第1章微型計算機控制系統概論1.1微型計算機控制系統的結構原理1.2微型計算機控制系統的分類1.3微型計算機控制系統的組成1.4微型計算機控制系統的發展概況及趨勢1.1微型計算機控制系統的結構原理1.1.1常規控制系統

對于沒有采用微型計算機控制的系統一般為連續控制系統，即常規控制系統。在常規的自動控制系統中，最基本的控制系統為閉環負反饋控制系統，如下圖所示。該控制系統中的測量元件和變換發送單元對被控參數（如溫度、壓力、流量、轉速、位移等）進行測量，并將其變換成一定形式的電信號（電壓/電流），反饋給控制器。控制器將反饋信號與給定信號進行比較，并根據一定的控制規律產生相應的控制信號驅動執行機構工作，使被控參數的值和給定值保持一致。控制器是系統中最重要的部分，它從質與量兩方面決定了控制系統的性能和應用范圍。控制器可以用各種控制規律實現，如：PID（比例積分微分）控制等。控制規律的選取與被控對象特性和系統控制要求有關。1.1.2微型計算機控制系統

如果把圖1-1中的控制器用微型計算機來代替，就可以構成微型計算機控制系統，如圖1-2所示。控制系統中引入微型計算機后，控制規律便可由程序實現，微型計算機執行相應的程序，實現對被控參數的控制。在常規控制系統中，系統的控制規律是用硬件電路實現的，改變控制規律就要改變硬件；而在微型計算機控制系統中，控制規律是通過程序實現，改變控制規律只需改變程序即可。在微型計算機控制系統中，微型計算機的輸入和輸出都是數字信號，而變換發送單元送出的，以及大多數執行機構所能接收的，都是模擬信號。因此，系統中需要有將模擬信號轉換為數字信號的A/D轉換器和將數字信號轉換為模擬信號的D/A轉換器。微型計算機控制系統，從本質上看，它的控制過程可以歸結為以下3個步驟：1）實時數據采集：對來自測量變送單元的被控參數的瞬時值進行測量。2）實時決策：對表征被控參數狀態的測量值進行分析，并按已定的控制規律，作出相應的控制決策。3）實時控制：根據決策，實時地對控制機構發出控制信號，使其完成相應的控制任務。上述過程不斷重復，使系統能夠按一定動態品質指標進行工作，并能對被控參數和設備運行情況進行監督，發現異常時及時做出相關處理。控制過程的3個步驟對應著微型計算機的信息輸入、數據運算處理和輸出操作。1.2微型計算機控制系統的分類

根據應用特點、控制目的和系統構成，微型計算機控制系統大致上可分為以下幾種類型：數據采集系統、直接數字控制系統、監督控制系統、分散型控制系統、現場總線控制系統、計算機集成制造系統。1.2.1數據采集系統（DAS）

數據采集系統（DataAcquisitionSystem，簡稱DAS）的結構如圖1-3所示。數據采集系統是微型計算機應用于生產過程控制最早的一種微型計算機控制系統。該系統中微型計算機通過模擬量、開關量（即數字量）輸入通道進行實時數據采集，將采集到的數據進行分析處理（如數字濾波、標度變換、越限報警等），并以一定格式在顯示器上顯示或通過打印機打印出來，以實現生產過程的集中監視及實現生產過程的操作指導。該系統中的微型計算機不直接參與生產過程控制，不會對生產過程產生直接影響。1.2.2直接數字控制系統（DDC）

直接數字控制（DirectDigitalControl，簡稱DDC）系統的結構如圖1-4所示。1.2.3監督計算機控制系統（SCC）

監督計算機控制（SupervisoryComputerControl，簡稱SCC）系統結構如圖1-5所示。

SCC系統是一種兩級微型計算機控制系統，其中DDC級微機完成生產過程的直接數字控制；SCC級微機則根據生產過程工況和已定的數學模型，進行最優化分析計算，產生最優給定值，交由DDC級執行。

DDC級微機直接參與生產過程控制，要求實時性好，可靠性高和環境適應性強；SCC級微機承擔高級控制與管理任務，要求數據處理功能強、存儲容量大等，一般用高檔微機。當DDC級微型計算機出現故障時，可由SCC微型計算機完成DDC的控制功能，這種系統提高了可靠性。1.2.4分散型控制系統（DCS）

分散型控制系統（DistributedControlSystem，簡稱DCS）系統結構如圖1-6所示。該系統利用多臺微型計算機采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協調的設計原則，把系統從下而上分為過程控制級、控制管理級、生產管理級等若干級，形成分級分布式控制。以微處理器為核心的過程控制器PC完成過程的控制任務；控制管理計算機通過協調各過程控制器的工作，達到生產過程的動態最優控制；生產管理計算機完成制定生產計劃和工藝流程、產品、財務、人員等管理功能，以實現生產過程靜態最優化；中央操作臺是系統全局的顯示操作裝置，完成人—控制系統—過程的接口任務；LOS是局部操作臺。1.2.5現場總線控制系統（FCS）

