第5章 微型计算机控制技术概述
微型计算机控制技术研究的内容及特点研究的内容:主要研究控制理论、计算机技术(软、硬件技术)、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用.主要的特点:1)理论性强:应用各种控制理论、信号处理理论等2)综合性强:应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3)实践性强:所有设计、计算必须要反复进行实验;在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4)理论与实践相结合5)实用性强6)应用广泛等
第5章 微型计算机控制技术概述
计算机控制技术发展迅速1、近30年计算机发展迅速微机、单片机,从8位机到32位、64位机,主频从几兆到几千兆,集成度达数千万只晶体管,可靠性提高、体积小、功耗低.2、计算机控制系统发展迅速应用机型:单板机、单片机、STD总线工控机、工业PC机控制方式:从单机控制到集散控制、现场总线网络控制应用范围:从大型企业到一般企业控制对象:从生产过程到检测设备一般的仪器仪表
第5章 微型计算机控制技术概述
本章主要内容1.1 微型计算机控制系统组成1.2 微型计算机控制系统分类1.3 微型计算机控制系统发展概况及趋势
5.1 微型计算机控制系统组成(1)
微型计算机控制系统主要由微型计算机、接口电路、检测部件、执行机构、外部通用设备等五部分组成.如图1-1所示.
5.1 微型计算机控制系统组成(2)
1.1.1 微型机控制系统硬件结构 系统硬件主要由以下5部分构成 1、主机 作用为系统核心:检测、数据处理、判断、计算、控制、报警等.选型:STD总线机、工业PC机、8位或16位或32位单片机等.2、I/O接口 并行接口8255或8155 串行接口8251等 直接数据传输控制器8237 中断控制器8259 定时器/计数器8253 A/D转换器ADC0809等D/A转换器DAC0832等1.1 微型计算机控制系统组成(3)
3、通用外部设备 作用:显示、打印、存储、传输数据. 4、检测元件作用:对各种信息进行采集,将非电信号、非标准信号转换成标准电信号(0---5V或4---20mA).器件:各种传感器、变送器5、执行机构作用:根据控制信号进行动作,如改变转速、流量、温度等.设备:电动的、气动的、液压传动的等. 6、操作台作用:实现人---机对话,进行各种操作组成:功能键、数字键、开关、按钮、LED数码管或CRT显示器.
1.1 微型计算机控制系统组成(4)
1.1.2 微型机控制系统软件这里所说的微型机控制系统软件,指的是应用软件.其功能结构为:1、过程监控 包括的程序有:巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等.2、过程控制计算 包括的程序有:控制算法(PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等)、事故处理、信息管理(信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等)3、公共服务 包括的程序有:基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等.
1.2 微型计算机控制系统分类(1)
所采用的控制系统与具体的过程、对象有关,可以分为6类.1.2.1 操作指导控制系统 "操作指导"是指计算机输出不直接用来控制生产对象,而只是对系统过程参数进行收集、加工处理,然后输出数据,操作人员根据这些数据进行必要的操作.该系统的特点是较简单、安全可靠.常用于试验调试过程.该系统的缺点是要人工操作,速度不能太快、操作不能太多.
1.2 微型计算机控制系统分类(2)
1.2.2 直接数字控制系统(DDC)DDC(Direct Digital Control)是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测,检测结果与设定值进行比较,再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算,然后输出到执行机构,使被控参数稳定在给定值上.如右图所示.DDC控制的特点:可一机 多控,经济、灵活、可靠. 可实现各种复杂控制,如串 级、前馈、自选控制、大滞 后控制等.
1.2 微型计算机控制系统分类(3)
1.2.3 计算机监督系统(SCC)计算机监督系统(Supervisory Computer Control)简称为SCC. 1、计算机监督系统SCC 在SCC系统,由计算机按照生产过程的数学模型,计算出最佳给定值,将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程. 2、SCC系统的优点与问题 优点:可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应控制等.是操作指导系统和DDC系统的综合与发展. 问题:由于生产过程的复杂性,其数学模型的建立比较困难,因此该系统实现比较困难. 3、SCC系统的结构 SCC+模拟调节器的控制系统(一般模拟调节器其给定值不变) SCC+DDC的控制系统(比一般DDC系统灵活方便)
1.2 微型计算机控制系统分类(4)
计算机监督系统的两种结构如下图所示
1.2 微型计算机控制系统分类(5)
1.2.4 分布控制系统(DCS) 分布控制系统(Distributed Control System)也称集散控制系统. 1、系统结构 由三级组成:底层的分散过程控制级(DDC)、中间层的监督控制级(SCC)、上层的生产管理级(MIC). 是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物. 2、各级功能 分散过程控制级DDC,用于直接生产控制,完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制,向监控级发送数据,并接受监控级来的信息.该级由多个以计算机为核心的工作站组成. 监督控制级SCC,任务是对生产过程的监视与操作,与管理级、分散控制级传送数据和指令. 管理级MIC(Manage information Control),是整个系统的中枢,接受管理者的指令;对信息进行存储与管理;给管理者提供各种信息与报表;根据下级提供的信息及生产任务要求,选择数学模型和控制策略,对下一级下达指令等.
1.2 微型计算机控制系统分类(6)
3、分布控制系统的特点 通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠,能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率,降低消耗,创造最佳经济效益社会效益等.
