第2章 微机控制系统概述 本章主要介绍微机控制系统的优点、组成、分类及其发展趋势

2.1微机控制系统 一、优点 二、组成 2. 实现用传统方法难以完成的控制规律； 3. 降低原料和能源消耗，减少成本； 1.  帮助操作人员选择最优工艺和最佳操作参数； 2.  实现用传统方法难以完成的控制规律； 3.  降低原料和能源消耗，减少成本； 4.  提高产品的产量和质量。   二、组成 由微机和其他工业生产对象两大部分组成，包括硬件和软件。 微机控制系统本身是通过各种接口和外部设备与生产过程发生关系，并对生产过程进行数据处理及控制的。 （一）硬件 硬件是由主机、接口电路及外部设备组成：

1. 主机（CPU）：通过接口可向系统的各个部分发出各种控制命令，同时对系统的各参数进行巡回检测、数据处理以及完成控制计算、报警处理、逻辑判断等； 2. 接口与输入输出通道：是主机与控对象进行信息交换的纽带； 3. 通用外部设备：是为了扩大主机功能而设置的，用来显示、打印、存储及传递数据等； 4. 检测元件及仪表.    5. 操作台：是人-机对话的纽带，通过它人们可以向计算机输入程序，修改内存的数据，显示被测参数以及发出各种操作指令等： （1）作用开关：如电源开关、数据和地址选择开关以及操作方式选择开关等； （2） 功能键：目的是通过功能键向主机申请中断服务，如复位键、启动键、打印键、显示键等；

（3）LED数码管及CRT显示：显示被测参数及操作人员所感兴趣的内容，如被控系统的流程图、开关状态图、时序图、表格式显示 以及报警索引等； （4）数据键：用来送入数据或修改被控系统的参数。 （二）软件 指完成各种功能的计算机程序的总和，如操作、管理、监控和自诊断等。 软件是计算机系统的神经中枢，从功能上可分为： 1.系统软件：由微机设计者提供，专门用来使用和管理计算机本身 的程序； 2.  应用软件：面向用户本身的程序，主要内容包括： （1）过程监测：巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序；

（2）过程控制计算： 控制算法程序：PID算法、模糊控制算法、最优化控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辨识及其它； 事故处理程序 信息管理程序：信息生成调度、文件管理、输出、显示、打印； （3）公共服务程序：基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、 格式编码程序。 3.数据库及数据库管理系统： 建立存放数据的表格和形式，查询、显示、调用和修改数据，主要用于大量的数据管理及资料检索系统。

三、分类 （一）操作指导控制系统 属开环控制型结构，微机的输出部分不直接与生产过程的各个控制环节发生联系，只是对系统过程参数进行收集，加工处理，然后输出数据，由操作人员按计算数据进行必要的操作。 微 机 A/D转换 采样器 测量元件 工 业 对 象 CRT显示 打印机 人 图2.1 操作指导控制系统原理图

优点：结构简单、控制灵活和安全。 缺点：由人工控制，速度受到限制，且不能控制多个对象。 使用场合：进行数据检测处理及试验新的数学模型和调试新的控制程序。 （二）直接数字控制系统（DDC）Direct Digtal Control 用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，将被测结果与设定值进行比较，再按事先规定的控制规律进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值。 优点： 1.由于微机计算速度快，一台微机可代替多个模拟调节器； 2.由于计算机数据处理功能强，可实现各种复杂控制，灵活性大，可靠性高。

图2.2 DDC控制系统原理图 人工监督 设定值 测量值 A/D DDC微机 D/A 多路开关 检测元件 反多路开关 生产过程 管理命令 设定值 测量值 A/D DDC微机 D/A 多路开关 检测元件 反多路开关 生产过程 管理命令 报告 图2.2 DDC控制系统原理图

（三）计算机监督控制系统（SCC）Supervisory Computer Control 在SCC系统中，是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况。 从结构上讲，SCC系统分为两种： 1.SCC+模拟调节器系统 在此系统中，SCC监督计算机的作用是收集检测信号及接受管理命令，然后按照一定的数学模型计算后，输出给定值到模拟调节器，此给定值在模拟调节器中与检测值进行比较，其偏差值经模拟调节器计算后输出到执行机构，以达到调节生产过程的目的，这样可以根据生产情况的变化，不断的改变给定值，以达到实现最优控制的目的。

SCC计算机 设定值 测量值 A/D 多路开关 检测元件 生产过程 管理命令 报告 T 图2.3 SCC+模拟调节器控制系统原理图

2.SCC+DDC控制系统 该系统为两极计算机控制系统，一级为监督级SCC，其作用与SCC+模拟调节器中的SCC一样，用来计算最佳给定值，直接数字控制器DDC则由单片机来完成，用以将给定值与测量值进行比较，其偏差由单片机进行数字控制计算，然后经D/A转换器和反多路开关分别控制各个执行机构进行调节。

图2.4 SCC+DDC控制系统原理图 SCC计算机 设定值 测量值 A/D DDC D/A 多路开关 检测元件 反多路开关 生产过程 设定值 测量值 A/D DDC D/A 多路开关 检测元件 反多路开关 生产过程 管理命令 报告 图2.4 SCC+DDC控制系统原理图

