合肥工業大學電氣與自動化工程學院自動化系微機控制技術1.教材國家級精品課程配套教材

于海生等編著，微型計算機控制技術（第2版），清華大學出版社，20092.參考書

2.1謝劍英，微型計算機控制技術，國防工業出版社

2.2何克忠，計算機控制系統，清華大學出版社

2.3王錦標，計算機控制系統，清華大學出版社

2.4關守平等，計算機控制理論與設計，機械工業出版社

2.5曹佃國等，計算機控制技術，人民郵電出版社課程要求與說明《計算機控制技術》自動化專業的主干專業課。4.前續基礎課程3.課程的性質程序設計技術（匯編、C/C++/VC、VB）自動控制理論（經典/現代）檢測技術與自動化儀表微機原理（單片機）與接口技術5.指定課后閱覽的參考期刊雜志

電氣自動化自動化儀表電氣傳動控制工程自動化博覽工業控制機測控技術工業儀表與自動化裝置化工自動化及儀表6.主要教學內容

本課程以主流機型ISA/PCI總線工業控制機為控制工具，系統地闡述了計算機控制系統的設計和工程實現方法。內容共分9章，內容包括：計算機控制系統及其組成，計算機控制系統的典型型式、工業控制機的組成結構及特點、計算機控制系統的發展概況和趨勢；計算機控制系統的輸入輸出接口與過程通道；數字控制技術；常規及復雜控制技術；現代控制技術；應用程序設計與實現技術；HMI/SCADA技術與監控組態軟件；分布式測控網絡技術；計算機控制系統設計與實現。

第1章緒論

一.計算機控制系統概述二.工業控制機的組成結構及特點三.計算機控制系統的發展概況及趨勢

計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感技術、CRT/LCD顯示技術、通信與網絡技術、微電子技術的高速發展，給計算機控制技術帶來了巨大變革。

隨著計算機技術、高級控制策略、現場總線智能儀表和網絡技術的發展，計算機控制技術水平必將大大提高。

（網絡技術的廣泛應用也必將產生新的控制理論。）

尤其是近年來，計算機技術、自動控制技術、檢測與傳感器技術、CRT顯示技術、通信與網絡技術和微電子技術的高速發展，給計算機控制技術帶來了巨大的發展，使自動控制技術正向著深度和廣度兩個方向發展。在廣度方面，國民經濟的各個領域--從工業過程控制、農業生產和國防技術到家用電器已廣泛使用計算機控制；控制對象也從單一對象的局部控制發展到對整個工廠、整個企業、甚至是所有智能物體等大規模復雜對象的控制。在深度方面則向智能化發展，出現了自適應、自學習等智能控制方法。自動控制：就是在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使生產過程自動地按照預定的規律運行。1.1計算機控制系統概述計算機控制系統是由常規儀表控制系統演變而來的;常規儀表組成的自動控制系統根據不同的控制要求，一般分成閉環控制(圖1-1a所示)與開環控制(圖1-1b所示)兩種結構形式;計算機控制系統原理組成—用控制計算機代替圖1-1的控制器，如圖1-2所示；閉環控制系統euqy控制器執行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量

測量值r+_zf干擾圖1-1(a)閉環控制系統典型工業生產過程：連續過程－過程控制系統；離散過程－應用于制造業；批量過程－間歇性多品種生產過程，可能包含連續與離散過程；新興生產過程－云制造，3D打印技術。(見補充材料)

閉環控制系統--閉環控制系統中，測量變送器對被控對象進行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規律產生相應的控制信號驅動執行器工作，執行器產生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現自動控制穩定生產的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進行控制的閉環反饋控制系統。開環控制系統uqy控制器執行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r圖1-1(b)開環控制系統

開環控制系統-不同于閉環系統，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據給定值驅動執行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。開環控制系統不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環系統。

計算機控制系統：就是利用計算機(通常稱為工業控制計算機，簡稱工控機)來實現生產過程自動控制的系統。(與傳統系統區別)1.1.1計算機控制系統

計算機控制系統原理圖

計算機閉環控制系統的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計算機即微型計算機及A/D（模/數）轉換接口與D/A（數/模）轉換接口代替，由于計算機采用的是數字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/D轉換器將模擬量轉換為數字量作為其輸入信號，以及D/A轉換器將數字量轉換為模擬量作為其輸出信號。1.計算機控制系統的工作原理

從本質上看，計算機控制系統的工作原理可歸納為以下三個步驟：（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，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。補充；在“計算機控制理論與設計”書中，（4）信息管理：隨著網絡技術和控制策略的發展，信息共享和管理也介入到控制系統中。2.幾個重要概念.在線方式（on-line）:

生產過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式稱為在線方式或聯機方式。.離線方式(off-line):

