《微型计算机控制技术》主讲教师： 吴 桂 峰Email ： ydgfwu@sohu.com

扬州大学 能源源动力工程学院

《微型计算机控制技术》课程说明

《微型计算机控制技术》是电气工程及其自动化业的主干专业课之一。2 、前续基础课程

1、课程的性质

. 自动控制理论（经典 /现代）.检测技术与自动化仪表.微机原理（单片机）与接口技术.程序设计技术（汇编、 C/C++/VC 、 VB ）

3 、指定参考书和阅读期刊参考书： . 谢剑英，《微型计算机控制技术》，国防工业出版社 . 何克忠，《计算机控制系统》，清华大学出版社 . 王锦标，《计算机控制系统》，清华大学出版社 . 孙增圻，《计算机控制理论及应用》清华大学出版社阅读期刊： 工业控制机、控制工程、测控技术、电气自动化、自动化仪表、工业仪表与自动化装置，化工自动化及仪表 等等。

第一章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式、工业控制机的组成结构及特点、计算机控制系统的发展概况和趋势； 第二章讨论了输入输出接口与过程通道的硬件和软件设计； 第三章讨论了数字程序控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理和步进电机控制技术（工作原理以及工作方式）； 第四章主要讲解数字控制器的连续化设计技术、数字控制器的离散化设计技术以及相关的各类控制算法，介绍一下常规及复杂控制技术；

主要内容

第五章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；（本科不要求） 第六章讨论了计算机控制系统的应用程序设计与实现技术，重点放在数据处理、数字控制器的工程实现以及软件抗干扰技术； 第七章讨论了分散型测控网络技术，给大家阐述通信网络技术、 DCS 控制技术，介绍一下现场总线技术； 第八章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例； 部分补充内容（要求记笔记）。

第 1 章 绪 论1.1 计算机控制系统概述 几个术语： 自动控制、自动控制系统、计算机。1.1.1 计算机控制系统及其组成 计算机控制系统：就是利用计算机（工业控制计算机）来实现生产过程自动控制的系统。

（ 1 ）闭环控制系统框图

（ 2 ）开环控制系统框图

1. 常规控制系统的一般形式 给定值 控制器 执行机构 被控对象

被控参数

测量元件 变换发送

给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数

2. 计算机控制系统工作原理

用计算机来代替原来的控制器，就构成了计算机控制系统

D\A转换器

A\D转换器

被控对象执行机构被控参数

微处理器

微型计算机

给定信号

（ 1 ）计算机控制系统的工作原理 从本质上看，计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤： ① 实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。 ② 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。 ③ 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

（ 2 ）几个重要概念•在线方式（ on-line ） : 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式；•离线方式 (off-line): 生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。•实时 (real-time) ： 指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。•时间范围 时间范围的大小跟被空对象联系非常的紧密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！

思考题•在线系统是否一定是实时系统？•实时系统是否一定是在线系统？•如何保证系统的实时性？

3. 计算机控制系统的组成 计算机控制系统主要由：工业控制机和生产过程两大部分组成。 工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。 生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。

• 计算机控制系统的组成框图

1.1.2 计算机控制系统的典型型式 1. 按照结构功能分类（课本） 2. 按照控制规律分类 3. 按照控制方式分类

1. 按照功能来分类（课本）（ 1 ）操作指导控制系统

定义：计算机测得的信号数据，根据一定的控制算法，计算出 供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。 优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点：开环控制。由人操作，实时性差，不能控制多个对象。

显示终端

打印机

微

型

机

工

业

对

象

A/D转换器

采样器

测量元件

调节器

（ 2 ）直接数字控制 (DDC)定义：计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。

优点： 能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加于生产过程。缺点：结构复杂，投资高。

管理命令

DDC微型机

报告

人工监管

给定值 测量值

A/D

多路开关

检测元件

D/A

反多路开关

生产过程

（ 3 ）监督控制系统（ SCC ）监督控制 SCC(Supervisory Computer Control) ：计算机根据原始工艺信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况 (如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等 )。从这个角度上说，它的作用是改变给定值，所以又称设定值控制 SPC(Set Point Control) 。

管理命令 报告

人工监管

给定值 测量值

A/D

多路开关

检测元件

生产过程

管理命令 报告

人工监管

给定值 测量值

A/D

多路开关

检测元件

生产过程

DDC

D/A

反多路开关

. .

.

. .

. .

.

优点：计算机坏了，在（ a）中，模拟仪表可以直接控制；在（ b）中， DDC 计算机可以直接控制， SCC 计算机只是采集，优化；这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制，只存在传递设定值的关系。缺点：造价高、效益差，现在已经不用了。

（（ aa）） （（ bb））

采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制。特点：①分散过程控制级：这是最底层，直接和现场控制点打交道；②集中操作控制级：集中在控制室通过显示屏等几种监控、操作③综合信息管理级：实现整个企业的综合信息、管理，主要执行生产管理和经营管理功能，能够提供管理决策信息。

企业级经营管理计算机

工厂级集中控制计算机

车间级监控计算机（SCC） 车间级监控计算机（SCC）

装置控制级（DDC）

装置控制级（DDC）

装置控制级（DDC）

工厂对象A 工厂对象B 工厂对象C 工厂对象D

至其它工厂至其它工厂

装置控制级（DDC）

（ 4 ）分散型控制系统（ DCS ）

（ 5）现场总线控制系统 (FCS) 新一代分布式控制系统，采用“工作站 ---现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正的开放式互连系统结构。主要有五种： CAN总线（ controller area network,控制器局域网络） LONGWORKS 总线 (local operating network 局部操作网络 ) PROFIBUS (process field bus 过程现场总线 ) HATR总线（可寻址远程传感器数据网络） FF总线（基金会现场总线）

