计算机控制系统.
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数据采集系统（DAS） 操作指导控制系统 (OGC) 直接数字控制系统（DDC） 监督计算机控制系统（SCC）
集散控制系统（DCS） 现场总线控制系统（FCS） 工业过程计算机集成制造系(CIMS）
直接数字控制系统（DDC）
DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控 参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时
RS-232C的电气特性
由于 RS-232C 是早期为促进公用电话网络进 行数据通信而制定的标准。为了增加信号在线路 上的传输距离和提高抗干扰能力，RS-232C采用了 较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑， 即规定逻辑“1”状态电平为-15~-5V，逻辑“0” 状态电平为+5~+15V。
由于计算机均采用TTL逻辑电平。TTL电平 规定低电平“0”在0~+0.8V之间，高电平“1” 在+2.4~+5V之间，因此在TTL电路与RS-232C总 线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换， 否则将使TTL电路烧毁。
接口 输入通道 检测
生 产
算
过
报警 机
给定值
接口
程
输出通道 执行器
直接数字控制系统
监督计算机控制系统（SCC）
监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常 规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系
统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形
式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成 控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实 时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承 担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，
计算机控制系统执行控制程序的过程步骤
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，实时地对执行 器发出控制信号，完成监控 任务； d.信息管理--信息共享与管理。
微控制器或 微处理器 ROM RAM
接口
A/D
模拟 开关
变 送 器
传感器
传感器
系 统
接口
A/D
模拟 开关
执行 机构
人机接口
总
网络通信接口
接口
数字量输入
线
接口 数字量输出
工 业 生 产 对 象
实时时钟
电源
计算机控制系统硬件组成框图
软件组成
硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正 确地运行解决各种问题，必须为它编制软件；
RS-232C采用电平传输，在通信速率为 19.2kbit/s时，其通信距离只有15m，若要延长 通信距离，必须以降低通信速率为代价。
RS-485串行通信接口
在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来 完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是 为适应这种需要应运而生的。它实际就是RS-422总线的变 型，二者不同之处在于：RS-422为全双工，采用两对差分 平衡信号线；而RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号 线。RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概 念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负 载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构 是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，
决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生
产过程的闭环控制。为了操作方便，DDC系统还配置
一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。
DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调 节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只 通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。
显示 计 打印机
总线分类: 在计算机系统中，一般将总线分为内部总 线（系统总线）和外部总线。
内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通 信的通道，是构成完整计算机系统的内部信息 枢纽。如：ISA总线、PCI总线、STD总线。 外部总线—用于计算机系统与系统之间或计算 机系统与外部设备之间的通信。有两类：
并行总线：各位间并行传输； 串行总线：各位间串行传输。
10 k 8
+5V
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
2A
3A 4A 5A 6A 7A 8A
