机电一体化技术-机电一体化技术-31 机电一体化的计算机控制技术-1
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第3章 机电一体化的 计算机控制技术
1
机械本体 动力与驱动装置
机电一体化系统
执行机构
传感与检测部分 控制与信息处理
2
机电一体化的计算机控制技术
3
机电一体化的计算机控制技术
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统是用计算机(通常称为工 业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系 统。
自动控制是在没有人的情况下，利用外加的 设备和装置，使机器、设备或生产过程的某个 工作状态或参数自动地按预定的规律运行。
据
生产计划
库
生产调度系统
……………………………………
现场总线
智能变送器
智能传感器
智能执行器 ……
工业对 象 现场总线控制系统
工业过程计算机集成制造系统（CIMS -Computer Integrated Manufacture System ）
经营决策层
决策信息
经营决策系统
企业管理层
生产调度层 管理自动化
管理信息 调度信息
产品策略
历
史
企业管理系统
数
22
机电一体化的计算机控制技术
根据计算机在控制中的应用方式 操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 分级计算机控制系统
23
机电一体化的计算机控制技术
操作指导控制系统
24
机电一体化的计算机控制技术
显示
测
打印
计 算 机
A/D转换器
采样 … 量
工
元… 业
件
对
并行接口
象
报警
数据采集系统
SCC
拟
工
计
调
业
算
节 测量 对
机
器
象
SCC＋模拟调节器系统
工艺数据
记录 显示 打印
SCC 计 算
设定值
D 控制 D C 测量
工 业 对
机
象
SCC＋DDC
27
机电一体化的计算机控制技术
分级计算机控制系统
28
机电一体化的计算机控制技术
二、典型的机电一体化控制系统
集散控制系统 （DCS）
管理计算机
监督计算机
4．外部设备（接口） 过程通道与计算机控制系统的接 口，有并行、串行、管理接口。
5．运行操作台-人机接口 操作台应该具备如下功能：
要有屏幕或数字显示器；
要有一组简单功能键进行控制操作；
要有一组数字键进行数据操作；
采用硬保护和软保护措施；
10
机电一体化的计算机控制技术
6．网络通信接口 多个计算机控制系统之间需要相互传递 信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就 必须设置网络通信接口。
模拟控制系统结构
模拟控制系统典型结构图
14
机电一体化的计算机控制技术
15
机电一体化的计算机控制技术
计算机控制系统的工作过程分为以下几个步骤：
实时控制
实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出
16
机电一体化的计算机控制技术
17
机电一体化的计算机控制技术
18
机电一体化的计算机控制技术
19
机电一体化的计算机控制技术
20
机电一体化的计算机控制技术
三、计算机控制系统的特点
计算机控制系统与模拟控制系统相比，具有如 下特点：
●控制规律的实现灵活、方便。 ●控制精度高。 ●控制效率高。 ●可以方便实现管控一体化。 ●存在着采样延迟。
21
机电一体化的计算机控制技术
3.2 计算机在控制系统中的应用
一、计算机控制系统的分类 根据计算机在控制系统中的作用 过程控制系统 伺服系统 顺序控制系统 数字控制系统
6
机电一体化的计算机控制技术
一、计算机控制系统的组成
计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件一般包括计算机主机，接口电路，输入输 出通道以及外部设备。
7
机电一体化的计算机控制技术
工业控制机硬件
硬件是指计算机本身及外围设备。
接口
常用外部设备
输入输出通道
计算机控制 系统硬件
运行操作台 工业自动化仪表
主机
网络通信接口
8
机电一体化的计算机控制技术
计算机控制系统硬件组成 计算机系统硬件
过程输入输出通道：在 计算机和生产过程之间 设置信息的传递和变换 的连接通道。
生产过程硬件
微控制器或 微处理器
ROM
RAM
人机接口 网络通信
接口
系
接口
A/D
统
总
接口
D/A
线
模拟 开关
模拟 开关
接口 数字量输入
…
…
…
变
传感器
送
工
…
器
传感器 业
生
执行
产
机构
对
象
…
实时时钟 电源
接口 数字量输出
计算机控制系统硬件框图
9
机电一体化的计算机控制技术
