《机电一体化技术基础》教案56文档格式.docx
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掌握计算机控制系统的组成和计算机在控制中的应用方式
教学重点
计算机控制系统的组成
教学难点
计算机在控制中的应用方式
更新、补充、删节内容
无。
课外作业
2条．
教学后记
授课主要内容或板书设计
将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，
计算机硬件的主要组成：
由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，
操作台是人—机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；
通用外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。
Ｉ／Ｏ接口与Ｉ／Ｏ通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的Ｉ／Ｏ接口有并行接口和串行接口。
传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。
计算机软件
系统软件。
应用软件。
根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：
操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。
教学
程序
教学内容
教学手段与方法
导入
新授
小结
作业
在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务。
在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过Ａ／Ｄ转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。
学习任务一 了解计算机控制系统
计算机控制系统的组成：
将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机控制系统，如图５－４所示。
因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统。
当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如ＰＩＤ运算），计算结果（数字信号）再经过Ｄ／Ａ转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。
典型的机电一体化控制系统结构可用图５－５来示意，它可分为硬件和软件两大部分。
硬件是指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以Ａ／Ｄ转换和Ｄ／Ａ转换为核心的模拟量Ｉ／Ｏ通道、数字量Ｉ／Ｏ通道以及各种显示、记录设备、运行操作台等。
由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。
计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。
操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或ＣＲＴ显示器等。
它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。
常用的有打印机、记录仪、图形显示器（ＣＲＴ）、软盘、硬盘及外存储器等。
Ｉ／Ｏ通道有模拟量Ｉ／Ｏ通道和数字量Ｉ／Ｏ通道。
其中模拟量Ｉ／Ｏ通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；
另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。
数字量通道的作用是，除完成编码数字输入／输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。
变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号（如０～１０ｍＡＤＣ）。
此外，为了控制生产过程，还需有执行机构。
常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等。
软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序。
整个系统在软件指挥下协调工作。
从功能区分，软件可分为系统软件和应用软件。
系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。
常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。
应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，控制量计算程序，生产过程监控程序等。
通常是由用户或者用户委托专业人员根据需要自行编制的。
在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。
操作指导控制系统
如图５－６所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象的。
计算机只是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作方案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输出的控制量执行相应的操作。
操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。
由于最终需人工操作,故不适用于快速过程的控制。
计算机操作指导控制系统应用如图５－７所示，为某数控机床加工工件示意图，操作人员根据被加工工件的尺寸设定好加工参数后，机床开始对工件进行加工。
整个加工过程由机床控制器进行控制，加工完成后操作人员需要对工件进行尺寸的测量以便调整加工精度。
直接数字控制系统
直接数字控制ＤＤＣ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌ）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式，其结构如图５－８所示。
计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。