2B
3B 4B 5B 6B 7B 8B DIR
DDC系统与SCC系统的区别
DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参 数给定值是预先设定的，不能根据生产工艺信息 的变化及时修改，因此无法使生产过程处于最优 工况； SCC系统中，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，因此使生产过程始终处于最优工况。
独立式按键扩展
独立式按键就是各按键相互独立，每 个按键各接一根输入线，一根输入线上的 按键工作状态不会影响其它输入线上的工 作状态。通过检测输入线上的电平状态即 可判断哪个键被按下。 特点：电路配备灵活，软件结构简单。 在按键数量大时，输入口浪费大。适应于 按键较少或操作速度较高的场合。
独立式按键扩展
地址总线
是外部设备和总线主控设备之间传送地址 信息的通道； 通常用A0、A1…An表示； 地址总线的宽度表明了该总线的寻址范围。
控制总线
是专供各种控制信号传递的通道，总线操 作的各项功能都是由控制总线完成的； 是总线信号中种类最多、变化最大、功能 最强的信号，最能体现总线特色；
不同总线标准最大的不同体现在控制总线 上，地址总线、数据总线、电源可以相同或 相似。
电源
+12V、-12V、+5V、-5V是系统必备总线；
计算机系统发展的趋势：向低压发展。
总线功能
总线功能是计算机总线研究的重点； A-BUS、D-BUS、C-BUS的功能：
数据传输功能； 中断功能； 多主设备支持功能； 错误处理功能。
1 前四章重点内容回顾
2.总线部分
总线的组成及功能 RS-232C和RS-485串行通信接口及其区别
总线定义:
采用总线结构是微型计算机系统体系结构 的特点之一。总线是若干连线的集合。
是计算机各模块间进行信息传输的通道；
包括通道控制、仲裁方法、传输方式等内 容。 总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解 总线对工程技术人员来说很重要。
计算机控制系统
主讲教师:路飞
山东大学控制科学与工程学院 Email:lawyerlf@sdu.edu.cn;Tel:88392115
复习(一)
主要知识点
1 对前四章重点内容的回顾
2 习题
1 前四章重点内容回顾
1．绪论部分
了解计算机控制系统的构成原理 了解计算机控制系统硬件组成与软件组成 初步认识微型计算机控制系统分类
且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。
RS-485的接口采用二线差分平衡传输；
当采用+5V电源供电时，若差分电压信号为-
2500~-200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信 号为+2500~+200mV时，为逻辑“1”；若差分 电压信号为-200~+200mV时，为高阻状态；
+5V
10 k
VA
S
按键电路
键盘的特点与确认
消除按键的抖动：
硬件方法：RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路 软件方法
软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程 序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子 程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果 该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按 下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理， 在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以 消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。
计算机控制系统的组成原理
计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表 组成的控制系统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。
RS-485的接口电路本章从略。
1 前四章重点内容回顾
3．人机接口部分
按键的抖动干扰及其解决方法 独立式键盘的结构原理及其接口电路 矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法和线反转法
键盘的特点与确认
键盘的特点：
由于机械触点的弹性振动，按键在按下 时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一 下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的 瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的 抖动干扰，其产生的波形如下图所示，当按 键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会 产生后沿抖动。这是所有机械触点式按键在 状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取 决于按键的机械特性与操作状态，一般为 5~10ms，此为键处理设计时要考虑的一个重 要参数。
总线组成:
数据总线
地址总线
控制总线
电源
数据总线
是外部设备和总线主控设备之间进行数据 传送的数据通道；
通常用D0、D1…Dn表示数据位的序号,序 号和数据的位权一致；
