第一章 微型计算机控制系统概述
第1章 微型计算机系统概述
【学习目标】 了解微型计算机的发展。 了解微型计算机的特点。 认识微型计算机系统的组成。 了解微型计算机的主要性能指标。
1.1 微型计算机概况
世界上第一台电子计算机早在1946年就诞生了，然而微 型计算机在1971年才问世，它具有众多优点，其应用更 加广泛。微型计算机（见图1-1）具有体积小、重量轻、 耗电少、性价比最优、可靠性高、结构灵活等特点，其 应用深入到社会生活中的各个领域，并取得了飞速的发 展。计算机不仅能够完成数学运算，而且还可以进行逻 辑运算，同时还具有推理判断的能力。因此，人们又称 它为电脑。现在，科学家们正在研究具有思维能力的智 能计算机。随着科学技术的发展，人们对计算机的认识 也在不断地深入
操作系统方面
主流的操作系统有Linux、UNIX （System Ⅴ、UNIX BSD、SCO UNIX、 Solaris等）、Windows系列（现在主要有 Windows 98、Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003、 Windows CE等）等。
图1-1 现代微型计算机
1.1.1 微型计算机的发展
现将有关计算机中央处理器（CPU）的一些基本概念介绍 如下： 中央处理器（CPU）是指把运算和控制功能集成在一起的 那块芯片，这块芯片俗称主机。 微型计算机系统是由中央处理器（CPU）配上一定容量的 存储器（或内存）、接口电路以及必要的外部设备组成。 单板机是指把CPU、一定数量的存储器芯片和I/O接口芯 片装在一块印刷电路板上，并在该板上配以具有一定功能的 输入、输出设备。 单片机是指把CPU、一定容量的存储器和必要的I/O接口 电路集成在一个硅片上。有的单片机还包括模数（A/D）和 数模（D/A）转换器。
微型计算机控制系统的组成
硬件组成
（1）微型计算机 ） （2）外部设备 ） （3）输入输出通道 ） （4）操作台 ）
第一章 绪论
2．计算机控制系统的软件 ．
软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。 软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和。 它是微型计算机控制系统的神经中枢， 它是微型计算机控制系统的神经中枢，整个系统 的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。 的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的。软 件通常分为两大类：一类是系统软件， 件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是 应用软件。 应用软件。
给定信号 控制器 执行机构 被控对象 被控参数
变换发送单元
测量元件
图1-1 闭环控制系统框图
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第一章 绪论
中给出了开环控制系统框图。 图 1-2中给出了开环控制系统框图 。 它与闭环控 中给出了开环控制系统框图 制系统不同， 制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控 制被控对象工作。 制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对 控制量不产生影响。与闭环控制系统相比， 控制量不产生影响。与闭环控制系统相比，它的 控制性能较差。 控制性能较差。
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第一章 绪论
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第一章 绪论
2．采用新型的控制系统（集散控制系统） ．采用新型的控制系统（集散控制系统）
集散控制系统是分散型综合控制系统（ 集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems） 或 分 散 型 微 处 理 器 控 制 系 统 ） （Distributed Microprocessor Control Systems）的简称。 ）的简称。 是集散控制系统的组成框图。 图 1-10是集散控制系统的组成框图 。 它以微型计算机为 是集散控制系统的组成框图 核心， 把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、 核心 ， 把微型机 、 工业控制计算机 、 数据通信系统 、 显 示操作装置、 输出通道、 示操作装置、输入 /输出通道、模拟仪表等有机地结合起 输出通道 采用组合组装式结构组成系统， 来 ， 采用组合组装式结构组成系统 ， 为实现工程大系统 的综合自动化创造了条件。 的综合自动化创造了条件。
微机控制系统概述
7
操作台
是人一机对话的联系纽带。通过它人们可以向计算机输 人程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种 操作命令等。它主要由以下四个部分组成： 1．作用开关：如电源开关，数据及地址选择开关以及操 作方式（如自动一手动）选择开关等。作用开关可通过 接口与主机相连。 2．功能键：通过各种功能键向主机申请中断服务，如常 用的复位键、启动键、打印键、显示键等等。此外，面 板上还有工作方式选择键，如连续工作方式或单步工作 方式。 3．数据键：用来送入数据或修改控制系统的参数。 4．LED数码管、CRT、LCD显示：用来显示被测参数。 CRT、LCD显示的应用越来越普遍，它不但可以显示数 据表格，而且能够显示被控系统的流程总图，棒状指示 图、开关状态图、时序图、变量变化趋势图、调节回路 指示图、表格式显示，以及报警、索引等。