具体如下：
1．主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。
2．常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设 备和存储设备。
3．输入输出通道 在计算机和生产过程之间设置信息的传 递和变换的连接通道。
4
机电一体化的计算机控制技术
模拟控制系统与计算机控制系统
模拟控制系统典型结构图
计算机控制5系统典型结构图
机电一体化的计算机控制技术
特点：
计算机控制技术是自动控制理论与计算机技 术相结合的产物。
数字控制系统
机电一体化产品与非机电一体化产品的本质 区别在于具有计算机控制的伺服系统。
同模拟控制器相比，计算机能够实现更加复 杂的控制理论和算法，柔性和抗干扰能力更 强。
7．实时时钟 计算机控制系统的运行需要一个时钟，用 于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。
8．工业自动化仪表 被控对象与过程通道发生联系的设 备。有测量仪表、显示仪表、调节设备、执行机构等。
11
机电一体化的计算机控制技术
工业控制机软件
软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的 程序系统。
实时软件
指在进行实际控 制时使用的软件。
软
件
指在开发、测
开发软件
试控制系统时 使用的软件。
12
机电一体化的计算机控制技术
系统软件
由计算机生产厂家提供的 专门用来使用和管理计算
实
机的程序。
时
软
件
应用软件是用户根据要
解决的实际问题而编写
应用软件
的各种程序。
13
机电一体化的计算机控制技术
二、计算机控制系统的原理
机电一体化的计算机控制技术
பைடு நூலகம்
直接数字控制系统(DDC系统)
它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测， 检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型 进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数 稳定在给定值上。
26
机电一体化的计算机控制技术
监督计算机控制系统
工艺数据
记录 显示 打印
设定值 模 调节
CRT操作站
高速数据通道
基本控制器
…
…
工业对象
基本控制器
…
…
工业对象
分散控制 集中操作 分级管理 分而自治 综合协调
现场总线控制系统 （FCS Fieldbus Control System）
计算机
现场总线控制系统是新一代分布式控制系统 结构。它采用工作站—现场总线智能仪表的 二层结构模式。
现场总线通信适配器
1
机械本体 动力与驱动装置
机电一体化系统
执行机构
传感与检测部分 控制与信息处理
2
机电一体化的计算机控制技术
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机电一体化的计算机控制技术
3.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统是用计算机(通常称为工 业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系 统。
自动控制是在没有人的情况下，利用外加的 设备和装置，使机器、设备或生产过程的某个 工作状态或参数自动地按预定的规律运行。
据
生产计划
库
生产调度系统
……………………………………
现场总线
智能变送器
智能传感器
智能执行器 ……
工业对 象 现场总线控制系统
工业过程计算机集成制造系统（CIMS -Computer Integrated Manufacture System ）
经营决策层
决策信息
经营决策系统
企业管理层
生产调度层 管理自动化
管理信息 调度信息
产品策略
历
史
企业管理系统
数
22
机电一体化的计算机控制技术
根据计算机在控制中的应用方式 操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 分级计算机控制系统
23
机电一体化的计算机控制技术
操作指导控制系统
24
机电一体化的计算机控制技术
显示
测
打印
计 算 机
A/D转换器
采样 … 量
工
元… 业
件
对
并行接口
象
报警
数据采集系统
SCC
拟
工
计
调
业
算
节 测量 对
机
器
象
SCC＋模拟调节器系统
工艺数据
记录 显示 打印
SCC 计 算
设定值
D 控制 D C 测量
工 业 对
机
象
SCC＋DDC
