000年，由IPC构成的计算机测控系统 ，市场份额超过80亿美元。 与PC兼容，受益与PC丰富的软硬件和 人才资源计算机控制系统 IPC相关技术 硬件部分 总线规范 如ISA、EISA、PCI 接口技术 如 RS-232、485、422、USB、现场总线 信号形式 如开关量、数字量、模拟量、频率 系统设计 硬件模块设计 传感器、I/O技术 抗干扰技术 可靠性技术计算机控制系统 IPC相关技术 软件部分 测量算法 控制规律 控制算法 工控机软件结构 人机界面 组态软件设计平台 通信协议 软件可靠性方法多机通信与网络 多机通信与网络 多机通信的基础知识与基本概念 共享存储区通信技术 PIO通信法 SIO通信法 OEM 通信技术 普通局网与工业控制局网 集散控制系统通信技术 第一章 计算机控制系统概论1.1计算机控制系统的基本原理和特点1.1.1基本原理实现过程控制的三个主要步骤 实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出1.1.2控制系统的主要特点 1.可靠性高和可维护性好 2.环境适应性强 3.控制的实时性 4.完善的输入输出通道 5.丰富的软件资源 6.适当的计算精度和运算速度 1.2、控制系统的组成原理控制器D/AA/D执行机构被控对象测量变送给定量re被控量y工控机生产过程1.2控制系统的组成框图人-机接口模拟量输入（AI）通道磁盘适配器系统支持板模拟量输出（AO）通道数字量输入（DI）通道数字量输出（DO）通道测量变送执行机构电气开关电气开关CPU/MEM 内部总线被控对象工控系统生产过程数字量输入通道1、通道结构输入缓冲器输入调理电路地址译码器来 自 生 产 过 程PC 总 线输入调理电路1、小功率调理电路 2、大功率调理电路 +5VKCR1R21.3、控制系统工作方式（1）周期性（2）在线和离线方式（3）实时的概念在线系统不一定是一个实时系统，但一 个 实时系统必定是在线系统1.4控制系统分类工业控制系统的五种基本类型: 1.数据采集系统DAS 2.直接数字控制系统DDC 3.计算机监督控制系统SCC 4.分级控制系统GCS 5.分布式控制系统DCS 6.现场总线控制系统FCS1.DAS Data Acquisition System报表显示报警计 算 机A/D测量测量监 测 对 象人工控制或控制装置2.DDC Direct Digital Control打印机CRT操作台控制计算机A/D测量执行器控 制 对 象DI DO D/A报警3.SCC Supervisory ComputerControl生 产 过 程模拟 调节器SSC 计算机记录 显示 打印工艺 数据设定值调节测量1. SCC+模拟调节器3.SCC 生 产 过 程DDC 计算机SSC 计算机记录 显示 打印工艺 数据设定值调节测量2. SCC+DDC系统4.GCS Grade Control System企业级经营管理计算机工厂级监控计算机 控制计算机 DDC 输入Internet控制对象 输出 测量控制计算机 DDC 输入输出 测量5.DCS Distributed Control System 分布式(集散)控制系统, 实际上是网络控 制系统. DCS的3种常见网络结构类型 星型、环型、总线型操作站控制站控 制 站控制站控 制 站控制站控 制 站控制站控 制 站控制站操 作 站控 制 站控 制 站控 制 站控 制 站星型环型总线型6.现场总线控制系统FCS控 制 对 象CAN总线控 制 对 象控 制 对 象控 制 对 象控 制 计 算 机传感器 1.5计算机控制系统的发展概况上世纪50年代中期,美国RW-300,控制某化 工反应器，成为世界上第一台计算机控制系统 1)开创期 上世纪 55-62年,过程控制, 导致中 断技术的发明 2)DDC时期 62-67年, 模控到数控 3)小型计算机67-72年, SCC 4)微机时期72-至今, IPC,DCS, PLC 5)现场总线FCS, 始于90年代， 德国的 PROFIBUS标准， BOSCH公司的CAN总线标 准计算机控制理论的发展过程1)采样定理 奈奎斯特定理指出：时间连续信 号转换成离散信号时，需要在一个周期内 的采样次数多于2次。如果采样次数不够 ，将无法恢复丢失的信息奈奎斯特和香农(Shannon), 1948 取样函数 Sin (t) tSa(t) =取样函数2)差分方程（代替微分方程）3)Z变换 Z f (kT) = 4)状态空间理论 5)最优控制与随机控制 6)代数系统理论 7)系统辨识与自适应控制k = 0Z - k f (kT)计算机控制系统的发展趋势1、推广应用成熟的先进技术PLC, 智能调节器,位总线Bitbus,现场总线Fieldbus, 以及新型的DCS 2、研发智能控制系统分级递阶智能控制系统 、模糊控制系统专家控制系统、学习控制系统、神经网络 控制系统、学习控制系统、神经网络控制系统思考题11.工控机系统有那些环节组成? 2.IPC工控机有什么特点?