1、電氣裝備計算機控制技術_第一章(電氣)第1頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五課程的性質和目的 本課程是自動化專業必修的專業課程，在自動化專業課程體系中起著重要的作用。微機控制技術是關于自動控制理論和計算機技術如何應用于工業生產過程自動化的一門專門技術。通過本課程的學習使學生掌握分析和設計一個計算機控制系統的理論和方法，并能將所學的知識應用到工業過程控制、電氣傳動、機器人控制中等。第2頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五學時分配第1章 計算機控制系統概述 2學時第2章 輸入/輸出接口與過程通道 8學時第3章 數字控制器的模擬化設計方法 6學時第4章 數字控制

2、器的直接設計方法 6學時第5章 常用應用程序設計 2學時第6章 集散控制系統和現場總線 4學時第7章 微型計算機控制系統的設計 4學時實驗 8學時第3頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五教材及參考書教材：1 王新主編，微型計算機控制技術，中國電力出版社，2009年8月教學參考書：1 武自芳等編著，微型計算機控制系統及其應用，電子工業出版社，2007年10月2 潘新民，王燕芳編著，微型機算計控制技術，電子工業出版社，2003年1月3 何克忠 編著，計算機控制系統，清華大學出版社，2001年7月 第4頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五考試形式 平時作業、考勤（

3、30%）考試（70%）考試題型 填空、簡答、計算、設計。第5頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五第1章 計算機控制系統概述第6頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.1 自動控制系統的基本概念自動控制是在沒有人直接參與的前提下，應用控制裝置自動地、有目的地控制或操縱機器設備或生產過程，使它們具備相應的功能，完成預定的目標。從信號傳送的路徑結構可分為兩大類：開環控制系統閉環控制系統第7頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五在反饋控制系統中，通過檢測裝置（儀表）獲取輸出變量，將此值與給定值進行比較后，由控制器（校正裝置）按偏差進行某種控制運算，最

4、后通過執行機構輸出操作量作用于被控對象，以消除偏差。圖1-1反饋控制系統結構框圖第8頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.2 計算機控制系統的組成計算機控制系統的工作原理將連續控制系統中的調節器的功能用計算機來實現，就組成了一個典型的計算機控制系統 。圖1-5計算機控制系統基本框圖第9頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五計算機控制系統的工作原理可歸納為三個步驟：（1）實時數據采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。（2）實時控制決策：對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規律，決定將要采取的控制行為。（3）實時控制輸出：根據控制決策

5、，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。第10頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五在計算機控制系統中，生產過程與計算機直接連接，并由計算機控制，這種方式被稱為在線方式或聯機方式；生產過程不與計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯系并做相應操作，這種方式被稱為離線方式或脫機方式。第11頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.2.2 計算機控制系統的硬件組成計算機控制系統硬件主要由主機、過程通道、I/O接口及人機聯系設備等部分組成。由于系統的不同，組成計算機控制系統的硬件也不同。圖1-6給出了典型的計算機控制系統硬件組成框圖。 第12頁，共55頁，2

6、022年，5月20日，6點7分，星期五圖1-6 計算機控制系統硬件組成框圖第13頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五一、主機微型計算機的主機是整個系統的核心部分。它根據輸入通道送來的被控對象狀態參數，進行信息處理、分析、計算，做出控制決策，通過輸出通道發出控制命令。第14頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五二、過程通道過程通道也稱為I/O通道，是主機和被控對象實現信息傳送與交換的通道。根據信號傳送的方向，分為：輸入通道和輸出通道根據傳送信號的形式，分為：模擬量通道和開關量通道 第15頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五過程通道的類型：1.

7、模擬量輸人通道2. 模擬量輸出通道3. 開關量輸人通道4. 開關量輸出通道第16頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五三、接口電路接口電路也稱為I/O接口，指主機與外部設備、輸入輸出通道進行信息交換的紐帶。接口電路有并行接口、串行接口和直接數據傳送接口等。 第17頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五四、人機聯系設備在微機控制系統中，一般應有一個操作臺（或操作面板），以便操作人員能和計算機系統“對話”，使操作人員及時了解生產、加工過程的狀態，進行必要的人為干預，修改有關參數或緊急處理某些事件。第18頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.2.3