9
输入输出接口与过程通道
在微型机控制系统与智能化仪器中，被测物理量，如温度、压力、流 量、电压、电流、物位、成分、位移、速度等都是模拟量，而计算机 只能接收数字量，所以在上述系统中，必须首先把传感器(有时需要 通过变送器)输出的模拟量转换成数字量，即经模数转换器(简称A／D 转换器)进行转换，然后再送到计算机进行数据处理，以便实现控制 或进行显示。 同理，经计算机处理后的数字量输出，不能直接用于控制执行机 构。这是由于大多数执行机构，如电动执行机构、气动执行机构以及 直流电动机等，只能接收模拟量。为此，还必须把数字量变成模拟 量，即完成数模转换(简称D／A转换)。
6
检测元件及执行机构
在微机控制系统中，为了对生产过程进行控制， 首先必须对各种数据进行采集，通过检测元件， 即传感器，把非电量参数转换成电量，将强电量 转换成弱电信号，这些信号经变送器转换成统一 的标准信号（0－5V或4－20mA）后，再送入微 型机。因此，检测元件精度的高低，直接影响微 型机控制系统的精度。 执行机构的作用是控制各参数的流入量，执行机 构有电动、气动、液压传动等，也有的采用马达、 步进电机以及可控硅元件等进行控制。
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
第一章 计算机控制系统概述
第一章计算机控制系统概述§1．1概述随着科学技术的进步，人们越来越多地用计算机来实现控制系统。
近几年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感技术、CRT显示技术、通信与网络技术、微电子技术的高速发展，促进了计算机控制技术水平的提高。
本章主要介绍计算机控制系统及其组成、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。
1．1．1计算机控制技术研究的内容及特点1、研究的内容：主要研究控制理论、计算机技术（软、硬件技术）、网络通信技术、测量技术、信号处理技术等在微机控制中的应用、以及微机的控制方法及其应用。
2、主要的特点：1）理论性强：应用各种控制理论、信号处理理论等2）综合性强：应用有控制理论、计算机硬件技术、编程技术、网络技术、测量技术、信号处理技术、电子技术等3）实践性强：所有设计、计算必须要反复进行实验；在实践中积累了大量的经验方法、经验数据等4）理论与实践相结合5）实用性强6）应用广泛等1．1．2计算机控制技术这门课所应用到的技术：计算机技术、自动控制技术、微电子技术、信息处理技术、检测与传感技术、通信与网络技术、CRT显示技术等等1．1．3计算机控制技术的现状与发展趋势计算机控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分1．1．4目前，计算机控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。
一、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二、PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展三、面向测控管一体化设计的DCS系统四、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展五、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展六、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展七、工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八、工业控制软件正向先进控制方向发展► 1.2. 计算机控制系统的组成► 1.3 计算机控制系统分类► 1.4 计算机控制系统中的计算机► 1.5 微型计算机控制系统的发展趋势§1.2 计算机控制系统的组成★自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。
第一章 微型计算机系统概述(戴梅萼)
1、3 微处理器、微型计算机微型计算机系统
算术逻辑部件 累加器、寄存器 控制部件 内部总线 存储器（ROM、RAM） 输入输出接口 系统总线 外围设备 系统软件 微 处 理 器
微 型 计 算 机
微 型 计 算 机 系 统
1、4 微型计算机的应用
1、科学计算和科学研究
计算机主要应用于解决科学研究和工程技术中所提出 的数学问题（数值计算）。 2、信息处理 （数据处理） 主要是利用计算机的速度快和精度高的特点来对数字 信息进行加工。 3、工业过程控制
用微型计算机实现工业生产控制。
4、计算机辅助系统 计算机辅助系统主要有计算机辅助教（CAI）、计算 机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算 机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系 统。 5、人工智能 人工智能主要就是研究解释和模拟人类智能、智能行 为及其规律的一门学科，包括智能机器人，模拟人的 思维过程，计算机学习等等。其主要任务是建立智能 信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智 能行为的计算系统。
1、3、3 微型计算机系统的组成 一个微型计算机系统包括硬件系统和软件系统。硬件和 软件的结合，才能使计算机正常工作运行。
计算机硬件系统是一个为执行程序建立物质基础的物理 装置，称为硬件或裸机。
计算机软件系统指为运行、管理、应用、维护计算机所 编制的所有程序及文档的总和。
依据功能的不同，软件分为系统软件和应用软件两大类。
1、3、1 微处理器
微处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