生產過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯系并做相應操作的方式稱為離線方式或脫機方式。.實時(real-time)：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內完成，亦即計算機對輸入信息，以足夠快的速度進行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機，控制也就失去了意義。而且這個時間范圍的大小跟被控對象聯系非常的緊密！不同的被控對象，對時間范圍的要求不同：發酵過程和導彈防御系統的對比！在線與實時的關系一個在線系統不一定是實時系統一個實時系統必定是在線系統1.1.2計算機控制系統的組成

計算機控制系統主要由：工業控制機和生產過程兩大部分組成。

工業控制機：是指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機，它包括硬件和軟件兩部分。

生產過程：包括被控對象、測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。

1.1.3常用的計算機控制系統主機

1.可編程序控制器（PLC）2.工控機（IPC）

3.嵌入式系統（單片機，DSP）

嵌入式系統的核心技術其實就是嵌入式CPU+嵌入式OS+關鍵應用。 微處理器類（32位或64位），即X86CPU和嵌入式CPU（ARM、MIPS、SH三大類）以及DSP、單片機，SoC，在嵌入式系統中占主導地位； 嵌入式操作系統已經從簡單走向成熟（如VxWorks、

PSOS、VRTX、Nucleus、WinCE、QNX、Linux），嵌入式系統與網絡、Internet結合日益密切，不必依賴Windows。

4.智能調節器

1.2計算機控制系統的典型形式（1）操作指導控制系統(operationalcontrolsystem,OGC)

所謂操作指導是指計算機的輸出不直接用來控制被控對象，只是每隔一定時間，計算機進行一次數據采集，將系統的一些參數經A/D轉換后送入計算機進行計算及處理，然后進行報警、打印和顯示。操作人員根據這些結果去改變調節器的給定值或直接操作執行機構。該系統屬于開環控制結構。計算機根據一定的控制算法，依賴測量元件測得的信號數據，計算出供操作人員選擇的最優操作條件及操作方案。操作人員根據計算機輸出的信息去改變調節器的給定值或直接操作執行機構。優點：結構簡單、控制靈活和安全。缺點：要由人工操作，速度不高，不能控制多個對象。（2）直接數字控制系統

（DirectDigitalControl）

DDC系統屬于計算機閉環控制系統。計算機首先通過模擬量輸入通道（AI）和開關量輸入通道（DI）實時采集數據，然后按照一定的控制規律進行計算，最后發出控制信息，并通過模擬量輸出通道（AO）和開關量輸出通道（DO）直接控制生產過程。直接數字控制（DDC）系統是計算機用于工業過程控制最普遍的一種方式。要求：計算機直接承擔控制任務，要求DDC系統實時性好、可靠性高和適應性強。優點：能夠實現自動控制、多回路控制，能夠靈活的把各種算法施加于生產過程。缺點：結構較前者復雜，投資高。計算機生產過程顯示打印機報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）OD，A/D（出輸程過圖1-7直接數字控制系統（3）監督控制系統

（SupervisoryComputerControl)

監督控制中，計算機根據原始工藝信息和其它的參數，按照描述生產過程的數學模型或其它方法，自動地改變模擬調節器或以直接數字控制方式工作的微型機中的給定值，從而使生產過程始終處于最優工況（如保持高質量、高效率、低消耗、低成本等）。從這個角度上說，它的作用是改變設定值，又稱為設定值控制SPC(SetPointControl)。SCC＋模擬調節器的控制系統

該系統是由微型機系統對各物理量進行巡回檢測，并按一定的數學模型對生產工況進行分析、計算后得出控制對象各參數最優值送給模擬調節器，使工況保持在最優狀態。

當SCC微型機出現故障時，可由模擬調節器獨立完成操作。SCC＋DDC調節器的分級控制系統SCC微型機可完成工段、車間高一級的最優化分析和計算，并給出最優給定值，送給DDC級執行過程控制。當DDC級微機出現故障時，可由SCC微型機完成DDC的控制功能，該結構（相當二級系統）提高了可靠性。優點：計算機壞了，在（a）中，模擬儀表可以直接控制；在（b）中，DDC計算機可以直接控制，SCC計算機只是采集，優化；在（b）中，當DDC級微機出現故障時，可由SCC微型機完成DDC的控制功能，該系統提高了可靠性。缺點：造價高、效益差。OGC、DDC、SCC比較：（4）分散型控制系統

（DistributedControlSystem-DCS)DCS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，把系統從上到下分為分散過程控制級、集中操作監控級、綜合信息管理級，形成分級分布式控制。特點：①分散過程控制級：這是最底層，直接和現場控制點打交道；②集中操作監控級：集中在控制室，通過顯示屏等集中監控、操作；③綜合信息管理級：實現整個企業的綜合信息管理，主要執行生產管理和經營管理功能，能夠提供管理決策信息。（5）現場總線控制系統