8、 計算機控制系統的軟件 對于計算機控制系統而言，除了硬件外，還必須有軟件。所謂軟件是指完成各種功能的計算機程序的總和，它主要分兩大類：系統軟件和應用軟件。第19頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.3 計算機控制系統的分類計算機控制系統的分類方法很多，可以按照控制方式分類、按照控制規律分類，也可以按照系統的功能、特點分類。 按照系統的功能、工作特點分類，計算機控制系統分為：操作指導控制系統、直接數字控制系統、監督計算機控制系統、集散控制系統、現場總線控制系統等。 第20頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五一、操作指導控制系統計算機的輸出不直接用來控制生產對

9、象，對過程的控制是由操作人員來完成的，操作人員根據計算機的輸出信息執行相應的操作 。圖1-7操作指導控制系統原理框圖第21頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五二、直接數字控制系統計算機通過輸入通道對一個或多個參數進行巡回檢測，并根據事先規定的控制規律進行運算，然后發出控制信號，通過輸出通道直接控制調節閥等執行機構。 圖1-8直接數字控制系統原理框圖第22頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五三、監督控制系統監督控制系統（Supervisory Computer Control，SCC）實際上是一個兩級控制系統。上位機為監督控制用計算機，簡稱SCC計算機，而面對

10、工業對象的下位機可以是模擬調節器或DDC系統。 第23頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五（a）SCC+模擬調節器 （b）SCC+DDC圖1-9 監督控制系統原理框圖第24頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五四、集散控制系統集散控制系統又名分布式計算機控制系統，國外最早稱為分散控制系統，即DCS（Distributed Control System），后來叫集中（總體）分散型控制系統（Total Distributed Control System），我國習慣性稱為集散控制系統或DCS。它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的，具有分散控制、綜合管理兩方

11、面的特征。從結構上劃分，DCS包括： 過程級、操作級和管理級 。第25頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五第26頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五 隨著微電子技術的迅速發展，現場儀表（傳感器、變送器、執行器等）得以智能化。 “現場總線標準”就是設計用來替代420mA模擬信號標準的新工業標準。現場總線國際標準的制定將對DCS的發展產生重大影響。第27頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五五、現場總線控制系統現場總線（Fieldbus）是連接現場智能設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線控制系統（Fieldbus C

12、ontrol System，FCS）是一種以現場總線為基礎，將現場控制裝置與現場智能儀表互連的實時網絡控制系統，是20世紀90年代興起的新型計算機控制系統，已廣泛應用于生產過程自動化領域。第28頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五FCS對DCS的變革第29頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五傳統DCS的通信網絡截止于控制站或輸入輸出單元，現場儀表、執行器與控制站之間仍然是一對一的模擬信號傳輸。FCS的信號傳輸實現了全數字化，現場總線把通信線一直延伸到生產現場或生產設備。在FCS系統中，生產過程現場的各種儀表、傳感器、執行器、控制器等都配置有微處理器，屬于智能

13、現場設備，各自都具有數字計算和通信能力，可完成數據測量、處理和調節控制等功能。FCS控制系統將DCS控制站的功能分散到智能設備中，實現徹底的分散控制。第30頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五較為流行的現場總線主要有以下幾種：基金會現場總線（Foundation Fieldbus）LONWORKSPROFIBUSCANHART總線。 第31頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五六、計算機集成制造系統計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)是計算機技術、網絡技術、自動化技術、信號處理技術、管

14、理技術和系統工程技術等新技術發展的結果，它將企業的生產、經營、管理、計劃、產品設計、加工制造、銷售及服務等環節與人力、財力、設備等生產要素集成起來，進行統一控制，以求生產活動的最優化。 第32頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4 計算機控制系統的控制核心微型計算機的發展，促進了控制技術的進步。目前，已有各種各樣的微型機控制系統在工業生產中得到應用。根據被控對象的規模，主要有單片機、DSP、ARM、工業控制計算機和可編程控制器幾種，它們適應不同的應用要求。在實際工程中，選擇何種機型，應根據控制規模、工藝要求和控制特點等來確定。 第33頁，共55頁，2022年，5月20日，

