【正文】 斷程序、過(guò)程分析程序等； (2)過(guò)程控制計(jì)算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等； (3)公共服務(wù)程序：包括基本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。 1. 系統(tǒng) 軟件 它是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提供的專(zhuān)門(mén)用來(lái)使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。例如，在溫度控制系統(tǒng)中，微機(jī)根據(jù)溫度的誤差計(jì)算出相應(yīng)的控制量，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu) (調(diào)節(jié)閥 )來(lái)控制進(jìn)入加熱爐的煤氣 (或油 )量以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的溫度值。 3．外部設(shè)備 這是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)行信息交換的設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)外設(shè)，包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備 (操作臺(tái) )、輸入輸出設(shè)備 (磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、鍵盤(pán)、打印機(jī)、顯示終端等 )和外存貯器 (磁盤(pán) )。 圖 微機(jī) 控制系統(tǒng)組成框圖 2．輸入輸出通道 這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)行信息交換的橋梁和紐帶。應(yīng)用智能控制技術(shù)和自動(dòng)控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將有力地推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，并提高工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。但過(guò)于復(fù)雜的控制任務(wù)諸如智能機(jī)器人系統(tǒng)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)、環(huán)保及能源系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制理論都無(wú)能為力。隨著要研究的對(duì)象和系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，依賴(lài)于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論難以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，尤其是在具有如下特點(diǎn)的一類(lèi)現(xiàn)代控 制工程中： (1)不確定性的模型：傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，模型包括控制對(duì)象和干擾模型。 3. 研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 經(jīng)典控制理論主要研究的對(duì)象是單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)，它只適用于單輸入單輸出控制系統(tǒng)。目前從單機(jī)自動(dòng)化到工廠自動(dòng)化，從柔性制造系統(tǒng)、機(jī)器人到工業(yè)局部網(wǎng) 絡(luò)都可尋覓到 PLC的蹤影。它用可編程序的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)用戶(hù)的指令，通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入輸出完成 確定的邏輯、順序、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等功能。所以這一時(shí)期也是大量推廣和分級(jí)控制階段。這一時(shí)期為實(shí)用及普及階段。這一時(shí)期主要是計(jì)算機(jī)集中控制，即用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制盡可能多的調(diào)節(jié)回路。雖然每隔二、三年計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制就有一些新發(fā)展，但在 1965 年以前基本上處于單項(xiàng)工程試驗(yàn)階段。 3．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 （ 1）開(kāi)創(chuàng)階段 (1955 年 — 1965 年 ) 1952 年，開(kāi)始把計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，為操作人員提供了對(duì)管理有用的信息。 （ 2）“在線”方 式 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過(guò)程直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”方式或“在線”方式。 圖 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作步驟 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的控制過(guò)程可歸納為以下三個(gè)步驟： (1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖 2．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是在自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。 本門(mén)課學(xué)習(xí)方法：①抓住主要矛盾； ②理論聯(lián)系實(shí)際；③善于運(yùn)用對(duì)比的方法。計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 授課教案 課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)必修課，工程實(shí)用性強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)課程的重要性。 第一章 緒論 第一節(jié) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概論 一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般概念 1．自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)隨控制對(duì)象、控制規(guī)律和所采用的控制器結(jié)構(gòu)不同而有很大的差別，但一般可歸納為兩大類(lèi)，即閉環(huán)控制系 統(tǒng)和開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。將自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，就組成了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 (2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過(guò)程。 (3)“離線”方式 若生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不直接受計(jì)算機(jī)的控制，而是通過(guò)中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機(jī)”方式或“離線”方式。 