微型计算机控制技术1.ppt

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1、微机控制技术微机控制技术魏绍亮魏绍亮电话电话：13964841969EMAIL:WSL_IFY163.COM绪 论一、先修课程 微机控制技术是本科工业电气自动化、测控技术及仪器、计算机应用等专业开设的一门主要专业课程之一，学习本课程前，应先学完“微型计算机原理”、“单片机原理”、“自动控制理论”、“自动控制系统”、“程序设计”等课程。二、本课程主要讲述内容1、微机接口技术2、微机控制技术三、参考资料1、谢剑英，贾青.微型计算机控制技术.国防工业出版社，20082、赖寿宏.微型计算机控制技术.机械工业出版社，20003、于海生，于军航，潘松峰等.微型计算机控制技术.清华大学出版社前前 言言第第1

2、 1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述第第2 2章章 基本输入输出接口基本输入输出接口第第3 3章章 过程通道和数据采集系统过程通道和数据采集系统第第4 4章章 常用控制程序设计常用控制程序设计第第5 5章章 数字控制器的模拟化设计数字控制器的模拟化设计第第6 6章章 数字控制器的直接设计方法数字控制器的直接设计方法第第8 8章章 微型计算机控制系统设计微型计算机控制系统设计第第9 9章章 多微处理机控制系统多微处理机控制系统第第1010章章 计算机控制系统的可靠性保证计算机控制系统的可靠性保证第第1章章 计算机控制系统概述计算机控制系统概述1.1 1.1 计算机控制的概念计算机控制的

3、概念1.2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.3 1.3 计算机在工业控制中的典型应用计算机在工业控制中的典型应用1.4 1.4 典型工业受控对象典型工业受控对象1.5 1.5 工业控制机工业控制机冷轧板形控制系统冷轧板形控制系统压下水平调整压下水平调整位置控制回路位置控制回路液压压下液压压下初始设定初始设定横移位置量横移位置量位置控制回路位置控制回路WR横移横移初始设定初始设定弯辊调整量弯辊调整量压力控制回路压力控制回路WRB基本冷却基本冷却精细冷却值精细冷却值偏差类型偏差类型数学分析数学分析控制变量计算控制变量计算基本曲线基本曲线测量值处理测量值处理设定特性设定特性冷轧板

4、形控制系统冷轧板形控制系统 冷轧生产要求计算机除了具备常规轧制的工艺参数设定、厚度自动冷轧生产要求计算机除了具备常规轧制的工艺参数设定、厚度自动控制和多种自动操作等功能外，还必须解决好焊缝检测与跟踪，也就是控制和多种自动操作等功能外，还必须解决好焊缝检测与跟踪，也就是要求计算机应具有更多的控制功能和更高的控制精度。要求计算机应具有更多的控制功能和更高的控制精度。冷连轧生产工艺的发展是以装备、电子和控制等技术成就为基础的，冷连轧生产工艺的发展是以装备、电子和控制等技术成就为基础的，特别是它的控制和调节已经不是人力所能胜任的，因此要进一步提高产特别是它的控制和调节已经不是人力所能胜任的，因此要进一

5、步提高产量和质量，只有依赖于计算机自动控制才能实现。量和质量，只有依赖于计算机自动控制才能实现。轧机系统是一个多输入多输出的非线性时变系统，每一个工艺参数就轧机系统是一个多输入多输出的非线性时变系统，每一个工艺参数就是一个复杂、多变的子系统，它们彼此又是互相联系、互相制约的，并是一个复杂、多变的子系统，它们彼此又是互相联系、互相制约的，并且在随时变化之中且在随时变化之中 计算机控制的基本任务是：根据工艺目标和变化的实际情况确定最计算机控制的基本任务是：根据工艺目标和变化的实际情况确定最佳的工艺控制参数值，即最佳化设定计算；按照设定值对生产过程进行佳的工艺控制参数值，即最佳化设定计算；按照设定值

6、对生产过程进行实时的控制和调节。实时的控制和调节。冷轧板形控制系统冷轧板形控制系统-设计要求设计要求 生产过程控制的数学模型化，即可以用数学模型公式来生产过程控制的数学模型化，即可以用数学模型公式来描述生产过程中各个工艺参数的定量关系，而且具有自适应描述生产过程中各个工艺参数的定量关系，而且具有自适应自学习功能，使得模型的设定计算精度更接近不断变化的实自学习功能，使得模型的设定计算精度更接近不断变化的实际过程。际过程。生产过程各种操作和调节的高度自动化。除了上料、卸生产过程各种操作和调节的高度自动化。除了上料、卸卷、穿带和甩尾等操作要求自动化外，工艺参数调节和质量卷、穿带和甩尾等操作要求自动化