（FieldbusControlSystem-FCS)

FCS是新一代分布式控制結構。20世紀80年代發展起來的DCS，其結構模式為“操作站－控制站－現場儀表”三層結構，系統成本較高，而且各廠商的DCS用各自的標準，不能互連。FCS與DCS不同，它的結構模式為“工作站－現場總線儀表”二層結構，完成了DCS三層結構的功能，降低了成本，提高了可靠性，國際標準統一后，可實現真正的開放式互連系統結構。(1)智能儀表、控制器(2)現場總線線路(3)監控、組態計算機6綜合自動化系統

綜合自動化系統為企業提供整體解決方案：企業資源信息管理系統ERP

（EnterpriseResourcesPlanning）；生產執行系統MES

（ManufacturingExecutionSystem）；生產過程控制系統PCS

（ProcessControlSystem）。綜合自動化系統主要包括：

計算機集成制造系統(CIMS-ComputerIntegratedManufactureSystem)——制造業；計算機集成過程系統（CIPS-ComputerIntegratedProcessSystem）——流程工業。1.3工業控制機的組成結構及特點1.3.1工業控制機的組成工業控制機包括硬件和軟件兩部分。硬件包括主機(CPU、RAM、ROM)板、內部總線和外部總線、人機接口、系統支持板、磁盤系統、通信接口、輸入輸出通道。軟件包括系統軟件、支持軟件和應用軟件。1.工業控制機的硬件組成主機板人機接口系統支持磁盤系統通信接口模擬量輸入通道(AI)模擬量輸出通道(AO)數字量輸入通道(DI)數字量輸出通道(DO)外部總線內部總線圖1-10工業控制機的硬件組成結構見教材P92.工業控制機的軟件組成(1)系統軟件系統軟件包括實時多任務操作系統、引導程序、調度執行程序，如美國Intel公司推出的iRMX86實時多任務操作系統，美國ReadySystem公司推出的嵌入式實時多任務操作系統VRTX／OS。除了實時多任務操作系統以外，也常常使用MS-DOS和Windows等系統軟件。(2)支持軟件支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序等。(3)應用軟件應用軟件是系統設計人員針對某個生產過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入程序、過程控制程序、過程輸出程序、人機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等。計算機控制系統軟件1.3.2工業控制機的總線結構1.內部總線（定義P11）內部總線按功能分：數據總線，地址總線，控制總線，電源總線。還可以分為：片級總線（DB,AB,CB,I2C,SPI,SCI等）及系統總線。常見系統總線：(1)ISA總線及其信號線定義16位的ISA總線規范要求與8位PC向下兼容。總線插槽由兩部分組成：8位基本插槽和16位擴充插槽ISA共有98根信號線，數據線寬度為16位，地址線寬度為24位，總線時鐘為8MHz,中斷源為邊沿觸發。

(2)PCI/CompactPCI總線簡介PCI(PeripheralComponentInterconnect)是美國SIG(SpecialInterestGroupofAssociationforComputerMachinery)集團推出的64位總線。該總線的最高總線頻率為33MHz，數據傳輸率為80Mb/s(峰值傳輸率為133Mb/s)。

1）PCI總線的主要性能：見教材P132）其它性能：見教材P133）PCI總線信號定義主控設備49條，目標設備47條，可選引腳51條（主要用于64位擴展、中斷請求、高速緩存支持等），總引腳數120條（包含電源、地、保留引腳等）。4）CompactPCI總線5)PCI-Express

PCIExpress

PCIExpress是一種基于SERDES（并行轉換器）的串行雙向通信技術，SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的簡稱。是一種時分多路復用(TDM)、點對點的通信技術，即在發送端多路低速并行信號被轉換成高速串行信號，經過傳輸媒體(光纜或銅線)，最后在接收端高速串行信號重新轉換成低速并行信號。PCIExpress顯著提高了可用帶寬（每條線路500MBps-雙工/單工），減少了對內存的需求并且實現了更快的數據流傳輸，支持芯片與芯片和背板與背板之間的通信。