n表示数据宽度,表示总线传输数据的能力； 数据总线宽度基本上表征了总线数据传输 能力,反映该总线的性能。
几个常用术语
◆
在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时
◆
间内完成
◆
在线与实时的关系 — 一个在线系统不一定是实时系统
— 一个实时系统必定是在线系统
计算机控制系统的组成
计算机控制系统由两大部分组成—一部分是 计算机及其输入输出通道,另一部分是工业生产对 象。 硬件组成 软件组成
硬件组成
计算机Baidu Nhomakorabea制系统硬件一般包括：
主机—CPU ＋RAM＋ROM＋系统总线 常规外部设备——输入/输出设备、外存储器 等 过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO 外部设备—接口电路 运行操作台—CRT、LED、LCD 等 网络通信接口—RS-232C通信接口等 实时时钟 工业自动化仪表
键按下
键释放
前沿抖动
闭合稳定
后沿抖动 释放稳定
按键抖动波形 图 6-2 按键的抖动干扰
键盘的特点与确认
按键的确认：
按键的电路如右图所示。 当S按下时，VA=0，为低 电平； 当S未按下时，VA=1，为 高电平；反之依然。 按键的闭合与否，反映在 电压上就是呈现高电平 或低电平。 通过对电平高低状态的检 测，便可判断按键按下 与否。
采用可编程并行接口 8255A
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6
10 k 8
+5V
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
PA7
采用8255A扩展独立式按键
独立式按键扩展
采用三态缓冲器 74HC245
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
KEYCS 1A 1B
RS-232C串行通信接口
RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年 修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设 备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。数据 终端设备DTE（Data Terminal Equipment ）是数 据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传 输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控 制器。数据通信设备DCE(Data Communi_cation Equipment)的任务是实现由源点到目的点的传输， 通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其 它一些中间装置的集合。目前RS—232C接口已成 为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为 RS-232C总线接口标准。
所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和， 它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动 作都是在软件程序指挥下协调工作的； 软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统 软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管 理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产 过程要求而编制的各种应用程序。
计算机控制系统的分类
存储容量大的高档计算机。
S CC 工艺数据 显示 打印 报警 计 算 机
给定值
模 拟 控 制 器
测量
控制
生 产 过 程
(a) SCC+模拟控制器系统
工艺数据
SCC
给定值
显示 打印 报警
计 算 机
DDC 用 计 算 机
测量
控制
生 产 过 程
(b) SCC+ DDC控制系统
监督计算机控制系统的两种结构形式
集散控制系统（DCS） 现场总线控制系统（FCS） 工业过程计算机集成制造系(CIMS）
直接数字控制系统（DDC）
DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控 参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时
RS-232C的电气特性
由于 RS-232C 是早期为促进公用电话网络进 行数据通信而制定的标准。为了增加信号在线路 上的传输距离和提高抗干扰能力，RS-232C采用了 较高的传输电平，且为双极性、公共地和负逻辑， 即规定逻辑“1”状态电平为-15~-5V，逻辑“0” 状态电平为+5~+15V。
由于计算机均采用TTL逻辑电平。TTL电平 规定低电平“0”在0~+0.8V之间，高电平“1” 在+2.4~+5V之间，因此在TTL电路与RS-232C总 线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换， 否则将使TTL电路烧毁。
接口 输入通道 检测
生 产
算
过
报警 机
给定值
接口
程
输出通道 执行器
直接数字控制系统
监督计算机控制系统（SCC）
监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常 规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系
统。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形