7、外，工艺参数调节和质量控制也要在计算机的直接控制下工作。控制也要在计算机的直接控制下工作。计算机既要按一定程序进行工艺控制，又要在操作人员计算机既要按一定程序进行工艺控制，又要在操作人员监视下工作，必要时还要接受干预的指令。系统要有广泛的监视下工作，必要时还要接受干预的指令。系统要有广泛的数据交换，既有足够的数据显示和图像显示，又有过程控制数据交换，既有足够的数据显示和图像显示，又有过程控制终端进行人机对话。终端进行人机对话。计算机过程控制的高度实时性、精确性和可靠性，要求计算机过程控制的高度实时性、精确性和可靠性，要求系统在毫秒级响应、按时序节拍无误地工作。系统在毫秒级响应、按时序节拍无误地

8、工作。1.1 1.1 计算机控制的概念计算机控制的概念 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生的。第二次世界大战中逐步发展起来的经典控制理论在解决较简单的自动控制系统设计方面获得了很大的成功，在这个基础上发展起来的模拟式自动控制系统也已达到相当完善的程度。将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统。计算机控制系统除用于过程控制外，在机电控制、航天技术和各种军事装备中也得到了广泛应用。1.1 1.1 计算机控制的概念计算机控制的概念 微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计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

9、大部分组成。图算机）和工业对象两大部分组成。图1-11-1给出了按偏给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。差进行控制的闭环控制系统框图。图图1-1 闭环控制系统框图闭环控制系统框图1.1 1.1 计算机控制的概念计算机控制的概念 图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1-2 开环控制系统框图1.1 1.1 计算机控制的概念计算机控制的概念 如果把图1-1中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如图1-3所示。在微型计

10、算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。图1-3 计算机控制系统基本框图1.2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 典型的计算机控制系统结构，它可分为硬件和软件两大部分。1.2.1计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件 微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机、外部设备、输入输出通道和操作台等组成，如下图1-4所示。图图1-4 微型计算机控制系统原理1.2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成硬件组成（1）计算机主机（2）外部设备（常规外部设备、外部设备）（3）输入输出通道（4）操作台1.

11、2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成（1）计算机主机计算机主机 由中央处理器、时钟电路、内存储存构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，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，通过接口电路向系统发出各种控制指令，指挥全系统有条不紊地协调工作。（2）外部设备外部设备 通过外围设备主要是为了扩大计算机的功能而配置的。他们用来显示、储存、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器、软盘、硬盘及外存储器等；I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。

12、（3）输入输出通道输入输出通道 传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号。（4）操作台操作台 操作台是人-机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作指令。1.2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.2.21.2.2计算机控制系统软件计算机控制系统软件 软件是指能完成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

13、是系统软件系统软件，另一类是应用软件应用软件。系统软件是指由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源、方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，他们一般不需要用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、控制量计算程序、生产过程监控程序等。1.2 1.2 计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成1.2.31.2.3计算机控制系统的特点计算机控制系统的特点 计算机控制系统相对于连续控制系统，其主要特点是：（1）在结构上。计算机控制系统是模拟和数字部件的混合系统。（2）连续系统

14、中各处的信号均为连续模拟信号，而计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数学等多种信号形式。（3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析和设计。现在常用的设计方法有两种，即模拟调节规律离散化设计法和直接设计法。（4）对于连续控制系统，控制规律越复杂，所需要的硬件也往往越多、越复杂。（5）在连续控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路，而计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算处理能力，一个控制经常可采用分时控制的方式而同时控制多个回路。通常，它利用依次巡回的方式实现多路分时控制。

15、（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、聚散控制系统、微机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程序进一步提高。1.3 计算机在工业控制中的典型应用计算机在工业控制中的典型应用 根据计算机在控制中的典型应用方式，可以把计算机控制系统分为四类，它们是：操作指导控制系统操作指导控制系统，直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC），监督计算节控监督计算节控制系统（制系统（SCC）和分级计算机控制系统分级计算机控制系统。1.3.1操作指导控制系统操作指导控制系统在操作指导系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。图1-5图1-5 操作指导控制系统1.3 计算机在工业控制中的典型应用计

16、算机在工业控制中的典型应用 操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统。1.3.2直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）直接数字控制DDC系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。图1-6。图1-6 直接数字控制系统 在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调制器，实现多回路的PID调节，而且不需要改变硬件，只需要通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。1.3 计算机在工业控制中的典型应用计算机在工业控制中的典型应用1.3.3 监督计算机控制系统监督计算机控制系统（SC

17、CSupervisory Computer Control）监督计算机控制系统简称SCC系统。SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种SCC+DCC控制系统。1.3.3.1 SCC+模拟调节器控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数得最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。见图见图1-71-71.3.3.2 1.3.3.2 SCC+DDC控制系统 这是一种二级控制系统。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最有设定值，送给DCC计算机执行控制。见图1-81.3 计算机在工业