1954 年用計(jì)算機(jī)構(gòu)成了開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，能夠幫助操作人員對(duì)一部分被控參量進(jìn)行正確調(diào)節(jié)。 （ 2）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期 (1965 年 — 1972 年 ) 在試驗(yàn)階段用于控制的計(jì)算機(jī)基本上還是模擬常規(guī)調(diào)節(jié)儀表所采用的調(diào)節(jié)規(guī)律，只在控制形式上由連續(xù)變?yōu)殡x散，因而調(diào)節(jié)效果得不到明顯改善。在高度集中控制時(shí)，若計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 （ 3）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期 (1972— 現(xiàn)在 ) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微型機(jī)，從而使計(jì)算機(jī)控制技術(shù)進(jìn)入了嶄新的階段。 三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了 計(jì)算機(jī)的可靠性和性能價(jià)格比，從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。某些 PLC還可進(jìn)行 I/O控制，多臺(tái) PLC 之間進(jìn)行通訊與聯(lián)網(wǎng)，因此 PLC 在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。 2. 采用集散控制系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，把微機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入 /輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它為生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型采用傳遞函數(shù)表示，系統(tǒng)的分析和綜合方法主要是基于根軌跡法和頻率法。傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為模型是已知的或經(jīng)過(guò)辨識(shí)可以得到的，對(duì)于不確定性的模型，傳統(tǒng)控制難以滿足要求。 在上述情形下智能控制便應(yīng)運(yùn)而生了。 第二節(jié) 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 一、微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成 圖 給出了微機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖。過(guò)程輸入通道把生產(chǎn)對(duì)象的被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成微機(jī)可以接收的數(shù)字代碼。其中操作臺(tái)應(yīng)具備顯示功能，即根據(jù)操作人員的要求，能立即顯示所要求的 內(nèi)容；還應(yīng)有按鈕，完成系統(tǒng)的啟、停等功能；操作臺(tái)還要保證即使操作錯(cuò)誤也不會(huì)造成惡劣后果，即應(yīng)有保護(hù)功能。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、液動(dòng)和氣動(dòng)等控制形式，也有的采用馬達(dá)、步進(jìn)電機(jī)及可控硅元件等進(jìn)行控制。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)軟件只是作為開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的工具，是不需要自己設(shè)計(jì)的。 三、微型機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)： 1. 控制規(guī)律靈 活多樣，改動(dòng)方便 2. 控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 3. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高 4. 控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度 第三節(jié) 微型機(jī)控制系統(tǒng)的分類(lèi) 一、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對(duì)象，屬于開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)常用在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試階段，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、處理及試驗(yàn)新的數(shù)學(xué)模型，調(diào)試新的控制程序等。在常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)中，控制器一經(jīng)選定，其控制方法也就確定了，要改變控制方法就必須改變硬件，這往往難度較大。 三、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC 系統(tǒng) ) SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)比 DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，因?yàn)樵?DDC 系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，而 SCC 系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等，它是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC 系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。其原理框圖如圖 所示。 4. 設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、維護(hù)簡(jiǎn)便 由于系統(tǒng) 采用模塊式結(jié)構(gòu)，且具有自診斷和錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及維護(hù)都很方便，并能實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律控制。它們的共同特征是幅值離散，可以用一位或多位二進(jìn)制碼表示。為了將外部開(kāi)關(guān)量信號(hào) 輸入到計(jì)算機(jī)，必須將現(xiàn)場(chǎng)輸入的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號(hào)，完成這些功能的電路稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理電路。圖 (b)所示 為 RS觸發(fā)器消除開(kāi)關(guān)兩次反跳抖動(dòng)的方法。此外，利用光電耦合器還可以起到電平轉(zhuǎn)換的作用，如圖 。圖 給出了典型的數(shù)字量輸出通道的結(jié)構(gòu)。圖 。其中圖 (a)為 TTL驅(qū)動(dòng)，圖 (b)為 CMOS 驅(qū)動(dòng)。 圖 無(wú)源 I/V 變換電路圖 對(duì)于 0～ 10mA 輸入信號(hào)，可取 R1=100Ω， R2=500Ω，且 R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流為 0～ 10mA電流時(shí)，輸出的電壓為 0～ 5V。 10PA；靜態(tài)功耗為 1μ W。 3．采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。 