現場總線控制系統（FieldbusControlSystem，簡稱FCS）系統結構如圖1-7所示。現場總線控制系統是目前廣泛應用于工業生產過程自動化領域的新型計算機控制系統。現場總線控制系統是利用現場總線實現各智能現場設備間、各現場設備和控制裝置間互聯，形成一個數字式、雙向傳輸、多分支結構和多點通信的通信網絡。現場控制系統不同于DCS的“操作站—控制站—現場儀表”的三層結構模式，它采用了“工作站—現場總線智能儀表”的兩層結構模式，降低了系統總成本，提高了可靠性，且在統一的國際標準下可實現真正的開放式互連系統結構，因此是一種具有發展前途的真正分散控制系統。1.2.6計算機集成制造系統（CIMS）計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufactureSystem，縮寫CIMS）是信息技術、自動化技術以及有關生產技術,建立全企業或全廠的包括經營決策、管理信息、生產調度、監督控制和直接控制在內的管理及控制全部生產活動的綜合自動化系統。它不僅需完成直接面向過程的控制和優化任務，而且還要在獲取生產全部過程中盡可能多的信息基礎上，進行整個生產過程的綜合管理、指揮調度和經營管理。它將企業的生產、經營、管理、計劃、銷售等環節和企業人力、財力、設備等生產要素集成起來，進行統一控制，從而求得生產活動的最優化。

在工業生產過程中，連續性的生產過程，如煉油、化工、電力等稱為流程工業，當CIMS用于流程工業時，簡稱流程CIMS。流程CIMS的功能結構模型如圖1-8所示。流程CIMS的遞階控制共分為五層。其基本功能如下：（1）過程控制系統實現對生產過程運行狀態的檢測、監視、常規控制和傳統的先進控制。（2）過程優化也即過程監控，過程監控系統根據調度指令實現生產過程操作優化、先進控制、故障診斷、過程仿真等功能。當調度指令變化時,使生產裝置的過程操作在保證質量的前提下始終處于最佳工作點附近。（3）生產調度生產調度系統完成生產計劃分解,同時根據生產的實際情況形成調度指令，即時地指揮生產，組織日常均衡生產和處理異常事件。（4）企業管理該層可細分為經營管理、生產管理和人文管理,對廠級、車間、各科室的生產和業務信息實現集成管理,并依據經營決策指令制定和落實年、季、月綜合計劃。生產計劃是綜合計劃的核心,管理信息系統將月計劃指令下達給生產調度系統。（5）經營決策經營決策系統是頂層功能,依據企業內部和外部信息對企業產品策略、中長遠目標、發展規劃和企業經營提出決策支持。1.3微型計算機控制系統的組成微型計算機控制系統由硬件和軟件兩部分組成，其硬件部分的基本組成如圖1-9所示。l.3.l硬件組成

微型計算機控制系統硬件主要由主機（控制器）、過程輸入輸出通道（設備）、操作設備、常規外部設備、通信設備、系統支持功能等組成。1．主機由微處理器、內存貯器（RAM和ROM）和系統總線構成的主機是控制系統的核心。2．過程輸入輸出通道過程輸入輸出通道，是在微型計算機和生產過程之間起信息傳遞和變換作用的裝置，它包括：模擬量輸入通道（簡稱AI通道）、數字量輸入通道（簡稱DI通道）、模擬量輸出通道（簡稱AO通道）和開關量輸出通道（簡稱DO通道）。3．操作設備系統的操作設備是微型計算機控制系統中人機交互的關鍵設備。操作設備一般由LCD顯示器（或其它顯示器）、鍵盤、開關和指示燈等構成。4．常規外部設備常規外部設備指鍵盤、終端、打印機、繪圖機、U盤等一類微機輸入輸出設備。5．通信設備通信設備用于完成微型計算機控制系統的信息交換。6．系統支持功能系統支持功能主要包含以下幾部分。（1）監控定時器（2）電源掉電檢測（3）保護重要數據的后備存貯體（4）實時日歷鐘（5）總線匹配（或端接）

l.3.l軟件組成

軟件包含系統軟件和應用軟件兩個部分。軟件的優劣關系到硬件功能的發揮和對生產過程的控制品質和管理水平。1．系統軟件2．應用軟件

1.4微型計算機控制系統的發展概況及趨勢微型計算機控制系統是測量技術、計算機技術、通信技術和控制理論的結合。由于微型計算機具有大量存儲信息的能力、較強的邏輯判斷能力及其快速的運算能力，使微型計算機控制能夠解決常規控制所不能解決的難題，能夠達到常規控制達不到的優異的性能指標，其發展前景非常廣闊。1.4.1微型計算機控制系統的現狀

