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1、计算机控制技术与网络第1页，此课件共111页哦参考教材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第2页，此课件共111页哦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.智能调节器智能调节器(单单/多回路调节器）多回路调节器）2.工控机工控机(工业工业PC、IPC、微机、单片机、微机、单片机)3.可编程控制器可编程控制器(PLC)4.集散型控制系统集散型控制系统(DCS)第3页，此课件共111页哦工业控制微机IPC应用最为广泛从国
2、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第4页，此课件共111页哦计算机控制系统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第5页，此课件共111页哦计算机控制系统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
3、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第6页，此课件共111页哦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7页，此课件共111页哦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基本原理基本原理 实现过程控制的三个主要步骤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第8页，此课件共111页哦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
4、精度和运算速度第9页，此课件共111页哦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工控机生产过程第10页，此课件共111页哦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第11页，此课件共111页哦数字量输入通道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总线第12页，此课件共111页哦输入调理电路1、小功率调理电路2、大功率调理电路+5VKCR1R2第13页，此
5、课件共111页哦第14页，此课件共111页哦1.3、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第15页，此课件共111页哦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DAS2.直接数字控制系统DDC3.计算机监督控制系统SCC4.分级控制系统GCS5.分布式控制系统DCS6.现场总线控制系统FCS第16页，此课件共111页哦1.DASDataAcquisitionSystem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第17页，此课件共111页哦2.DDCDirectDigitalC
6、ontrol打印机CRT操作台控制计算机A/D测量执行器控制对象DIDOD/A报警第18页，此课件共111页哦3.SCCSupervisoryComputerControl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+模拟调节器第19页，此课件共111页哦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系统第20页，此课件共111页哦4.GCSGradeControlSystem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输入输出测量第21页，此课件共111页
7、哦5.DCSDistributedControlSystem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、总线型第22页，此课件共111页哦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第23页，此课件共111页哦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第24页，此课件共111页哦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
8、)DDC时期62-67年,模控到数控3)小型计算机67-72年,SCC4)微机时期72-至今,IPC,DCS,PLC5)现场总线FCS,始于90年代，德国的PROFIBUS标准，BOSCH公司的CAN总线标准第25页，此课件共111页哦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)=第26页，此课件共111页哦取样函数第27页，此课件共111页哦2)差分方程（代替微分方程）3)Z变换Zf(kT)=4)状态空间理