2. 按照控制规律分类（ 1 ）数字程序和顺序控制（ 2 ）比例积分微分控制（ PID 控制）（ 3 ）最小拍控制（ 4 ）复杂规律的控制（ 5 ）智能控制 ……

（ 1 ）程序和顺序控制 定义：程序控制是被控制量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制量是时间函数的变化。 顺序控制是程序控制的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制结果的逻辑判断。

（ 2 ）比例积分微分控制（ PID 控制） 定义：调节器的输出是调节器输入的比例、积分和微分的函数。 PID 控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。 PID 控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节器或者数字调节器，多数使用PID调节规律。这同样是我们学习的一个重点内容。

（ 3 ）最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。 最小拍控制是我们本书内容的重点和难点，是直接离散控制系统设计的根本思想！

（ 4）复杂规律的控制 在 PID 控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。 目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。

（ 5）智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即：

人工智能运筹学控制论

3. 按照控制方式分类 按照控制方式的不同，计算机控制系统可分为 :

开环控制系统闭环控制系统

1.2 工业控制机的组成结构及特点 1.2.1 工业控制机的组成 1. 工业控制机的硬件组成 2. 工业控制机的软件组成 1.2.2 工业控制机的总线结构 1.2.3 工业控制机的特点

1.2.1 工业控制机的组成• 组成原理图

1. 工业控制机的硬件组成（ 1 ）主机板 :CPU、 RAM、 ROM等。 作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。（ 2 ）内部总线和外部总线 内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有 IBM PC、 PCI总线和 STD 总线 。 外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。 RS—232C、 USB和 IEEE—488通信总线。 （ 3 ）人—机接口 : 键盘、显示器、打印机。（ 4）磁盘系统：软盘和硬盘。（ 5）通信接口 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口。常用 RS—232C 、 USB和 IEEE—488接口。

(6)系统支持功能 ①监控定时器 (看门狗 -Watchdog) ② 电源掉电检测 ③ 保护重要数据的后备存贮器体 ④实时日历时钟 (7)输入输出通道 工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入 (AI)通道、模拟量输出 (AO)通道、数字量 ( 或开关量 )输入 (DI)通道、数字量 ( 或开关量 )输出 (DO)通道。 它的作用有两个： 其一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码； 其二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。

2. 工业控制机的软件组成(1)系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国 Intel 公司推出的 iRMX86实时多任务操作系统，美国 Ready System 公司推出的嵌入式实时多任务操作系统 VRTX ／OS 。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MS—DOS 和Windows等系统软件。(2) 支持软件 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。(3)应用软件 应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。

1.2.2 工业控制机的总线结构1 ．内部总线 所谓内部总线，就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。常用的有 IBM PC、 PCI 总线和 STD 总线。 2 ．外部总线 所谓外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线，常用的外部总线有 IEEE—488 并行总线、 USB 和 RS—232C 串行总线。

1.2.3 工控机的特点1．可靠性高和可维修性好。2．环境适应性强。3 ．控制的实时性。工业控制机应具有时间驱动 和事件驱动能力。4 ．完善的输入输出通道。5 ．丰富的软件。6 ．适当的计算机精度和运算速度。

1.3 计算机控制系统的发展概况和趋势1.3.1 计算机控制系统的发展概况 1. 计算机控制技术的发展过程 2. 计算机控制理论的发展过程1.3.2 计算机控制系统的发展趋势

1.3.1 计算机控制系统的发展概况

• (1)开创时期 (1955 ～ 1962年 ) • (2) 直接数字控制时期 (1962～ 1967 年 ) • (3) 小型计算机时期 (1967 ～ 1972年 ) • (4)微型计算机时期 (1972年～至今 )

11. 计算机控制技术的发展过程 在生产过程控制中采用数字计算机的思想出现在五十年代中期。

2. 计算机控制理论的发展过程 计算机控制系统理论主要包括离散系统理论和采样系统理论。 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。包括：（ 1 ）差分方程及 z变换理论；（ 2 ）常规设计方法；（ 3 ）按极点配置的设计方法；（ 4）最优设计方法；（ 5）系统辨识及自适应控制。 ……

采样系统理论 采样系统理论除了包括离算系统的理论外，还有以下内容： （ 1 ）采样理论 -香农采样定理。 （ 2 ）连续模型及性能指标的离散化。 （ 3 ）性能指标函数的计算。 （ 4）采样控制系统的仿真。 （ 5）采样周期的选择。 （ 6）数字信号整量化效应的研究。

1.3.2 计算机控制系统的发展趋势1．推广应用成熟的先进技术 (1)普及应用可编程序控制器 (PLC) 利用具有智能 I ／ O模块的 PLC ，将顺序控制和过程控制结合起来，实现对生产过程的控制。 (2) 广泛使用智能调节器 (SLC) 智能调节器不仅可以接受 4～ 20mA电流信号，还具有RS—232或RS—422／ 485异步串行通讯接口，可与上位机连成主从式测控网络。 (3)采用新型的 DCS 和 FCS 发展以以太网、现场总线 (Fieldbus)技术等先进网络通讯技术为基础的 DCS 和 FCS 控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现 CIMS或 CIPS 。

2 ．大力研究和发展智能控制系统 (1) 分级递阶智能控制系统 (2)模糊控制系统（基于模糊集合理论） (3)专家控制系统（基于知识的系统） (4)学习控制系统（学习是控制经验的积累） (5)神经控制系统（基于人工神经网络的控制）3．未来发展 Process (Plant) knowledge Measurement knowledge Computer knowledge Control theory.

作业：P17 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5