它和普通PC机 有何异同点? 3.传感器和变送器有什么区别?第2章 接口技术与总线规范2.1 串行通信接口规范 2.1.1 串行通信控制器 作用: 串行通信控制器的作用是实现通信的链路协议或格式 方式: *同步方式 USART 8250, 8251, SIO *异步方式 UART 8051 同步方式帧格式(面向字符)SYNC SYNC 报文头 报文 CRC异步方式帧格式(面向字符)1/01/02.1.2 RS-232C接口规范(EIA标准)*接口引脚定义*电气规范*信号类型 单端双极性传输距离和抗干扰能力差,电平漂移 2.1.3RS-422/423信号类型 双端差分驱动 点对点232C/422/423电路原理图TTLRS-232CTTLTTLTTLRS-422TTLRS-423TTL2.1.4 RS-485多点通信链路主站VCC1#从站N#从站VCCDATA+DATA-2.1.5 其它串行设备总线 I2C总线(Inter-Integrated Circuit)2线 CAN 总线(Controller area Network)2线 SPI总线（Serial Peripheral Interface）3 线 单总线(1-Wire)I2C总线(InterIntegrated Circuit)总线是 一种由PHILIPS公司开发 的两线式串行 总线，用于连接微控制器及其外围设备 。I2C总线产生于1980年代，最初为音频 和视频设备开发.I2C总线I2C I2C总线以两线方式进行多机互连采用“线与”方式,漏极开路或集电极开路 串行数据线 SDA 串行时钟线 SCL 通信协议复杂主要内容: 1. 主从方式, 一次通信总是由主机发起2.数据传输的起停约定3.寻址与仲裁, 多主机互连, 总线控制权的申请典型的I2C总线多机结构单片机A单片机BA/D D/A存储器LCD 驱动器 I2BUSI2C总线数据传输过程SDA应答SCL结束 开始信号地址 R/W ACK数据 ACK数据17 8 917 8 917 8 9ACKCAN 总线Controller Area Network ISO-IS11898国际标准 广泛用于车载电子、医疗仪器、安全监 控等高速低成本的多路网络中 方便构成多主机分布式网络系统 物理层并没有严格定义，只要是互补电 平、差动输入和输出，与485相似 传输速率1Mbps（40m） IC芯片 PCA82C250 单总线(1-Wire) 电源与信号共用总线 窃电技术主 机无源设备 传感器思考题21.简要说明RS-232、RS-422和RS-485接 口标准的特点（主要电气规范，传送距 离，波特率） 2.CAN总线的主要特点是什么? 3.嵌入式系统中有那些外设总线?第三章 控制算法与控制规律 3.1控制系统的性能及其指标 3.1.1控制系统的稳定性 控制系统在给定输入或外界扰动作用下, 过度过程可能有以 下4种情况: A 发散振荡B衰减振荡 C等幅震荡 D非周期衰减过度过程曲线 A发散振荡B衰减振荡C等幅振荡D非周期衰减ty(t)y(t)y(t)y(t)ttt3.1.2控制系统动态指标y0ytptsessy(t) ymB2 B1t0 超调量ts 调节时间相对误差 tp 峰值时间 衰减比 N 振荡次数ess 稳态误差时域指标 超调量 调节时间 ts 相对误差 峰值时间 tp 衰减比 振荡次数 N 稳态误差 ess超调量 yymy=100%调节时间 ts相对误差= 0.02或0.05 yy峰值时间 tp 反映了系统对输入信号反应的快速性衰减比 B1 B2=振荡次数 N 反映了控制系统的阻尼特性, 定义为 进入稳态前,穿越的稳态值 的次数的一半, 图中为 N = 1.5 y(t) y稳态误差 essessy0y=3.1测量算法 3.1.1数字滤波 主要用于克服随机误差，具有高精度、高 可靠性、高稳定性的特点，一般不受频率限制, 低频段 和高频段都可以，特别适合于低频段。与模拟滤波器相比，优点十分明显：1、软件实现，无须硬件上的各种匹配问题2、多通道信号输入，可以共用一个数字滤波 器，降低成本。3、滤波特性可以通过改变程序或参数来实现。 非常方便。常用滤波方法包括一阶惯性滤波 、限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波 、滑动平均滤波、加权滑动平均滤波、 复合滤波和卡尔曼滤波等。1.一阶惯性滤波 适合低频 Yn=aXn+bYn-1; X输入, Y输出 2.限幅滤波Yn=Yn ； 当 |Yn|-|Yn-1| Yn-1； 当 |Yn|-|Yn-1| 3.中值滤波和算术平均值滤波Y= X1 , X2 XNX* ; X*X* 为 X1 XN的中间值Y1 N X i i=1N =中值滤波算术平均值滤波4.滑动平均滤波和加权滑动 平均滤波Y1 N Ci X n - i i = 0N =加权系数法 设 设为控制对象的纯滞后时间, 则有: = 1 + e- + e-2 + e ( n-1) C0= 1/ , C1= /