计算机控制(完整版)

第一章绪论1.计算机控制系统工作原理（图：P2 1-1b）A/D装置将模拟量转换为数字量后送入计算机处理，D/A装置将其转换为模拟量，输送到执行机构。

采样器与保持器等与A/D、D/A一起构成计算机与生产过程中之间的接口。

若被控量不是模拟量而是开关量（数字量），计算机控制系统中也需要用开关量输入输出接口进行信号的传输，而不能将过程与计算机相连。

2.计算机在控制系统中三个基本作用：实时数据处理、实施监督决策、实时控制及输出。

3.计算机控制系统的工作方式：①在线方式与离线方式生产过程和计算机系统直接相连，并接受计算机直接控制称为在线或联机方式；反之，若不相连或虽相连但过程不受计算机控制，而是靠人工进行联系并做相应操作称为离线或脱机方式。

②实时性指信号的输入、计算和输出都必须限制在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息要以足够快的速度进行处理。

4.计算机控制系统组成功能、作用（图：P3 1-2）①主机由CPU、ROM、RAM组成，是计算机控制系统的核心。

②外设常用外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。

③过程输入/输出接口包括模拟量和开关量两大类，是计算机与生产过程之间信息交换的桥梁。

④人机接口设备包括显示器、键盘、专用的操作显示面板或操作显示台等，供操作员与计算机进行信息交换。

⑤通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之间或计算机与设备之间可以进行信息交换。

⑥现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。

前者将生产过程中各种物理量转换成电信号，后者完成计算机输出控制的执行任务。

⑦系统总线分内部总线与外部总线。

内部总线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提供统一的电源；外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数字通信。

⑧系统软件它管理计算机的内存、外设等硬件设备。

⑨应用软件是系统设计人员针对具体生产过程编制的控制和管理程序，是控制计算机在特定环境中完成某种控制功能所必需的软件。

5.计算机控制系统的分类（图：P4~81-3~1-7根据框图说原理）①计算机巡回监测和操作指导系统一种开环系统。

过程参数经测量变送器、过程输出通道，定时送入计算机，计算机进行分析和处理后进行综合，通过显示器或打印机输出操作指导信息。

②计算机直接数字控制系统DDC 计算机通过过程输入通道对多个被控生产过程进行巡回检测，根据给定值、测量值及控制规律计算出控制指令，经过程输出通道（AO或DO）直接控制执行机构，使得各被控参数保持在其给定值附近。

③计算机监督控制系统SCC 通常采用两级控制形式，分处两层的计算机分别称为上位机与下位机。

上位机根据原始的生产工艺数据和现场采集到的工况信息，一方面按照描述被控过程的数学模型和某种最优目标函数，计算出被控过程的最优设定值。

输出给下一级的DDC系统或模拟调节器；另一方面对生产状况进行分析，作出故障的诊断与预报。

④计算机集散控制系统DCS有多个相关联可以共同承担工作的微处理器为核心，一起组成可以运行多项任务的系统，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，实现复杂的控制和优化。

⑤现场总线控制系统FCS 核心是现场总线，与Internet网互联构成不同层次的复杂网络，降低了系统成本，提高了可靠性，且在统一的国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。

⑥工业过程的计算机集成制造系统（流程CIMS）将需要的函数块放在图纸上，然后把它们连接起来，以便处理输入和输出。

过程操作员根据各种动态画面来监视和控制过程。

动态测量值和状态指示则显示了当前的生产情况。

从过程控制器、信息管理站和外部计算机那里获得信息后，操作人员可以进行授权范围内的任意操作。

第二章计算机控制系统基础1.信号形式（图：P13 2-1）连续模拟信号、离散模拟信号、连续数字信号、离散数字信号2.信号采样（图：P14 2-2）把时间和量值上均连续的模拟信号按采样周期T转变位置在瞬时才有脉冲输出信号的过程。

3.信号的保持（图：P15 2-3）保持其的原理是根据现在或过去时刻的采样值，用常数、线性函数和抛物线函数等去逼近两个采样时刻之间的原信号。

零阶保持器是最常用的一种信号保持器。

第三章计算机控制系统基础中的总线技术1.总线标准分为两类：一类是由国际权威机构制定的；另一类是由某厂家设计而广泛流行的。

后者得到业界承认之后，往往也会被权威机构收为标准。

2.内部总线：又称系统总线，即通常说的各种不同标准的计算机总线，用于计算机内部模块（板）之间的通信。

工业过程常用PC总线、STD总线、VME、MULTIBUS总线等。

外部总线：又称通信总线，完成计算机系统之间或计算机与设备之间的通信任务，如IEEE-488总线、RS-232和RS-485等。

3.并行总线：每个信号都有自己独立的信号线，一组信号并行输出，传输快，接口简单，缺点是电缆线数多。

串行总线：所有信号复用一对信号线，并依次按顺序串行输出，电缆线数少，便于远距离传送，缺点是信号传输慢，接口复杂。

4.内部总线通常都是并行总线，外部总线分为并行总线和串行总线两种。

IEEE-488并行，RS-485串行。

5.总线裁决方式①串行链接式总线裁决（图：P37 3-6）各部件的请求信号经一条公共请求线向控制器发出，总线空闲时控制器发出总线可用的响应信号，若部件未发出请求则传送给下一个部件，若部件发出请求则接收可用信号，后发出总先忙信号并开始总线操作，不再向下一个部件传送总线可用信号。