9、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)第28页，此课件共111页哦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DCS2、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、神经网络控制系统第29页，此课件共111页哦思考题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30页，此课件共111页哦第2章接口技术与总线规范2.1串行通信接口
10、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USART8250,8251,SIO*异步方式UART8051第31页，此课件共111页哦同步方式帧格式(面向字符)SYNCSYNC报文头报文CRC异步方式帧格式(面向字符)1/01/0第32页，此课件共111页哦2.1.2RS-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第33页，此课件共111页哦232C/422/423电路原理图TTLRS-232CTTLTTLTTLRS-422
11、TTLRS-423TTL第34页，此课件共111页哦2.1.4RS-485多点通信链路主站VCC1#从站N#从站VCCDATA+DATA-第35页，此课件共111页哦2.1.5其它串行设备总线I2C总线(Inter-IntegratedCircuit)2线CAN总线(ControllerareaNetwork)2线SPI总线（SerialPeripheralInterface）3线单总线(1-Wire)第36页，此课件共111页哦I2C总线(InterIntegratedCircuit)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
12、代，最初为音频和视频设备开发.I2C总线第37页，此课件共111页哦I2CI2C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,总线控制权的申请第38页，此课件共111页哦典型的I2C总线多机结构单片机A单片机BA/DD/A存储器LCD驱动器I2BUS第39页，此课件共111页哦I2C总线数据传输过程SDA应答SCL结束开始信号地址R/WACK数据ACK数据178917891789ACK第40页，此课件共111页哦CAN总线Controll
13、erAreaNetworkISO-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第41页，此课件共111页哦单总线(1-Wire)电源与信号共用总线窃电技术主机无源设备传感器第42页，此课件共111页哦思考题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43页，此课件共111页哦第三章控制算法
14、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非周期衰减第44页，此课件共111页哦过度过程曲线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)ttt第45页，此课件共111页哦3.1.2控制系统动态指标y0ytptsessy(t)ymB2B1t0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稳态误差第46页，此课件共111页哦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第47页，此课件共111页哦超调量yy
15、my=100%调节时间ts相对误差=0.02或0.05yy第48页，此课件共111页哦峰值时间tp反映了系统对输入信号反应的快速性衰减比B1B2=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=1.5y(t)y稳态误差essessy0y=第49页，此课件共111页哦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
16、过改变程序或参数来实现。非常方便。第50页，此课件共111页哦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|第51页，此课件共111页哦3.中值滤波和算术平均值滤波Y=X1,X2XNX*;X*X*为X1XN的中间值Y1NXii=1N=中值滤波算术平均值滤波第52页，此课件共111页哦4.滑动平均滤波和加权滑动平均滤波Y1NCiX n-ii=0N=加权系数法设设为控制对象的纯
17、滞后时间,则有:=1+e-+e-2+e(n-1)C0=1/,C1=/,e-CN-1=e(n-1)/第53页，此课件共111页哦校正算法零点校正、量程校正、非线性校正等第54页，此课件共111页哦3.2控制算法微分方程u(t)=KPe(t)+1TIe(t)dt+de(t)dtTD0tPID算法，应用最为广泛，最成熟。模拟PID控制算法数字PID控制算法第55页，此课件共111页哦3.2PID控制算法（1）位置型数字PID算法（2）增量型数字PID算法（3）速度型数字PID算法不完全微分a,理想微分b数字完全微分c模拟不完全微分d数字不完全微分第56页，此课件共111页哦纯微分PID控制算法纯微分
