计算机控制技术与网络2010

3.中值滤波 X* ;
X1 , X2 … X* … XN
X* 为 X1 … XN 的中间值 算术平均值滤波 1 N X Y = N i=1 i
∑
4.滑动平均滤波和加权滑动 平均滤波
1 N Y = Ci N i=0
∑
X n-i
加权系数法 设 τ 设为控制对象的纯滞后时间, 则有: δ = 1 + e-τ + e-2τ + e – ( n-1)τ C0= 1/ δ, C1= e-τ/ δ, … C N-1 = e – ( n-1)τ / δ
显示
算
报警
机
2.DDC Direct Digital Control
打印机 CRT 操作台 报警
控制计算机 A/D DI DO D/A
测量
控 制 对 象
执行器
3.SCC Supervisory Computer Control
1. SCC+模拟调节器 调节 测量
记录 显示 打印 工艺 数据 设定值 SSC 计算机
计算机控制技术与网络
南大电子科学与工程系 张保平
课程主要内容
1.计算机控制系统 2.多机通信与网络
参考教材
1、《微型计算机控制技术》 于海生等编 清华大学出版社 2、《单片机原理及接口技术》 李朝青 北京航空航天大学出版社 3、《计算机网路》 刘衍洐等编 科学出版社
概述
计算机控制系统广泛用于工业生产和 科学研究中，一般称为工控机系统。也 称为工业计算机测控系统。 目前大体上有4种基本类型:
I2C总线
I2C总线(Inter－Integrated Circuit)总线是 一种由PHILIPS公司开发 的两线式串行 总线，用于连接微控制器及其外围设备。 I2C总线产生于1980年代，最初为音频 和视频设备开发.
I2C
• I2C总线以两线方式进行多机互连采用“线与”方式, 漏极开路或集电极开路 • 串行数据线 SDA • 串行时钟线 SCL • 通信协议复杂 主要内容: 1. 主从方式, 一次通信总是由主机发起 2.数据传输的起停约定 3.寻址与仲裁, 多主机互连, 总线控制权的申请
232C/422/423电路原理图
TTL RS-232C TTL
TTL
RS-422
TTL
TTL
RS-423
TTL
2.1.4 RS-485多点通信链路
VCC
DATA+
VCC
DATA-
…… 主站 1#从站 N#从站
2.1.5 其它串行设备总线
• I2C总线(Inter-Integrated Circuit)2线 • CAN 总线(Controller area Network)2线 • SPI总线（Serial Peripheral Interface）3 线 • 单总线(1-Wire)
• • • • • • • • 测量算法 控制规律 控制算法 工控机软件结构 人机界面 组态软件设计平台 通信协议 软件可靠性方法
软件部分
多机通信与网络
多机通信与网络
• • • • • • • 多机通信的基础知识与基本概念 共享存储区通信技术 PIO通信法 SIO通信法 OEM 通信技术 普通局网与工业控制局网 集散控制系统通信技术
调节时间 ts
相对误差 △ = 0.02 y∞ 或0.05y∞
峰值时间 tp 反映了系统对输入信号反应的快速性
衰减比 η
η
=
B1 B2
振荡次数 N
反映了控制系统的阻尼特性, 定义为 y(t) 进入 稳态前,穿越的稳态值 y∞ 的次数的一半, 图中为 N = 1.5
稳态误差 ess
ess = y0
y∞
思考题1
1.工控机系统有那些环节组成? 2.IPC工控机有什么特点?它和普通PC机有 何异同点? 3.传感器和变送器有什么区别?