在ＤＤＣ系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的ＰＩＤ（比例、积分、微分）调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。
如图５－９所示液体混合控制系统，ＰＬＣ控制阀门Ａ和阀门Ｂ的打开及关断，当液体混合水箱中达到位置ＳＡ２时，ＰＬＣ输入端收到ＳＡ２传感器信号，通过ＰＬＣ内部程序，输出端导致阀门Ａ和阀门Ｂ的关断，物料Ａ和物料Ｂ停止流入。
监督计算机控制系统（ＳＣＣ）
在监督计算机控制（ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙＣｏｍｐｕｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）系统中计算机根据工艺参数和过程参量检测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者ＤＤＣ计算机，最后由模拟调节器或ＤＤＣ计算机控制生产过程。
ＳＣＣ系统有两种类型，一种是ＳＣＣ＋模拟调节器，另一种是ＳＣＣ＋ＤＤＣ控制系统。
监督计算机控制系统构成示意图如图５－１０所示。
ＳＣＣ＋模拟调节器的控制系统。
这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。
当ＳＣＣ计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务。
ＳＣＣ＋ＤＤＣ的控制系统。
这是一种二级控制系统，ＳＣＣ可采用较高档的计算机，它与ＤＤＣ之间通过接口进行信息交换。
ＳＣＣ计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给ＤＤＣ计算机执行控制。
通常在ＳＣＣ系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。
由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。
因此，ＳＣＣ能进行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。
ＳＣＣ系统的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且其工作可靠性较高，当ＳＣＣ出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。
分级计算机控制系统
生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。
同时，设备一般分布在不同的区域，其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。
这种系统的特点是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。
图５－１１是一个四级计算机控制系统。
其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；
车间管理级负责本车间各设备间的协调管理；
工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备品备件等；
企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业（公司）经营方向的决策等。
1、计算机控制系统的组成
2、计算机硬件的主要组成
3、传感器的主要功能是将被检测的非电学量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等。
4、计算机软件
5、计算机在控制中的应用方式
2、计算机在控制中的应用方式
多媒体
讲解
22
讲授
学习任务二 学习计算机控制系统的接口
掌握接口方式的分类及机电一体化系统对接口的要求
接口方式的分类及
机电一体化系统对接口的要求
接口，就是用于完成计算机主机系统与外部设备之间，不同制式、不同类型的信息交换的设备。
接口有通用和专用之分，外部信息的不同，
所采用的接口方式也不同，一般可分为如下几种：
人机通道及接口技术：
检测通道及接口技术：
控制通道及接口技术：
系统间通道及接口技术：
机电一体化系统对接口的要求是：
能够输入有关的状态信息，并能够可靠地传送相应的控制信息；
能够进行信息转换，以满足系统对输入与输出的要求；
具有较强的阻断干扰信号的能力，以提高系统工作的可靠性。
１.并行、串行Ｉ／Ｏ接口数据传送方式
所谓Ｉ／Ｏ接口也就是输入／输出接口。
根据信号传输方式的不同，一般可分为并行和串行两种方式。
（１）并行接口
（２）串行接口
图５－１２是一种以ＭＣＳ５１单片机为主控器，以ＡＤＣ０８０９为核心，以气压、油压、温度、霍尔元件等传感器为主要外围元件的车用数字仪表（ＶＤＩ）的框图。
该汽车仪表系统具有显示直观、准确，使用方便可靠等优点。
从图５－１２中可以看出，源自气压、油压等模拟传感器信号要传入计算机，必须经过一个型号为ＡＤＣ０８０９的模／数接口才可以实现。
这个ＡＤＣ０８０９就是计算机接口的一种。
接口有通用和专用之分，外部信息的不同，所采用的接口方式也不同，一般可分为如下几种。
键盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术、软磁盘接口技术等。
Ａ／Ｄ转换接口技术，Ｖ／Ｆ转换接口技术等。
Ｆ／Ｖ转换接口技术，Ｄ／Ａ转换接口技术，光电隔离接口技术，开关接口技术等。
公用ＲＡＭ区接口技术，串行口技术等。
并行接口中各位数据都是并行传送的，它通常是以字节（８位）或字（１６位）为单位进行数据传输，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。
从最简单的一个并行数据寄存器或专用接口集成电路芯片如８２５５、６８２０等，一直至较复杂的ＳＣＳＩ或ＩＤＥ并行接口，种类有数十种。
通常所说的并行接口一般称为Ｃｅｎｔｒｏｎｉｃｓ接口，也称ＩＥＥＥ１２８４标准。
由于数据并行传输，所以，相比串行接口，传输速度快，比较适合于短距离、高速数据传输的场合，实现更高速的双向
通信。
当传输距离较远、位数又多时，并行接口就导致通信线路复杂且成本提高
如图５－１３所示的就是各类并行接口及并行电缆，传输的是数字量和开关量。
串行接口是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式称为串行通信。
串行通信的特点是：
数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；
成本低但传送速度慢。
串行通信的距离可以从几米到几千米；
根据信息的传送方向，串行通信可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。