采樣保持器 S/H(Sample and Hold)的結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。這就要求選用低介質(zhì)損耗、漏電小的電容器，如聚苯乙烯、聚四 氟乙烯、聚丙烯電容，其容量大小與采樣頻率成反比，一般在幾百 pF 到 F 之間。在信號(hào)變化緩慢、現(xiàn) 場(chǎng)干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，宜采用后者。假定在主程序中已完成對(duì) 8255A的初始化編程，并已裝填了 ES 和 DS，使它們有相同的段基值，系統(tǒng)分配給 8255A 的端口地址為 2C0H～ 2C3H。EOC=1,則等待 NOEOC: IN AL,DX TEST AL,80H JZ NOEOC 。 圖 AD574A 與 PC 總線工業(yè)控制機(jī)接口電路圖 下面給出通過(guò)上述接口啟動(dòng)和讀取 AD574A 數(shù)據(jù)的程序段，假定已完成對(duì) 8255A 的初始化編程 ， 8255A的地址為 2C0H～ 2C3H。查詢(xún) STS狀態(tài) TEST AL,80H JNZ POLLING MOV AL,01H OUT DX,AL NOP MOV AL,05H 。大多數(shù) A/D 芯片屬于后者，這時(shí)要先給出 A/D轉(zhuǎn)換器的片選信號(hào)，再給出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。為此， CPU 一般要通過(guò)并行接口來(lái)對(duì) A/D 芯片發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，或者用 D 觸發(fā)器使啟動(dòng)信號(hào)在 A/D轉(zhuǎn)換期間保持在有效電平。如果用單端輸入的是正向信號(hào)，則把 VIN()接地，信號(hào)加到VIN(+)端；如果用單端輸入的是負(fù)向信號(hào)，則把 VIN(+)接地，信號(hào)加在 VIN()端；如果用差動(dòng)輸入，則模擬信號(hào)加到 VIN()端和 VIN(+)端之間。此外，還有某些 A/D 轉(zhuǎn)換器甚至根本沒(méi)有三態(tài)輸出門(mén)電路。為了得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須解決好啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取結(jié)果數(shù)據(jù)這兩步操作間的時(shí)間配合問(wèn)題。 178。 178。這里主要介紹 A/D 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇。 第三節(jié) 模擬量輸出通道 一、模擬量輸出通道的作用 模擬量輸出通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制輸出的關(guān)鍵，它的任務(wù)是將 CPU 輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以達(dá)到控制的目的。 D/A轉(zhuǎn)換器原理及接口電路見(jiàn)微機(jī)接口課。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用 0～ 10mA 或 4～ 20mA 的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。 三、模擬量輸出通道的設(shè)計(jì) 1. 模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 一個(gè)實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要多路的模擬量輸出，其實(shí)現(xiàn)方法有兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用 D/A 轉(zhuǎn)換器外加運(yùn)算放大器的方法，把 D/A 轉(zhuǎn)換器的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 圖 D/A 轉(zhuǎn)換器的單極性與雙極性輸出電路圖 圖 模擬量輸出的光電隔離示意圖 4. D/A 轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 D/A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過(guò)功率放大器推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （ 1） 外部干擾 外部干擾的主要來(lái)源有：電源電網(wǎng)的波動(dòng)、大型用電設(shè)備 (如天車(chē)、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等 )的啟停、高壓設(shè)備和電磁開(kāi)關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。 (2)靜電耦合 干擾信號(hào)通過(guò)分布電容進(jìn)行傳遞稱(chēng)為靜電耦合。因?yàn)槿魏屋d流導(dǎo)體都會(huì)在周?chē)目臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)又會(huì)在周?chē)拈]合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，所以這種電磁耦合總是存在的，只是程度強(qiáng)弱不同而已。 各種干擾信號(hào)通過(guò)不同的耦合方式進(jìn)入系統(tǒng)后，按照對(duì)系統(tǒng)的作用形式又可分為共模干擾和串模干擾。圖 描述了串模干擾的情況。注意，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系，如圖 所示。 圖 光電隔離圖 3. 浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來(lái)抑制共模干擾。 1. 在輸入回路中接入模擬濾波器 如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來(lái)抑制高頻串模干擾；如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來(lái)抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，應(yīng)采 用帶通濾波器。如果取積分周期等于主要串模干擾的周期或?yàn)橹饕８蓴_周期的整數(shù)倍，則通過(guò)積分比較變換后，對(duì)串模干擾有更好的抑制效果。 采用雙絞線作為信號(hào)引線的目的是減少電磁。如果在傳感器出口處將被測(cè)信號(hào)由電壓轉(zhuǎn)換為電流，以電流形式傳送信號(hào)，將大大提高信噪比，從而提高傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。 當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱(chēng)為入射波；另外，如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的波阻抗不匹配，那么當(dāng)入射波到達(dá)終端時(shí)，便會(huì)引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳 輸線始端時(shí)，如果始端阻抗不匹配，還會(huì)引起新的反射。 圖 測(cè)量傳輸線波阻抗圖 （ 2）終端匹配 最簡(jiǎn)單的終端匹配方法如圖 (a)所示，如果傳輸線的波阻抗是 RP，那么當(dāng) R=RP 時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。 圖 終端匹配圖 （ 3）始端匹配 在傳輸線始端串入電阻 R，如圖 所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。為了阻斷高頻干擾經(jīng)耦合電容傳播，隔離變壓器設(shè)計(jì)為雙屏蔽形式，原副邊繞組分別用屏蔽層屏蔽起來(lái)，兩個(gè)屏蔽層分別接地。一般來(lái)說(shuō)，在低壓大電流場(chǎng)合應(yīng)選用小電