第2章
接口技术与总线规范
2.1 串行通信接口规范 2.1.1 串行通信控制器 作用: 串行通信控制器的作用是实现通信的链路 协议或格式 方式: *同步方式 USART 8250, 8251, SIO *异步方式 UART 8051
模拟 调节器
生 产 过 程
3.SCC
2. SCC+DDC系统
记录 显示 打印
工艺 数据 设定值 SSC 计算机
DDC 计算机
调节
测量
生 产 过 程
4.GCS Grade Control System
企业级经营管理计算机
工厂级监控计算机
Internet
控制计算机
DDC … 输入 输出 测量 …
控制计算机
Σ= 0 k
∞
Z
-k
f (kT)
4)状态空间理论 5)最优控制与随机控制 6)代数系统理论 7)系统辨识与自适应控制
计算机控制系统的发展趋势
1、推广应用成熟的先进技术 PLC, 智能调节器,位总线Bitbus, 现场总线Fieldbus, 以及新型的DCS 2、研发智能控制系统 分级递阶智能控制系统 、模糊控制系统 专家控制系统、学习控制系统、神经网络控制 系统、学习控制系统、神经网络控制系统
计算机控制系统
IPC相关技术
• • • • • • • •
硬件部分
总线规范 如 ISA、EISA、PCI 接口技术 如 RS-232、485、422、USB、现场总线 信号形式 如开关量、数字量、模拟量、频率 系统设计 硬件模块设计 传感器、I/O技术 抗干扰技术 可靠性技术
计算机控制系统
IPC相关技术
1.智能调节器(单/多回路调节器） 2.工控机(工业PC、IPC、微机、单片机) 3.可编程控制器(PLC) 4.集散型控制系统(DCS)
• 工业控制微机IPC应用最为广泛 • 从国内外的计算机测控系统应用来看,在 不同的发展阶段, 曾经流行过不同种类的 工控机, 如在上世纪80-90年代，流行的 STD、680X、CAMAC和VME等。 • 2000年，由IPC构成的计算机测控系统， 市场份额超过80亿美元。 • 与PC兼容，受益与PC丰富的软硬件和人 才资源
同步方式帧格式(面向字符)
SYNC SYNC 报文头 报文 … CRC
异步方式帧格式(面向字符)
1/0 … 1/0
2.1.2 RS-232C接口规范(EIA标准) *接口引脚定义 *电气规范 *信号类型 单端双极性 传输距离和抗干扰能力差,电平漂移 2.1.3RS-422/423 信号类型 双端差分驱动 点对点
校正算法
零点校正、量程校正、非线性校正等
3.2控制算法微分方程
• PID算法，应用最为广泛，最成熟。 • 模拟PID控制算法 • 数字PID控制算法 1 u(t) = KP e(t) + TI
t
1.2、控制系统的组成原理
被控量
控制器
给定量
r
D/A
执行机构
被控对象
y
e A/D 测量变送 生产过程
工控机
1.2控制系统的组成框图
CPU/MEM 内 人-机接口 部
模拟量输入（AI）通道
测量变送
被
模拟量输出（AO）通道
执行机构
控
总
系统支持板 磁盘适配器 线 数字量输入（DI）通道 数字量输出（DO）通道 电气开关
控制系统在给定输入或外界扰动作用下, 过度过程可能有以下4种 情况: A 发散振荡 B衰减振荡 C等幅震荡 D非周期衰减
过度过程曲线
A发散振荡 y(t) t B衰减振荡 y(t) t
C等幅振荡 y(t) t
D非周期衰减 y(t) t
3.1.2控制系统动态指标
y(t) ym B1 y∞ y0 B2
DDC …
输入 输出 测量 …
控制对象
5.DCS Distributed Control System
• 分布式(集散)控制系统, 实际上是网络控 制系统. • DCS的3种常见网络结构类型 星型、环型、总线型
星型 控制站 控 制 站 操作站 控制站 控 制 站
环型 控制站
控 制 站
控制站
控 制 站
典型的I2C总线多机结构
单片机A
A/D D/A
LCD 驱动器
I2BUS
存储器
单片机B
I2C总线数据传输过程
SDA
应答
SCL
开始信号
1~7
8
9
1~7
数据
8
9
ACK
1~7
数据
8
9
结束 ACK
地址 R/W ACK
CAN 总线Controller Area Network • ISO-IS11898国际标准 • 广泛用于车载电子、医疗仪器、安全监 控等高速低成本的多路网络中 • 方便构成多主机分布式网络系统 • 物理层并没有严格定义，只要是互补电 平、差动输入和输出，与485相似 • 传输速率1Mbps（40m） • IC芯片 PCA82C250
бр 超调量 ts 调节时间 △相对误差
△
ess
tp 峰值时间 η 衰减比 N 振荡次数 ess 稳态误差
0
t tp ts
时域指标
• • • • • • • 超调量 бр 调节时间 ts 相对误差 △ 峰值时间 tp 衰减比 η 振荡次数 N 稳态误差 ess
超调量 бр бр
= ym y∞ y∞ 100%
计算机控制理论的发展过程
1)采样定理 奈奎斯特定理指出：时间连续信号转 换成离散信号时，需要在一个周期内的采 样次数多于2次。如果采样次数不够，将 无法恢复丢失的信息 奈奎斯特和香农(Shannon), 1948 取样函数 Sin (t)
Sa(t) = t
取样函数
2)差分方程（代替微分方程）