1.2 微型计算机控制系统分类(7)
1.2.5 计算机集成制造系统(CIMS) CIMS是"Computer Integrated Manufacturing System"的缩写. 1、计算机集成制造系统CIMS的概念 CIMS是把企业的计划、采购、生产、销售等各个环节作为整体,将其信息进行采集、传递、加工、协调、回控,做整体优化决策. CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理. 2、计算机集成制造系统CIMS的结构 CIMS采用的是多任务、分层体系结构. 有多种结构方案,如五层递阶控制结构、面向集成平台的CIMS结构、连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等.其基本思想都是"递阶控制(Hierarchical Control)递阶控制是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令/反馈控制方式.高一级的控制次一级的,次一级的功能更具体.
1.2 微型计算机控制系统分类(8)
图1-7为清华大学CIMS工程技术研究中心提出的四层递阶控制体系结构.工厂/车间层:主要是预测、规划、生产计划. 单元层(如一个流水线):主要是制定详细计划、工艺过程、对工作站进行调度和监控等. 工作站层(具体的控制部分) :控制设备进行生产. 设备层 :生产设备.
1.2 微型计算机控制系统分类(9)
1.2.6 现场总线控制系统(FCS)现场总线系统FCS (Fieldbus Control System)是分布控制系统(DCS)的更新换代产品.1、结构 是一种用数字通信协议连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络. 简言之,是一种用数字局域网络连接起来的分布式控制系统.
1.2 微型计算机控制系统分类(10)
2、采用的技术 控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术 3、特点 1)数字化的信息传输2)分散的系统结构 3)方便的互操作性4)开放的互连网络 5)多种传输媒介的拓扑结构 4、FCS系统的基本设备 现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表.基本设备有: 1)传感器变送器、2)执行器 3)服务器和网桥、 4)辅助设备 5)监控设备
1.2 微型计算机控制系统分类(11)
现场总线系统与分布控制系统的区别,前者为一条总线连接,后者为星形连接.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(1)
1.3.1 微机控制系统种类 按被控对象的规模可分为以下4种一、单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)特点:用于自行开发控制系统,方便、灵活、成本低,可用低级语言、也可用高级语言编程.与微机相比其特点:1、集成度高、功能强 在一个芯片上,集成有计算机的5部分功能.2、结构合理 为哈佛(Harvard)结构,即数据存储器与程序存储器相互独立.1)容量大(16位地址线时,有64K的程序存储器和64K的数据存储器)、2)速度快(可达40MHz及以上)3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(2)
4、指令丰富 有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(3)
二、可编程逻辑控制器(PLC) 可编程逻辑控制器(Programmable Logical Controller)简称为PLC.是继电器逻辑控制系统与微机相结合的产物.在工厂自动化中有广泛应用. 1、PLC的功能条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、A/D及D/A转换、数据处理、通信与连网功能等.2、PLC的特点可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等.
3、PLC的分类 低档类:以开关量为主,内部有200多个继电器、定时器/计数器等资源.中档类:继电器数目更多(达512)、增加有模拟量接口,软件上增加有PID运算、数学运算、数制转换等.高档类:控制点数达1000以上,具有计算、控制和调节功能,具有通信和连网能力,显示器用CRT,接近工业PC的功能.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(4)
三、STD总线工业控制机 STD(Standard)总线工业控制机,是一种广泛应用于工业过程控制的计算机系统.1、STD的特点 1)小板结构模块化设计 165.1mm*114.3mm;每一模块有一两个功能,如CPU、A/D、D/A、开关量I/O、电机控制等.2)标准化及兼容性 3)面向I/O设计 其总线是面向I/O端口的,可扩展20块I/O模块.4)高可靠性 能适应恶劣环境、抗干扰力强、Watchdog监控、掉电保护等.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(5)
1.3 (6)
2、STD总线工业控制机 的系统组成 系统由总线母板机架、微处理器板、存储器板、及其它控制板组成.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(7)
四、工业PC机 是一种采用STD总线工业控制机结构的个人微型计算机. 1、特点 模块化结构、软件资源极其丰富、软件开发容易、使用方便等. 2、工业PC机与个人PC的区别 1)变主板为通用的底板总线插座板 2)模块化插件板,如CPU板、I/O板、A/D、D/A板等. 3)电源改为工业电源 4)机箱密封,并采用正压送风 5)配有工业应用软件
微机控制系统的选用原则 1)对于小型控制系统、智能化仪器、智能化接口尽量采用单片机,并自己设计.2)对于一个产品或用量较大的设备,应采用单片机并自行设计.3)对于中等规模的控制系统,为了加快开发速度,应选用现成的工业控制机.如PLC、STD机等,应用软件可自己开发.4)对于大型的工业控制系统,最好选用工业PC机、专用集散控制系统,软件可用高级语言开发.
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(8)
1.3 微机控制系统概况及发展趋势(9)
1.3.2 微机控制系统的发展趋势 1、大力推广应用成熟的先进技术 可编程控制器(PLC)、智能化调节器 (温度、速度等调节器)集散控制系统(DCS)、现场总线系统(FCS)现场总线系统(FCS)将成为微机控制系统发展的方向 2、大力研究和发展智能控制系统 分级递阶智能控制系统,是一种智能化的分级控制系统,系统一般分为组织级、协调级、执行级 模糊控制系统,是一种应用模糊集合理论的控制方法.专家控制系统,是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统.学习控制系统,能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统.3、单片机的应用更加深入 将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用.