该部件在完成总线操作后将去除总线忙信号，是总线控制重新分配。

②（图P37 3-7）定时查询方式由控制器轮流对各部件进行测试，看是否有总线使用请求。

查询是以计数方式向各部件发出一个计数值，若与之对应的部件发出请求则响应该请求，计数器停止计数，该部件获得使用权，发出总先忙信号并开始总线操作。

结束后去除总线忙信号，释放总线。

③独立请求式总线裁决（图P38 3-8）各部件都有各自的一条总线请求线BRi和一条总线可用信号线BGi，总线忙信号SACK是公共的，各部件独立向控制器发出总线请求，在得到总线可用信号时获得总线使用权，发出总线忙信号并开始操作，结束后释放总线。

第四章计算机的输入输出接口技术1.模拟量输出接口（D/A通道）是实现控制输出的关键，任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以控制调节阀或驱动相应的执行机构，达到计算机控制的目的。

模拟量输出接口一般由接口电路、控制电路、数/模转换器和电压/电流（V/I）变换器等构成。

其核心是数/模转换器，简称DAC。

2.D/A转换器接口的隔离技术（为什么隔离？具体措施？）由于D/A 转换器输出直接与被控对象相连，容易通过公共地线引入干扰，必须采取隔离措施。

【光电耦合器】3.模拟量输入接口的任务是把被控对象的模拟量信号（温度、压力、流量、液位、成分等）转换成计算机可以接收的数字量信号。

一般是由多路模拟切换开关、前置放大器、采样保持器、模/数转换器和控制电路等组成。

4.采用模拟开关实现多道A/D转换（P72图4-26）U2（4051）是CMOS 八选一模拟切换开关，允许最多输入8个模拟信号，接至CH1~CH8，X为公共输出端，哪一个通道的模拟信号与X相连由选择控制线P10、P11、P12决定，它们构成3-8译码电路，当P10、P11、P12三位全为0时，CH1与X相通，全为1时，CH8与X相通等。

U3为一级运放跟随电路，目的是提高模拟信号输入通道的输入阻抗，克服由于模拟开关等引起的输入阻抗不等，可能给系统带来的影响。

后面部分为12位快速A/D。

5.开关量的概念及种类：可以用两种状态来表示的量。

按类型分有电平式（高电平或低电平）和触点式（闭合或断开）两种。

按电源分有源（直接提供高、低电平）和无源（提供物理触点或感应器件）两种。

6.开关量输入接口（DI接口）（P76图4-30）任务是把外界被控对象的开关状态信号或数字信号送至计算机或微处理器。

开关量信号S1~S8用来控制光电耦合器件发光二极管的亮灭，开关闭合二极管亮，否则灭。

通过光电耦合驱动光敏三极管，相应地在该三极管的集电极上送出高电平或低电平。

采用光电隔离后，可以有效地克服输入端引入的外界干扰。

计算机通过有效地址（/CS）和读命令（/RD），将该8位的开关信号读入CPU中。

7.开关量输出接口（DO接口）（P77图4-31）任务是把计算机或微处理器送出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件。

计算机或微处理器通过选择地址有效（/CS）和写有效（/WR）将要输出的开关量信号写入U3（74LS574）数据锁存器中，再经光电耦合器U1、U2（TLP521-4），驱动继电器J1~J4或指示灯LED1~LED4动作。

当输出数字位为“0”状态时，光电耦合器中的发光二极管亮、光敏三极管驱动继电器吸合或指示灯亮；反之，数字位为“1”状态时，发光二极管灭、光敏三极管截止，继电器不吸合或指示灯灭。

8.人机交互接口作用：①键盘最常用的输入设备，是人和计算机的交界处，起着人向计算机传递信息的重要作用，是组成计算机系统必不可少的数据输入设备。

②显示器是人机信息交换的主要窗口，键盘输入的指令、程序和运算结果等都要通过它来显示。

在实际工业控制计算机系统中，一般需要将计算机采集或处理中的信息动态地显示出来③打印机打印生产过程中的各种记录数据和汇总报表供分析、保存；打印事故追忆信息；发生报警时同时启动打印机，将报警信息打印出来供操作人员作事故分析之用。

④其它人机接口鼠标（轨迹球）：图形输入、操作项目选择快捷直观。

触摸屏：附着在显示器表面与之配合使用。

通过触摸产生模拟电信号，经过转换为数字信号由微处理器计算得出触摸点的坐标，从而得到操作者的意图并执行。

第五章计算机控制系统中的数据通信技术1.数据传输方式①基带传输：直接传输基带脉冲信号。

基带信号包含的频率成分范围很宽，不适合远距离传输。

频带传输：对电脉冲信号进行调制再传输。

频率成分窄，可远距离传输。

②（按时空顺序分）串行传输：数据在一个信道上按位依次传输。

并行传输：数据在多个信道上同时传输。

2.通信线路的三种工作方式（P97图5-4）①单工通信：所传送的信息始终朝着一个方向，不进行相反方向传送。

②半双工通信：信息流可在两个方向上传输，但同一时刻只限一个方向传输。

③全双工通信：同时进行双向通信，相当于把两个反向的单工通信方式组合在一起，常用于计算机与计算机之间的通信。

3.多路复用技术①频分多路复用：把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每个小频段可看做一条子信道，相邻频段之间留有一空闲频段，以保证各频段上的数据可靠传输。

②时分多路复用：把信道的传输时间分隔成许多时间段。

多路信号准备传输时，每路信号占用一个指定的时间段，并在此时间段内占用整个信道进行传输。