• 必须具备功能： *可以进行算术和逻辑运算 *可保存少量的数据 *能对指令进行译码并执行 *能和存储器及外设交换数据 *能提供系统所需的定时和控制 *可以相应其它部件发来的中断请求
第一章微型计算机系统概述
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。
《计算机控制技术》课程教学大纲
计算机控制技术课程教学大纲Techno1ogyofMicrocomputercontro1学时数：40其中：实验学时：0课外学时：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业或其它相关专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化类各专业的“主干专业课程”，属工程技术类课程。
通过本课程的学习，使学生了解和掌握以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识，以及基本的应用技术。
并具备独立设计计算机控制系统的能力，为今后从事工业自动化方面的工作打下一个基础。
二、课程教学的基本要求（一）熟练掌握计算机控制系统的组成与接口技术；（二）掌握和理解计算机控制系统的常用控制算法；（H）熟练掌握计算机控制系统的设计方法和实现过程；（四）了解计算机控制技术的发展趋势及前沿课题。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章微型计算机控制系统概述（4学时）基本内容：计算机控制系统的概念、组成，计算机控制系统的分类以及发展。
基本要求：1、熟悉微机控制系统的组成（硬件结构和软件组成）。
2、了解微机控制技术的发展趋势。
重点：计算机控制系统的发展概况。
难点：计算机控制系统的分类。
第二章计算机控制系统的过程通道接口技术（6学时）基本内容：数字量输入、输出通道的设计，模拟量输入通道的设计，模拟量输出通道的设计。
基本要求：1、掌握模拟量输入、输出通道的设计。
2、掌握数字量输入、输出通道的设计。
3、了解过程通道的结构形式。
能够根据控制系统要求选择输入输出通道中所用到的各种器件，掌握工作原理和使用方法。
能正确地绘制出系统的硬件电路原理图。
重点：采样/保持器、D/A转换器、A/D转换器接口设计难点：采样定理与数据采集第三章人机交互接口技术（4学时）基本内容：人机交互输入接口技术，人机交互输出接口技术。
基本要求：1、掌握常用键盘和常用1ED显示器的工作原理及接口设计方法。
2、能够根据控制系统要求正确的设计出键盘和显示器的接口电路，以及接口程序设计。
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操作指导控制系统--是基于数据采集系统的一 种开环结构。计算机根据采集到的数据以及工艺 要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件， 并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出 来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或 操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于 模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。 OGC系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。 缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时 控制多个回路。
★ 主机（单片机、CPU）
中央处理器（CPU）
内存储器(RAM和ROM)
★接口电路: 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁
★过程输入/输出通道（计算机和控制过
程之间信息传递和变换的连接通道）
★外部设备
输入设备
输出设备
外存储器
模拟量输入通道AI
模拟量输出通道AO
开关量输入通道DI 开关量输出通道DO
计算机控制系统的工作原理
a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬 时值进行采集和输入 ；
b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比 较和处理，按一定的控制规 律运算，进行控制决策；
c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器 发出控制信号，完成监控任 务；
在线方式和离线方式
★ 在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受 计算机控制的方式。
▪ 计算机控制系统原理组成—用控制计算机 代替图1-1的控制器，如图1-2所示；
闭环控制系统
f 干扰
r+ e 给定值 _ 偏差
控制器
z 测量值
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
测量变送器
图1-1(a) 闭环控制系统
闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行 检测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到 控制器中，控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入， 并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作， 执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪趋近给定值， 从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭合 回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。