15、6點7分，星期五單片機單片機，即單片微型計算機，是將微處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、時鐘及接口電路等主要計算機部件，集成在一塊集成電路芯片上構成的計算機，是微型計算機的一個重要分支。單片機具有集成度高、體積小、功耗低、使用方便價格低廉等特點。主要用于一些智能化的儀表、家電和小型的控制系統等。第34頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4.2 DSPDSP可以代表數字信號處理器（Digital Signal Processor），也可以代表數字信號處理技術（Digital Signal Processing）。一般我們所說的DSP是指前者，即專門從事數字信號處理

16、的微處理器，它在機電一體化中應用廣泛。第35頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。目前最為廣泛應用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/ C5000 /C6000系列第36頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4.3 ARM“百度百科”搜索 “ARM”國家：英國（歐洲） ARM行業：電子 半導體 微處理器 智能手機 總部：英國劍橋 競爭對手：英特爾 市場份額

17、手機處理器90%的市場份額 上網本處理器30%的市場份額第37頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4.3 ARMARM處理器（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，即通常所說的ARM微處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。第38頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分

18、，星期五采用RISC架構的ARM微處理器具有如下特點。（1）體積小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件。（3）大量使用寄存器，指令執行速度更快。（4）大多數數據操作都在寄存器中完成。（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高。（6）指令長度固定。第39頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4.4 工業控制計算機工業控制計算機，簡稱工控機，是一種面向工業控制、采用標準總線技術和開放式體系結構的計算機。 20世紀80年代所采用的是STD總線，20世紀90年代逐漸被ISA和PCI總線的工控機取代。第40頁，共55

19、頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五IPC（Industrial Personal Computer）是基于PC總線的工業控制計算機。典型的工業控制機一般由加固型工業機箱、工業電源、主機板、顯示板、硬盤驅動器、光盤驅動器、各類輸人/輸出接口模板、顯示器、鍵盤、鼠標等組成。 第41頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五（a）主機箱外部結構 （b）主機箱內部結構圖1-12 IPC主機箱結構第42頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五 IPC的特點 ：（1）采用加固型工業標準機箱，以達到防震、防塵、防沖擊、抗電磁屏蔽，并具有良好的通風散熱性能。（2）取代PC的

20、大母板結構，整機采用總線式一體化主板，易于更換。（3）增加電源的功率裕量，加強電壓浪涌抑制和抗干擾措施。（4）I/O插卡采用工業級元件。（5）具有多種通信網卡和通信軟件支持。（6）豐富的軟件支持。第43頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.4.5 可編程控制器編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC，是早期的繼電器邏輯控制系統與微型計算機技術相結合的產物。它吸收了微電子技術和微型計算機技術的最新成果，發展十分迅速。從單機自動化到整條生產線自動化，乃至整個工廠的生產自動化，PLC均擔當著重要角色。第44頁，共55頁，2022年，5

21、月20日，6點7分，星期五PLC的實物研華PLC和利時PLC西門子PLC三菱PLC第45頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1、PLC的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強。 （2）通用性強，使用方便。 （3）功能強，適應面廣。 （4）編程簡單，容易掌握。 （5）減少了控制系統的設計及施工的工作量。 （6）體積小、重量輕、功耗低。第46頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五2. PLC的分類（1）按控制規模PLC大致可分為：微型機、小型機、中型機及大型機、超大型機（2）按結構PLC可分為：整體式及模塊式兩大類（3）世界上PLC產品可按地域分為：美國產品、歐洲產品和

22、日本產品第47頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五3. PLC的應用和發展前景（1）開關量的邏輯控制。 （2）運動控制。 （3）閉環過程控制。 （4）數據處理。 （5）通訊連網。 第48頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五1.5 計算機控制系統的發展概況及趨勢計算機控制的發展過程 在生產過程控制中采用數字計算機控制的思想出現在20世紀50年代中期，控制理論與計算機技術結合，產生了計算機控制系統，為自動控制系統的應用與發展開辟了新的途徑。 第49頁，共55頁，2022年，5月20日，6點7分，星期五 世界上第一臺電子計算機于1946年在美國問世，到20世紀50年代末，已經將計算機用于過程控制。 20世紀60年代后期，出現了適合工業生產過程控制的小型計算機，使規模較小的過程控制項目可以考慮采用計算機控制。1972年出現了微型計算機。使計算機控制由一臺計算機完成許多控制回路的控制任務的集中式控制結構，轉變成分散式控制結構，這就是集散控制系統（DCS）。 進入20世紀