式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成 控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实 时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承 担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，
计算机控制系统执行控制程序的过程步骤
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，实时地对执行 器发出控制信号，完成监控 任务； d.信息管理--信息共享与管理。
微控制器或 微处理器 ROM RAM
接口
A/D
模拟 开关
变 送 器
传感器
传感器
系 统
接口
A/D
模拟 开关
执行 机构
人机接口
总
网络通信接口
接口
数字量输入
线
接口 数字量输出
工 业 生 产 对 象
实时时钟
电源
计算机控制系统硬件组成框图
软件组成
硬件仅为计算机控制系统的躯体。要使计算机正 确地运行解决各种问题，必须为它编制软件；
RS-232C采用电平传输，在通信速率为 19.2kbit/s时，其通信距离只有15m，若要延长 通信距离，必须以降低通信速率为代价。
RS-485串行通信接口
在许多工业过程控制中，往往要求用最少的信号线来 完成通信任务。目前广泛应用的RS-485串行接口总线就是 为适应这种需要应运而生的。它实际就是RS-422总线的变 型，二者不同之处在于：RS-422为全双工，采用两对差分 平衡信号线；而RS-485为半双工，只需一对平衡差分信号 线。RS-485更适合于多站互连（已经具备了现场总线的概 念），一个发送驱动器最多可连接大于32个负载设备，负 载设备可以是被动发送器、接收器和收发器。其电路结构 是在平衡连接的电缆上挂接发送器、接收器或组合收发器，
决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生
产过程的闭环控制。为了操作方便，DDC系统还配置
一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。
DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调 节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只 通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。
显示 计 打印机
总线分类: 在计算机系统中，一般将总线分为内部总 线（系统总线）和外部总线。
内部总线—计算机内部各功能模块之间进行通 信的通道，是构成完整计算机系统的内部信息 枢纽。如：ISA总线、PCI总线、STD总线。 外部总线—用于计算机系统与系统之间或计算 机系统与外部设备之间的通信。有两类：
并行总线：各位间并行传输； 串行总线：各位间串行传输。
10 k 8
+5V
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
2A
3A 4A 5A 6A 7A 8A
2B
3B 4B 5B 6B 7B 8B DIR
DDC系统与SCC系统的区别
DDC系统中对生产过程产生直接影响的被控参 数给定值是预先设定的，不能根据生产工艺信息 的变化及时修改，因此无法使生产过程处于最优 工况； SCC系统中，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，因此使生产过程始终处于最优工况。
独立式按键扩展
独立式按键就是各按键相互独立，每 个按键各接一根输入线，一根输入线上的 按键工作状态不会影响其它输入线上的工 作状态。通过检测输入线上的电平状态即 可判断哪个键被按下。 特点：电路配备灵活，软件结构简单。 在按键数量大时，输入口浪费大。适应于 按键较少或操作速度较高的场合。
独立式按键扩展
地址总线
是外部设备和总线主控设备之间传送地址 信息的通道； 通常用A0、A1…An表示； 地址总线的宽度表明了该总线的寻址范围。
控制总线
是专供各种控制信号传递的通道，总线操 作的各项功能都是由控制总线完成的； 是总线信号中种类最多、变化最大、功能 最强的信号，最能体现总线特色；
不同总线标准最大的不同体现在控制总线 上，地址总线、数据总线、电源可以相同或 相似。
电源
+12V、-12V、+5V、-5V是系统必备总线；
计算机系统发展的趋势：向低压发展。
总线功能
总线功能是计算机总线研究的重点； A-BUS、D-BUS、C-BUS的功能：
数据传输功能； 中断功能； 多主设备支持功能； 错误处理功能。
1 前四章重点内容回顾
2.总线部分
总线的组成及功能 RS-232C和RS-485串行通信接口及其区别
总线定义:
采用总线结构是微型计算机系统体系结构 的特点之一。总线是若干连线的集合。
是计算机各模块间进行信息传输的通道；
包括通道控制、仲裁方法、传输方式等内 容。 总线结构越来越复杂，功能越来越强大。了解 总线对工程技术人员来说很重要。
计算机控制系统
主讲教师:路飞
山东大学控制科学与工程学院 Email:lawyerlf@sdu.edu.cn;Tel:88392115
复习(一)
主要知识点
1 对前四章重点内容的回顾
2 习题
1 前四章重点内容回顾
1．绪论部分
了解计算机控制系统的构成原理 了解计算机控制系统硬件组成与软件组成 初步认识微型计算机控制系统分类
且在电缆两端各挂接一个终端电阻用于消除两线间的干扰。
RS-485的接口采用二线差分平衡传输；
当采用+5V电源供电时，若差分电压信号为-