3.区别： 一般的模拟系统是不能随便改变给定值的，因此SCC+模拟调节器系统特别适合老企业的技术改造工程，既用上了原有的模拟调节器，又实现了最佳给定值控制； SCC+DDC控制系统中控制规律可以改变，所以使用更加灵活，且一台DDC可控制多个回路，使系统组成比较简单。 4. SCC系统与DDC的区别 SCC系统比DDC系统有更大的优越性，可以接近于生产的实际情况，切当系统中的模拟调节器或DDC控制器出现故障时，可用SCC系统代替调节器进行调节，提高了系统的可靠性，但由于生产过程的复杂性，其数学模型建立比较困难，因此系统实现起来比较困难。

（四）分布式控制系统（DCS）Distributed Control Systems 是分级结构系统，是以一个主计算机和两个或更多计算机为基础的一种体系结构，也叫主从结构或树形结构。在这种系统中只有必要的信息才传送到上一级计算机或中央控制室，检测和数据处理任务都由单片机组成的前置控制机就地解决问题，可避免传输误差和系统的复杂化。 1.功能 （1）随着半导体技术的发展，目前已经开始把单片微型计算机用于传感器或执行机构，即所谓的智能仪表或智能化传感器。在这类仪表或传感器中，单片机用来完成数据采集、校准、计算、误差修正及线性化补偿，即由智能仪表或智能化传感器构成分布式控制系统的现场级仪表。 （2）实现控制算法：采用单片机作为调节器，对系统进行开环或闭环控制，可根据需要灵活地改变算法，且能完成一般模拟系统所不能完成的调节功能。

（3）实现人-机对话：操作人员可以通过操作台向计算机设置给定值、参数及请求打印数据，计算机把装置和设备的状态信息、处理结果及报警信号输送给操作人员。 （4）实现通信：可实现微机之间、微机与上位机之间以及微机与装置之间通信，进行信息交换。 （5）打印和显示数据：系统可根据需要进行打印及显示，现多用CRT以图形或报表的形式进行显示。 （6）能进行自诊断和错误检测：现在的分布式控制系统为用户提高了众多的系统资源状态检查、修改命令。用户使用这些命令检查执行结果以及观察相应设备的状态，便可以方便地诊断出硬件故障，并可显示在屏幕上。此外还可以使用不同的软件诊断卡来完成不同的诊断。 2.特点 分布式控制系统采用分散控制、集中管理的方法，有如下特点：

（1） 有很高的可靠性； （2） 速度快； （3） 系统模块化； （4） 价格低； （5） 设计、开发、维护简便，具有很大的灵活性。 3 （1） 有很高的可靠性； （2） 速度快； （3） 系统模块化； （4） 价格低； （5） 设计、开发、维护简便，具有很大的灵活性。 3.常用结构： 分级结构；完全互连式结构；网状结构；星形结构；总线式结构；共享存储器式结构；开关转换结构；环形结构；无线电网络结构。

2.2 微机控制系统的发展趋势 一、可编程控制器（PC）Programmable Control 微机控制系统的发展趋势有如下几个方面： 2.2 微机控制系统的发展趋势   微机控制系统的发展趋势有如下几个方面： 一、可编程控制器（PC）Programmable Control 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术（简称3C）发展起来的一种新型工业自动控制装置，是采用微型机芯片，根据工业生产特点发展起来的一种控制器。 （一）特点： 1.  可靠性高，有较强的抗干扰能力，便于工业现场能够使用，具有停电保护、自诊断等功能； 2.  采用功能模块化结构，可根据要求进行组合和扩充； 3.  具有独立的编程器，编程简单，易于掌握； 4. 价格低廉。

二、集散控制系统 （二）PC应用的步骤： 1. 画出工艺控制流程； 2. 设计输入/输出分配表； 3. 作出梯形图。 1.  画出工艺控制流程； 2.  设计输入/输出分配表； 3.  作出梯形图。   二、集散控制系统 是分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems）和分散型微处理器控制系统(Distributed Microprocessor Control Systems)的简称。 （一）组成： 集散控制系统的组成框图如图所示： 以微处理器为核心，把微机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来，为组合系统的综合自动化创造了条件。 自动控制方式的设定值，可由操作人员在数据输入板DEP上设定。 数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。

图2.5 集散系统组成框图 管理计算机 监控计算机 CRT操作台 高速数据通道 基本 控制器 数据 采集器 工 业 对 象 DEP面板 工 业 对 象 DEP面板 小规模 大规模 中规模 图2.5 集散系统组成框图

三、神经网络控制系统 （二） 优点 控制算式先进、精度高、响应速度快、仪表控制系统安全可靠、维护方便。   三、神经网络控制系统 神经网络NN（Neural Network）的主要特点： 1.  大规模的并行处理； 2.  分布式的信息存储； 3.  良好的自适应性、自组织性； 4.  很强的学习功能、联想功能和容错功能。 目前三种典型的NN模型： 1.  分层网络的感知模型； 2.  联想型网络的 Hopfield模型； 3.具有组织能力的认知机模型。