隨著微型計算機的發展，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。根據其控制器的不同，可構成各種具有自身特色的微型計算機控制系統，如：總線式工業控制微型計算機、可編程序控制器（PLC）、單片微型計算機、DSP、智能調節器等。實際中，可根據被控對象的控制規模、工藝要求、控制特點和所完成的工作來確定選擇以何種控制器構成的微機控制系統。1．總線式工業控制微型計算機（1）工業控制微型計算機工業控制微型計算機是指以微型計算機為核心所構成的測量與控制裝置（系統）。一個在工業環境中使用的微型計算機控制系統，除去被控對象（過程或設備）、檢測儀表和執行機構外，其余部分構成“工業控制微型計算機”，簡稱工控機。（2）總線式工控機采用標準總線技術研制生產的工控機稱為總線式工控機。這種工控機采用標準并行底板總線，如圖1-10所示。其特點是能以簡單的硬件支持高速的數據傳送和處理，且使系統具有標準化、模塊化、組合化的開放式結構，能適應各種不同的控制對象，應用極為廣泛。2．可編程序控制器（PC）

PC（或稱PLC）是微機技術和常規繼電邏輯控制概念相結合的產物，其低端為常規繼電邏輯控制的替代裝置，而高端稱為一種高性能的工業控制機。

PC的一般結構如圖1-11所示。3．單片微型計算機單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）又稱微控制器（Microcontroller），它將CPU、存貯器、并串行I／O口、定時計數器、A／D轉換器、脈寬調制器等功能部件集成在一塊芯片上，是一個標準的微型計算機。它是工業控制和智能化系統中應用最多的一種模式。單片機具有面向控制、體積小、重量輕、價格低、可靠性好、功能全、開發應用方便等優點，目前已成為面向控制的微控制器。典型單片機結構示意圖4．數字信號處理器（digitalsingnalprocessor，簡稱DSP）

DSP，是一種具有特殊結構的微處理器，DSP芯片的內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，且有特殊的DSP指令。它具有強大的數據處理能力和較高的運行速度，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器。5．單回路數字調節器

單回路數字調節器（SingleStrategyController，簡稱SSC）是一種以微處理器或單片微型計算機為核心，能完成生產過程1～4個回路直接數字控制任務的數字控制儀表，也就是所謂的智能調節器，智能調節器不僅可以接受4～20mA電流信號，還具有RS-232或RS-422／485通信接口，可與上位機連成主從式測控網絡。其結構原理如圖1-13。1.4.2微型計算機控制技術的發展趨勢

要發展計算機控制技術，必須對生產過程知識、測量技術，計算機技術和控制理論等領域進行廣泛深入地研究。

隨著微型計算機控制技術的發展，新的控制理論以及新的控制方法層出不窮。下面僅從幾個方面就其發展趨勢進行討論。

1．推廣應用成熟的先進的技術（1）普及應用可編程序控制器（PLC）目前，隨著具有A/D，D/A轉換及PID調節等功能的PLC的出現，以及對具有智能I/O模塊的PLC的開發使用，使得PLC的功能有了很大提高。它能將順序控制與過程控制結合起來，實現對生產過程的控制，且可靠性高。（2）廣泛使用智能調節器智能調節器不僅具備了微機控制系統所需的基本部件，利用其內部通信接口還可與上位機一起組成分布式測控系統，并可通過編程組態的方法，方便地組建和修改控制系統地結構。（3）采用新型的DCS和FCS

發展以現場總線（Fieldbus）技術等先進網絡通信技術為基礎的DCS和FCS控制結構，采用先進的控制策略，向低成本綜合自動化系統的方向發展，實現計算機集成制造/過程系統（CIMS/CIPS）。其現場總線控制系統的突出優勢，勢必成為今后微型計算機控制系統發展的方向。2．研究并發展先進的控制技術利用經典的反饋控制與現代控制理論實現對控制系統的設計和分析會遇到很多難題，首先，必須建立精確的系統數學模型，而實際系統一般無法獲得精確的數學模型；其次，為了提高控制性能，整個控制系統會變得異常復雜，并且增加了設備的投資，降低了系統的可靠性。為解決該問題必須研究和發展先進的控制技術。（1）實現最憂控制在生產過程中，為提高其生產產品的質和量，并獲得一定的經濟效益，會節約原材料、降低成本、且要求生產過程處于最佳工作狀況。最優控制就是恰當地選擇控制規律，在控制系統的工作條件不變以及某些物理條件的限制下，使得系統的某種性能指標取得最大值或最小值，即獲得最好的經濟效益。（2）自適應控制在最優控制系統中，當控制系統的工作條件發生變化時，系統就不再處于最優狀態了。若在系統本身工作條件變化的情況下，能自動地改變控制規律，使系統仍能處于最佳工作狀態，其性能指標仍能取得最佳，這就是自適應控制。自適應控制包括性能估計（系統辨識），決策和修改三部分。（3）模糊控制系統模糊控制是一種應用模糊集合理論的控制方法。一方面模糊控制提供一種實現基于知識（規則）的甚至語言描述的控制規律的新機理；另一方面，模糊控制提供了一種改進非線性控制器的替代方法，這種非線性控制器一般用于控制含有不確定性和難以用傳統非線性控制理論處理的裝置。模糊控制具有多種控制方案，包括PID模糊控