计算机闭环控制系统原理组成
控制计算机
生产过程
r+ e
给定值 - 偏差
计算机
u
q
y
D/A
执行器
被控对象
控制
操纵
被控量
作用
变量
z
A/D
测量变送器
测量值
计算机闭环控制图1系-图3 1统-计 2算 的计机算原控机制控理系 制统 组系原 统成理 原框 理-图 -图是把图1-1中的控制器 用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A （数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传 递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换 器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器 将数字量转换为模拟量作为其输出信号。
★ 离线方式或脱机方式：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作相应操作的方式。
实时的含义
★ 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范 围内完成。 ★ 实时控制系统必定是在线系统。
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1.1 微型计算机控制系统的组成
显示终端 磁盘驱动器
软件
微 型 计 算 机
第一章 微型计算机控制系 统概述
本章主要内容
▪ 引言 ▪ 1.1 微机控制系统的组成 ▪ 1.2 微机控制系统的分类 ▪ 1.3 微机控制系统的发展概况及趋势
引言
计算机控制技术--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的 一门综合性学问，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运 动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其 重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术 又是一个主要的实现手段。本书立足于工业自动化的领域，讨 论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成、相关 技术及其工程应用。下图为一个制药车间的自动化生产流程。
★ 操作台
（CRT）显示器或(LED)数码显示器
键盘（功能键和数字键）
计算机控制系统的软件组成
软件是指能完成各种功能的计算机程序的总 和。它是微型计算机控制系统的神经中枢， 整个系统的工作都是在程序的指挥下进行 协调工作的。软件通常分为两大类：一类 是系统软件，另一类是应用软件。
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软件部分：
数据管理程序
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1.2 微机控制系统的分类
➢操作指导控制系统（ODC） ➢直接数字控制系统（DDC） ➢计算机监督系统（SCC） ➢分级计算机控制系统（DCS） ➢现场总线控制系统（FCS）
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操作指导控制系统
优点：结构简单，控制灵活和安全。 缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
开环控制系统
r
给定值
控制器
u
控制作用
执行器
q
操纵变量
被控对象
y
被控量
(b) 开环控制系统
开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控 对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动 执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单 方向的。开环控制系统不能自动消除被控量与给定 值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。
自动控制：在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过 程自动地按照预定的规律运行。
计算机控制系统 ： 利用计算机来实现生产过程自动控制的系 统。
计算机控制系统概念
▪ 计算机控制系统是由常规仪表控制系统演 变而来的;
▪ 常规仪表组成的自动控制系统根据不同的 控制要求，一般分成闭环控制(图1-1a所示) 与开环控制(图1-1b所示)两种结构形式;
接口
A\D
多路开关
变送器 传感器
接口
D\A
反多路开关
执行机构
生
产
对
接口
开关量输入
象
打印机
接口
实时 操作 时钟 台
开关量输出
通用外部设备 主机及操作台 接口
外部通道
检测及变送 控制对象
图1-3 微型计算机控制系统原理图 微机控制系统的组成：微型计算机、接口电路、外部通用设
备和工业生产对象等组成。
计算机控制系统的硬件组成
系统软件
操作系统
语言加工系统
编 编 连辑 译 接程 程、序 序装配程序
诊断系统
调 子试 程程 序序 库
软件
应用软件
控制程序
数据可靠性检查程序
数据采集及处理程序 A数／字D滤转波换程及序采样程序
线性化处理程序
数据采集程序
巡回检测程序 越