PCIExpress特點：采用串行方式傳輸數據，不存在信號干擾，依靠高頻率達到2.5GHz的超高工作頻率。全雙工運作模式，最基本的PCIE擁有4根傳輸線路，其中2線用于數據發送，2線用于數據接收，PCIE使用8b/10b編碼的內嵌時鐘技術，節省傳輸通道，提高傳輸效率。采用點對點工作模式（PeertoPeer，也被簡稱為P2P），每個設備都有自己的專用連接，這樣就無需向整條總線申請帶寬，避免多個設備爭搶帶寬。2外部總線1）RS-232串行通信總線引腳號功能引腳號功能1保護地14（輔信道）發送數據2發送數據15發送信號無定時（DCE為源）3接收數據16（輔信道）接收數據4請求發送（RTS）17接收信號無定時（DCE為源）5允許發送（CTS，或清除發送）18未定義6數傳機（DCE）準備好19（輔信道）請求發送（RTS）7信號地（公共回線）20數據終端準備好8接收線信號檢測21信號質量檢測9（保留供數傳機測試）22振鈴指示10（保留供數傳機測試）23數據信號速率選擇（DTE/DCE為源）11未定義24發送信號無定時（DTE為源）12（輔信道）接收線信號檢測25未定義13（輔信道）允許發送（CTS）外部總線定義：P15RS-232C信號狀態狀態-15V＜V1＜-5V+5V＜V1＜+15V邏輯狀態10信號條件傳號（MARK）空號（SPACE）功能OFFONRS-232C電平轉換及接口電路2）USB串行通信總線（1）具有熱插拔功能（2）USB采用“級聯”方式連接各個外部設備（3）適用于低速外設連接 2000年發布的USB2.0的數據速率可達480Mb/s，最大電纜長度為5米。最新的USB3.0規范已于2008年發布，USB3.0的最大傳輸帶寬高達5.0Gbps。

USB總線更多知識在下學期“數據通信與工業控制網絡”介紹。1.3.3工業控制機的特點(1)可靠性高和可維修性好。(2)環境適應性強。(3)控制的實時性。(4)完善的輸入輸出通道。(5)豐富的軟件。(6)適當的計算機精度和運算速度。1.4

計算機控制系統的發展概況及趨勢(1)開創時期(1955～1962年)：電子管計算機，體積大，主要從事一些操作指導和設定值控制(2)直接數字控制時期(1962～1967年)：英國的帝國化學工業公司的化工過程控制，控制224個變量和129個閥門(3)小型計算機時期(1967～1972年)(4)微型計算機時期(1972年～至今)1.計算機技術的發展過程在生產過程控制中采用數字計算機的思想出現在五十年代中期。2.計算機控制理論的發展過程

計算機控制系統理論主要包括離散系統理論和采樣系統理論。目前仍在發展之中。離散系統理論主要指對離散系統進行分析和設計的各種方法的研究。包括： （1）差分方程及z變換理論 （2）狀態空間理論（常規設計方法，按極點配置的設計方法） （3） 最優設計方法 （4）線性系統理論 （5）系統辨識及自適應控制

……

采樣系統理論

采樣系統理論除了包括離散系統的理論外，還有以下內容：（1）采樣理論-香農采樣定理（2）連續模型及性能指標的離散化（3）性能指標函數的計算（4）采樣控制系統的仿真（simulink）（5）采樣周期的選擇（6）數字信號整量化效應的研究

……補充：計算機控制系統設計的基本內容1、信號采集與描述1)信號轉換理論：香農采樣定理，采樣頻譜分析，采樣信號的回復，采樣系統的結構圖分析，采樣周期的選擇。2)信號的數學模型：離散拉普拉斯變換，z變換。2、系統建模與性能指標分析1)差分方程，z傳遞函數，單位脈沖響應序列，離散狀態空間模型等。2)利用上述模型分析計算機控制系統的穩定性，暫態性能和穩態性能，靈敏性、魯棒性和抗干擾性能。3、控制器設計1)經典控制器的設計方法：以z傳含作為數學模型進行常規設計的各種方法，如最小拍、離散PID、根軌跡、Bode圖設計、解析設計法等。2)復合系統控制器設計方法：串級控制、前饋控制、純滯后補償控制、多變量解耦控制、比值控制、均勻控制、選擇性控制等。3)極點配置設計方法：利用狀態空間模型，按極點配置設計控制規律及設計觀測器。4)最優化設計方法5)先進控制規律的設計方法：系統辨識與自適用控制、魯棒控制、預測控制、容錯控制等。6)智能化設計方法：模糊控制、專家控制、神經網絡控制、分層遞階控制等。參考“計算機控制理論與設計”P64、計算機控制系統的工程實現測量數據的預處理數字信號量化效應分析工程上采樣周期的選擇數字控制器的實現系統抗干擾及可靠性技術1.推廣應用成熟的先進技術

(1)普及應用可編程序控制器(PLC)

利用具有智能I／O模塊的PLC，將順序控制和過程控制結合起來，實現對生產過程的控制。

(2)廣泛使用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異步串行通訊接口，先進的還具有現場總線接口，可與上位機連成主從式測控網絡。（現在的通信接口主要是現場總線接口，工業以太網，無線網絡。）

(3)采用新型的D