串行接口按电气标准及协议来分包括ＲＳ－２３２－Ｃ、ＲＳ－４２２、ＲＳ－４８５等。
其中，ＲＳ－４２２与ＲＳ－４８５标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。
图５－１４为ＲＳ－２３２接口。
２.数／模（Ｄ／Ａ）转换和模／数（Ａ／Ｄ）转换接口
（１）数／模（Ｄ／Ａ）转换器
Ｄ／Ａ转换器是指将数字量转换成模拟量的电路，其主要作用是将计算机需要输出的数字量转换成电压，以便再转换成适合外围设备的模拟物理量。
它由权电阻网络、参考电压、电子开关等组成。
如图５－１５所示为ＤＡＣ０８３２Ｄ／Ａ转换器的电路框图。
如图５－１６所示，三菱ＦＸ３ＵＰＬＣ中的ＦＸ－３Ｕ－ＡＤＰ模块可以进行Ｄ／Ａ转换，如自来水供水系统中要根据用户水压，Ｄ／Ａ模块将外部压力传感器测得的压力经内部计算后转换成模拟量电压后传送给变频器，变频器控制的供水泵进行不同频率段的工作从而有效地供水。
（２）模／数（Ａ／Ｄ）转换接口
Ａ／Ｄ转换器是将外围设备转换的模拟电压，转换成数字量的器件，它的实现方法有多种，常用的有逐次逼近法、双积分法。
图５－１７所示为Ａ／Ｄ转换器ＡＤＣ０８０９的框图。
如图５－１６所示，ＦＸ－３Ｕ－ＡＤＰ模块同样也可以进行Ａ／Ｄ转换，如货物码垛传输过程中，称重台传感器根据测得的质量经过Ａ／Ｄ转换后，可以转换成相应的数字量，从而将货物运送到对应的码垛位置。
1、接口方式不同的分类
2、机电一体化系统对接口的要求
3、根据信号传输方式的不同的分类
1、接口方式不同的分类
23
学习任务三 了解工业常用控制计算机
掌握工控机与普通计算机的区别及常用工控机的使用
工控机与普通计算机的区别
常用工控机的使用
1.工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的设备总称，简称“工控机”。
包括计算机和过程输入、输出通道两部分。
它具有重要的计算机属性和特征，
2.工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。
①机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。
②机箱内有专用底板，底板上有ＰＣＩ和ＩＳＡ插槽。
③机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。
④要求具有连续长时间工作能力。
⑤一般采用便于安装的标准机箱（４Ｕ标准机箱较为常见）。
３.常用工业控制机简介
（１）工业电脑ＩＰＣ
（２）可编程序控制器ＰＬＣ
（３）单片微计算机及嵌入式系统
（４）分散型控制系统（ＤＣＳ）
（５）数控系统（ＣＮＣ）
４.工业控制计算机的总线
（１）什么是总线
（２）ＳＴＤ总线简述
（３）总线式工业控制机
（４）现场总线控制系统
早在２０世纪８０年代初期，美国ＡＤ公司就推出了类似ＩＰＣ的ＭＡＣ－１５０工控机，随后美国ＩＢＭ公司正式推出工业个人计算机ＩＢＭ７５３２。
由于ＩＰＣ的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。
现在国内品牌主要有研华、研祥ＥＶＯＣ等。
工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
它具有重要的计算机属性和特征，如：
具有计算机ＣＰＵ、硬盘、内存、外设及接口、并有实时的操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面等。
目前工控机的主要类别有：
ＩＰＣ（ＰＣ总线工业电脑）、ＰＬＣ（可编程控制系统）、ＤＣＳ（分散型控制系统）、ＦＣＳ（现场总线系统）及ＣＮＣ（数控系统）五种。
工控机通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。
因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点。
注：
除了以上的特点外，其余基本相同。
另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。
目前工控机的劣势：
尽管工控机与普通的商用计算机相比，具有得天独厚的优势，但其劣势也是非常明显的———数据处理能力差，具体为：
配置硬盘容量小；
数据安全性低；
存储选择性小；
价格较高。
ＩＰＣ（ＩｎｄｕｓｔｒｙＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）即基于ＰＣ总线的工业电脑，如图５－１８所示。
据２０００年ＩＤＣ统计目前ＰＣ机已占到通用计算机的９５％以上，因其价格低、质量高、产量大、软／硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑热的基础。
其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如ＣＰＵ卡、Ｉ／Ｏ卡等。
并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及ＥＭＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高／低温等问题。
ＩＰＣ的特点：
可靠性，工业ＰＣ具有在粉尘、烟雾、高／低温、潮湿、震动、腐蚀条件下工作，快速诊断和可维护性，其ＭＴＴＲ（ＭｅａｎＴｉｍｅｔｏＲｅｐａｉｒ）一般为５ｍｉｎ，ＭＴＴＦ１０万小时以上，而普通ＰＣ的ＭＴＴＦ仅为１００００～１５０００小时。
实时性，工业ＰＣ对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通ＰＣ所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。
扩充性，工业ＰＣ由于采用底板＋ＣＰＵ卡结构，因而具有很强的输入／输出功能，最多可扩充２０个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡，如与道控制器、视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。
兼容性，能同时利用ＩＳＡ与ＰＣＩ及ＰＩＣＭＧ资源，并支持各种操作系统，多种汇编语言，多任务操作系统。
ＰＬＣ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，可编程序逻辑控制器）是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的自动控制系统。
ＰＬＣ自２０世纪６０年代由美国推出以取代传统继电器控制装置以来，得到了快速发展，在工业控制领域得到了广泛应用。
图５－１９所示为不同的ＰＬＣ实物和ＰＬＣ控制系统。
图５－２０是ＰＬＣ应用于
升级会员 