18、PID算法为完全微分PID控制算法，微分作用在一个周期内完全释放。纯微分PID控制器的传递函数：GC(S)=KP（1+1/TIS+TDS）第57页，此课件共111页哦纯微分PID方块图KPKP/TISKPTDSU(t)e(t)第58页，此课件共111页哦思考题31.计算机控制系统常常采用那些滤波算法?每种算法适用于何种场合?2.工程中为什么要采用不完全微分PID控制算法?第59页，此课件共111页哦第四章 多机通信技术4.1概述4.2多机共享存储区通信技术4.3多机PIO通信技术4.4标准总线多机通信技术4.5多机SIO通信技术第60页，此课件共111页哦4.2多机共享存储区通信技术4种基本物
19、理结构形式(1)总线共享存储区结构M1M2M3BCI/OI/OP1P2P3第61页，此课件共111页哦(2)矩阵开关式共享存储器M1M2M3矩阵开关KCI/O1I/O2P1P2P3I/O3第62页，此课件共111页哦M1M2MnP1P2PnI/O1I/O2I/On(3)多端口共用存储器第63页，此课件共111页哦本质型和非本质型多端口存储器本质型多端口电路复杂,有两个以上独立访问的通道,当发生对同一存储单元读和写时,内部检测电路采取“先写后读”逻辑,如果是两个写,采取“先后排队”,以免发生冲突.第64页，此课件共111页哦IDT7132本质型双端口存储器/CELR/WL/BUSYLA0A9LI
20、/O0I/O9L/CERR/WR/BUSYRA0A9RI/O0I/O9R第65页，此课件共111页哦非本质型多端口存储器多端口端口选择控制器P1P2P3第66页，此课件共111页哦(4)总线窗口共享存储器公用及专用存储器PAPB公用及专用存储器总线窗口(地址变换)第67页，此课件共111页哦3种基本逻辑结构形式虚拟结构信箱结构通信池结构第68页，此课件共111页哦虚拟结构自用与共享结合,主存与辅存的结合问题,程序中使用虚地址,经地址变换器变换并映射到实地址.有两种常用方法:1.硬件总线窗口2.智能总线窗口第69页，此课件共111页哦信箱结构逻辑功能单一,自用与共享分开,提供一个较小的共享区作通
21、信使用.仿效邮政信箱格式,建立分格式逻辑结构.第70页，此课件共111页哦PC2PC1信件PC3PC1信件PCNPC1信件PC1PCN信件PC2PCN信件PCN-1PCN信件PC1信箱N-1个分格PCN信箱N-1个分格共享存储区信箱结构第71页，此课件共111页哦通信池结构自用与共享分开,共享区不再分格,存储容量小,结构简单,根据各机使用要求,临时分配使用权.因此,使用权的分配及管理,比较复杂.第72页，此课件共111页哦4.3多机系统PIO通信法4.3.1主从式一台主机,若干台从机控制方式中断、查询单I/O接口PIO信道双I/O接口PIO信道第73页，此课件共111页哦单I/O接口PIO信道
22、主机I/OI/OI/O从机从机从机从机作为外围设备看待第74页，此课件共111页哦双I/O接口PIO信道主机I/OI/OI/O从机从机从机I/OI/OI/OPIO信道第75页，此课件共111页哦4.3.2双机PIO通信通信协议异步传输数据字节间无启停包装,通过握手联络信号实现传输控制.流量控制“应答式停-等流控制技术”与“滑动窗口流控制技术”.主从方式一次通信总是由主机发起.网络寻址因没有地址线,要根据网络拓扑结构具体解决,比较复杂.第76页，此课件共111页哦差错控制比较紧偶合系统,误码率低,一般无须差错控制总线驱动距离较远时,数据和握手线都要有总线驱动.高层协议进程之间的连接,靠高层对话层
23、协议实现.发送方发送“唤醒字节”把接收方的接收程序唤醒,实现双方进程的同步第77页，此课件共111页哦4.3.3星形结构的多机PIO系统主从结构只有主机是共享资源.存取控制方式点名式轮询法顺序查询请求选择法中断第78页，此课件共111页哦星型多机系统结构主机I/OI/OI/O从机从机从机I/OI/OI/OPIO信道第79页，此课件共111页哦硬件组成举例intel8086/RD/WRAD0AD78255A8255A8255A8051单片机A/DD/A生产过程8051单片机A/DD/A8051单片机A/DD/A第80页，此课件共111页哦通信协议，非标准，自定义标志8类型3最后包1变量序号3大小
24、1正文长度8包序号8正文N校验8bit第81页，此课件共111页哦4.3.4链式和环行结构多机PIO系统PIOMCUPIOPIOMCUPIOPIOMCUPIO第82页，此课件共111页哦环行结构三机容错系统的PIO通信三台主机每台机有两个双向PIO口A口为数据帧，B口为命令帧输出采用3选2判决电路第83页，此课件共111页哦通信1通信2主机1#CPUS-100总线接口S-100总线存储器M开关量接口模拟量接口通信1通信2主机2#CPUS-100总线接口S-100总线存储器M开关量接口模拟量接口通信1通信2主机3#CPUS-100总线接口S-100总线存储器M开关量接口模拟量接口执行机构第84页
25、，此课件共111页哦4.4标准总线多机通信(OEM)OEM Original Equipment Manufacturer原设备生产商 (支持多机系统)1.STD标准总线IEEE-9618位机56线,16位机64线，数据总线、地址总线、逻辑电源、辅助电源、控制线。2.S-100总线3.Multibus多总线IEEE-796信息传输协议线、总线仲裁线等共86线.第85页，此课件共111页哦Multibus总线定义86线分为6类:地址线、数据线、信息传送协议线、总线仲裁线、中断控制线、共用线。1.地址线：22线，ADR0ADR19，/INH1、/INH2为地址禁止线。用来禁止同一模块中的ROM或R