2500~-200mV时，为逻辑“0”；若差分电压信 号为+2500~+200mV时，为逻辑“1”；若差分 电压信号为-200~+200mV时，为高阻状态；
+5V
10 k
VA
S
按键电路
键盘的特点与确认
消除按键的抖动：
硬件方法：RC滤波消抖电路或RS双稳态消抖电路 软件方法
软件方法是指编制一段时间大于100ms的延时程 序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子 程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果 该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按 下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理， 在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以 消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。
计算机控制系统的组成原理
计算机控制系统的原理组成--是把常规仪表 组成的控制系统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。
RS-485的接口电路本章从略。
1 前四章重点内容回顾
3．人机接口部分
按键的抖动干扰及其解决方法 独立式键盘的结构原理及其接口电路 矩阵式键盘的结构原理及其行扫描法和线反转法
键盘的特点与确认
键盘的特点：
由于机械触点的弹性振动，按键在按下 时不会马上稳定地接通而在弹起时也不能一 下子完全地断开，因而在按键闭合和断开的 瞬间均会出现一连串的抖动，这称为按键的 抖动干扰，其产生的波形如下图所示，当按 键按下时会产生前沿抖动，当按键弹起时会 产生后沿抖动。这是所有机械触点式按键在 状态输出时的共性问题，抖动的时间长短取 决于按键的机械特性与操作状态，一般为 5~10ms，此为键处理设计时要考虑的一个重 要参数。
总线组成:
数据总线
地址总线
控制总线
电源
数据总线
是外部设备和总线主控设备之间进行数据 传送的数据通道；
通常用D0、D1…Dn表示数据位的序号,序 号和数据的位权一致；
n表示数据宽度,表示总线传输数据的能力； 数据总线宽度基本上表征了总线数据传输 能力,反映该总线的性能。
几个常用术语
◆
在线（Online）：计算机控制系统与生产设备直接相连 离线（Offline）：计算机控制系统与生产设备断开 实时（Real time）：计算机输入、输出和计算都在规定时
◆
间内完成
◆
在线与实时的关系 — 一个在线系统不一定是实时系统
— 一个实时系统必定是在线系统
计算机控制系统的组成
计算机控制系统由两大部分组成—一部分是 计算机及其输入输出通道,另一部分是工业生产对 象。 硬件组成 软件组成
硬件组成
计算机Baidu Nhomakorabea制系统硬件一般包括：
主机—CPU ＋RAM＋ROM＋系统总线 常规外部设备——输入/输出设备、外存储器 等 过程输入输出通道—AI、AO、DI、DO 外部设备—接口电路 运行操作台—CRT、LED、LCD 等 网络通信接口—RS-232C通信接口等 实时时钟 工业自动化仪表
键按下
键释放
前沿抖动
闭合稳定
后沿抖动 释放稳定
按键抖动波形 图 6-2 按键的抖动干扰
键盘的特点与确认
按键的确认：
按键的电路如右图所示。 当S按下时，VA=0，为低 电平； 当S未按下时，VA=1，为 高电平；反之依然。 按键的闭合与否，反映在 电压上就是呈现高电平 或低电平。 通过对电平高低状态的检 测，便可判断按键按下 与否。
采用可编程并行接口 8255A
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6
10 k 8
+5V
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
PA7
采用8255A扩展独立式按键
独立式按键扩展
采用三态缓冲器 74HC245
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
KEYCS 1A 1B
RS-232C串行通信接口
RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年 修定的一种通信接口标准，专门用于数据终端设 备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。数据 终端设备DTE（Data Terminal Equipment ）是数 据的源点或归宿，通常是指输入、输出设备和传 输控制器或者计算机等数据处理装置及其通信控 制器。数据通信设备DCE(Data Communi_cation Equipment)的任务是实现由源点到目的点的传输， 通常是指自动呼叫应答设备、调制解调器以及其 它一些中间装置的集合。目前RS—232C接口已成 为计算机的标准配置，如串行口COM1、COM2均为 RS-232C总线接口标准。
所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和， 它是计算机控制系统的神经中枢，整个系统的动 作都是在软件程序指挥下协调工作的； 软件通常分为系统软件和应用软件两大类；系统 软件一般由计算机厂家提供，专门用来使用和管 理计算机本身的程序；应用软件是用户针对生产 过程要求而编制的各种应用程序。
计算机控制系统的分类
存储容量大的高档计算机。
S CC 工艺数据 显示 打印 报警 计 算 机
给定值
模 拟 控 制 器
测量
控制
生 产 过 程
(a) SCC+模拟控制器系统
工艺数据
SCC
给定值
显示 打印 报警
计 算 机
DDC 用 计 算 机
测量
控制
生 产 过 程
(b) SCC+ DDC控制系统
监督计算机控制系统的两种结构形式