18、控制中的典型应用计算机在工业控制中的典型应用图1-7 SCC+SCC+模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统 图1-8 SCC+DDCSCC+DDC控制系统控制系统1.3 计算机在工业控制中的典型应计算机在工业控制中的典型应用用1.3.4 分级计算机控制系统分级计算机控制系统 分级式计算机控制已经取代了集中控制方式，这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图1-9所示。主要包括：（1）装置控制级（DDC级）（2）车间监督级（SCC级）（3）工厂集中控制级（MIS）（4）企业管理级（MIS）图1-9

19、 分级计算机控制系统1.4 典型工业受控对象典型工业受控对象 从被控过程的性质看，计算机控制系统的工业受控对象可分为连续控制系统连续控制系统、离散控制系统离散控制系统和以批次为基础的过程以批次为基础的过程三种。1.4.1连续控制系统连续控制系统 连续过程是一种不间断的生产过程，对这种过程的控制目标主要是产品的产量和质量，常采用闭环控制，控制算法主要以数值控制为主。1.4.2离散控制系统离散控制系统 离散过程是一种单件形态产品的生产过程，这种生产过程往往分成许多道工序，控制过程就是对每道工序的控制，控制算法多为逻辑控制。1.4.3以批次为基础的过程以批次为基础的过程 批次过程兼有连续控制过程和离

20、散控制过程的特点，它是以一个批次的生产为基础，在一个批次内的生产以连续过程为主，而批次的转换以离散过程为主，批次过程往往附带有很多管理方面的功能。1.5 工业控制机工业控制机1.5.1工业控制机的特点和要求工业控制机的特点和要求 工业控制机是用于工业控制现场的计算机，其应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特点和要求。（1）实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来时间作出反应的能力。（2）高可靠性 要求工业控制机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且具有较长的平均故障间隔时间。（3）硬件配置的可装配可扩充性 硬件模板功能单一化，模板品种多样齐全并尽量采用各种OEM

21、（Original Equipment Manufacture）板级产品，使硬件配置有最灵活的装配性和可扩充性，硬件开发周期降到最小。（4）可维护性 工业控制机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强，在系统出现故障时，能快速准确地定位。1.5 工业控制机工业控制机1.5.2典型工业控制机介绍典型工业控制机介绍下面介绍两类在工业现场得到广泛使用的工业控制机。（1）STD总线工业控制机 STD总线工业控制机采用了开放式的系统结构，模块化是STD总线工业控制机设计思想中最突出的特点，其系统组

22、成没有固定的模式和标准机型，而是提供了大量的功能模板，用户根据需要，通过对模块的品种和数量的选择与组合，即可配置成适用于不同工业对象。（2）PC总线工业控制机 随着微处理器的更新换代，为了充分利用16位机的性能，通过在原PC总线的基础上增加一个36引脚的扩展插座，形成了AT总线。近几年来许多公司推出了PC/AT总线工业控制机，一般对原有微机作了以下几方面的改进：1）机械结构加固，使微机的抗振性好。2）采用标准模板结构，改进整机结构，用CPU模板取代原有的大底板，使引脚构成积木化，便于维修更换，也便于用户组织硬件系统。1.5 工业控制机工业控制机3）加上带过滤器的强力通风系统，加强散热，增加系统

23、抗粉尘的能力。4）采用电子软盘取代普通的软磁盘，使之能适于在恶劣的工业环境下工作。5）根据工业控制的特点，常采用实时多任务操作系统。1.5.3微型计算机控制系统的发展方向微型计算机控制系统的发展方向1、集散控制系统 集散控制系统又称为以微处理器为基础的分散型信息综合控制系统，集散控制在其发展 初期以实现分散控制为主，因而国外一般沿用分散控制系统的名称，即DCS系统（Distributed Control System）。在集散控制系统中，是用以微处理器为基础的过程控制器对生产过程实现分散控制。一个控制器控制一个回路或者若干个回路。2、可编程控制器 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的

24、时间和条件顺序执行的，对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算、联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC.1.5 工业控制机工业控制机3、计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术，信息技术及制造技术基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产环节，包括产品设计、生产规划、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机的集成起来，清除”自动化孤岛“，实现多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统。4、低成本自动化 它是一种以现代技术实现常规自动化系统中的主要的、关键的功能，而投资较低的自动化系统。它利用优化控制方案，删去不必要的功能、简化硬件、巧用软件等技术手段，以较低的投资获得良好的控制效果。5、智能控制系统 所谓智能控制系统就是驱动自主智能及其以实现其目标而而无需操作人员干预的自动控制系统。这类系统必须具有智能调节和执行等能力。