26、AM，避免地址的重叠引起的冲突。第86页，此课件共111页哦2.数据线(17根)DAT0DAT15,BHEN线,用来选择是字节传送还是字传送.3.信息传送协议线(5根)/MRDC,存储器读命令线/MWTC,存储器写命令线/IORC,I/O读命令线/IOWC,I/O写命令线/XACK,应答信号线(主-从模板)第87页，此课件共111页哦4.中断控制线(9根)/INT0/INT7,8跟中断请求线,0最高/INTA中断响应线5.总线仲裁线(6根)为支持多机系统而设置/BCLK总线时钟,与CPU并不同步./BPRN总线优先级输入线/BPRO总线优先级输出线/BUSY总线忙/BREQ总线请求/CBRQ公
27、共请求第88页，此课件共111页哦6.共用线(27根)地线8,电源14,保留3,及以下2根INIT初始启动CCLK固定时钟第89页，此课件共111页哦Multibus多机系统的通信机制Multibus多机系统中采用了4种通信方法:1.总线共享存储器通信法2.双端口共享存储器通信法3.双微机PIO通信法4.双微机SIO通信法第90页，此课件共111页哦4.4SIO通信法1.总线标准RS-232C,442,449,4852.常用串行接口芯片MC-6850,Intel8251,MCS-513.51系列单片机UART-通用异步收发器内部结构控制器SCON,数据缓冲器SBUF波特率发生器T1控制方式中断
28、或查询第91页，此课件共111页哦51UART内部结构AccSCONSBUFS.RSBUFT1S.RTXDRXD第92页，此课件共111页哦51SCON,SBUF寄存器SCON串口控制器SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISBUF数据缓冲器第93页，此课件共111页哦波特率计算工作方式:波特率方式0:扩展并口fB0=fosc/12方式1:8位数据(T1为方式2)fB1=2SMODfosc/12/32/(28TH1)方式2:9位数据fB2=2SMODfosc/64方式3:9位数据fB3=fB1第94页，此课件共111页哦8051串行通信编程举例发送程序试编写51单片机UART发送子程序,
29、查询方式.发送数据在内存30H-5FH中,已知系统时钟fosc=11.059MHz,采用奇校验发送,UART工 作 模 式 为 3(9位),波 特 率 为9600bps,SMOD=0.第95页，此课件共111页哦TPRG:MOVSCON,#11000000b;UART为方式3MOVTMOD,#00100000b;T1为方式2MOVTL1,#XL;波特率为9600bps；XL=0fdHMOVTH1,#XH;(XL=XH)SETBTR1;启动T1工作;MOVR0,#30H;发送数据首地址NEXT:MOVA,R0;取一个数据;MOVC,P;奇校验CPLC;MOVTB8,C;装入校验位;MOVSBUF
30、,A;发送;JNBTI,$;等待字节发送结束;CLRTI;清除发送中断标志;INTR0;下一个数据;CJNER0,#60H,NEXT;是否全部发完RET;返回主程;第96页，此课件共111页哦异步通信协议双机通信采用的简单协议命令帧,、应答帧(Y/N)多机通信请求帧、应答帧(Y/N)、信息帧开始字头#1开始字头#2命令字长度高位长度低位备用字数据块0-64K校验字符第97页，此课件共111页哦多机网络形式双机通信点-点多机通信主从式星型主从式总线型主机控制方法点名式轮询请求选择第98页，此课件共111页哦思考题4试编写51单片机UART接收子程序,中断方式.接收数据为ASCII码字符，存放在地
31、址为30H开始的内存中，CR为结束字符，采用奇校验接收，如校验出错，停止接收，转出错处理，标号为ERR:。已知系统时钟fosc=11.059MHz,UART工作模式为3(9位),波特率为9600bps,SMOD=0.第99页，此课件共111页哦第五章普通局域网与工控局域网5.1概述计算机网络1.相互通信2.资源共享通信子网与资源子网WAN、MAN、LAN端点与结点第100页，此课件共111页哦通信子网与资源子网主计算计主计算计主计算计终端终端ABCDEF通信子网资源子网第101页，此课件共111页哦通信子网拓扑结构4种基本形态星形总线形环形网络形第102页，此课件共111页哦星形、总线形、环形
32、、网络形第103页，此课件共111页哦复合结构总线逻辑环树形第104页，此课件共111页哦计算机网络体系计算机网络是一个庞大的系统，功能和结构都十分复杂，通常从3个方面来描述计算机网络：1.网络的逻辑结构也称体系结构,从功能上描述网络的结构2.网络的组织结构,采用一定的方法实现网络的逻辑功能.3.网络的配置,从应用的角度确定网络应当选用的拓扑结构以及软硬件的配置第105页，此课件共111页哦分层结构体系结构是最基础和最关键的,如果用“整体构造”方法来实现网络的逻辑功能,问题将非常复杂,甚至无法完成.因此一般采用“分级构造”方法,复杂性大为降低.分级构造方法用在计算机网络体系结构上也就是网络的分
33、层结构.第106页，此课件共111页哦OSI七层参考模型7层6层1层2层3层4层5层A进程7层6层1层2层3层4层5层B进程帧包装帧拆装数据数据H7数据H1H7第107页，此课件共111页哦物理层基带传输载带传输宽带传输编码与解码1.码元2.多路复用TDMA、FDMA、WDMA、CDMA第108页，此课件共111页哦传输介质有线、无线带宽、吞吐量、传输延迟、尺寸、可扩展性、抗干扰、成本、安装维护等。1.双绞线基带传输,Mb,km,屏蔽线和非屏蔽线,2.同轴电缆粗缆-基带（50,10Mb）细缆-宽带（75，300Mb,多路)3.光纤Gb第109页，此课件共111页哦常用码元波形0+10-1000110100101101001+10-1+10-1ABCDEF第110页，此课件共111页哦差分曼彻斯特编码DMC01101001NRZDMC第111页，此课件共111页哦