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机电一体化的计算机控制技术
分级计算机控制系统
28
机电一体化的计算机控制技术
二、典型的机电一体化控制系统
集散控制系统 （DCS）
管理计算机
监督计算机
4．外部设备（接口） 过程通道与计算机控制系统的接 口，有并行、串行、管理接口。
5．运行操作台-人机接口 操作台应该具备如下功能：
要有屏幕或数字显示器；
要有一组简单功能键进行控制操作；
要有一组数字键进行数据操作；
采用硬保护和软保护措施；
10
机电一体化的计算机控制技术
6．网络通信接口 多个计算机控制系统之间需要相互传递 信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就 必须设置网络通信接口。
模拟控制系统结构
模拟控制系统典型结构图
14
机电一体化的计算机控制技术
15
机电一体化的计算机控制技术
计算机控制系统的工作过程分为以下几个步骤：
实时控制
实时数据采集 实时控制决策 实时控制输出
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机电一体化的计算机控制技术
17
机电一体化的计算机控制技术
18
机电一体化的计算机控制技术
19
机电一体化的计算机控制技术
20
机电一体化的计算机控制技术
三、计算机控制系统的特点
计算机控制系统与模拟控制系统相比，具有如 下特点：
●控制规律的实现灵活、方便。 ●控制精度高。 ●控制效率高。 ●可以方便实现管控一体化。 ●存在着采样延迟。
21
机电一体化的计算机控制技术
3.2 计算机在控制系统中的应用
一、计算机控制系统的分类 根据计算机在控制系统中的作用 过程控制系统 伺服系统 顺序控制系统 数字控制系统
6
机电一体化的计算机控制技术
一、计算机控制系统的组成
计算机控制系统由硬件和软件两部分组成。
硬件一般包括计算机主机，接口电路，输入输 出通道以及外部设备。
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机电一体化的计算机控制技术
工业控制机硬件
硬件是指计算机本身及外围设备。
接口
常用外部设备
输入输出通道
计算机控制 系统硬件
运行操作台 工业自动化仪表
主机
网络通信接口
8
机电一体化的计算机控制技术
计算机控制系统硬件组成 计算机系统硬件
过程输入输出通道：在 计算机和生产过程之间 设置信息的传递和变换 的连接通道。
生产过程硬件
微控制器或 微处理器
ROM
RAM
人机接口 网络通信
接口
系
接口
A/D
统
总
接口
D/A
线
模拟 开关
模拟 开关
接口 数字量输入
…
…
…
变
传感器
送
工
…
器
传感器 业
生
执行
产
机构
对
象
…
实时时钟 电源
接口 数字量输出
计算机控制系统硬件框图
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机电一体化的计算机控制技术
具体如下：
1．主机（计算机） 主机由CPU和存储器构成。
2．常规外部设备 常规外部设备可分为输入设备、输出设 备和存储设备。
3．输入输出通道 在计算机和生产过程之间设置信息的传 递和变换的连接通道。
4
机电一体化的计算机控制技术
模拟控制系统与计算机控制系统
模拟控制系统典型结构图
计算机控制5系统典型结构图
机电一体化的计算机控制技术
特点：
计算机控制技术是自动控制理论与计算机技 术相结合的产物。
数字控制系统
机电一体化产品与非机电一体化产品的本质 区别在于具有计算机控制的伺服系统。
同模拟控制器相比，计算机能够实现更加复 杂的控制理论和算法，柔性和抗干扰能力更 强。
7．实时时钟 计算机控制系统的运行需要一个时钟，用 于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。
8．工业自动化仪表 被控对象与过程通道发生联系的设 备。有测量仪表、显示仪表、调节设备、执行机构等。
11
机电一体化的计算机控制技术
工业控制机软件
软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的 程序系统。
实时软件
指在进行实际控 制时使用的软件。
软
件
指在开发、测
开发软件
试控制系统时 使用的软件。
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机电一体化的计算机控制技术
系统软件
由计算机生产厂家提供的 专门用来使用和管理计算
实
机的程序。
时
软
件
应用软件是用户根据要
解决的实际问题而编写
应用软件
的各种程序。
13
机电一体化的计算机控制技术
二、计算机控制系统的原理
机电一体化的计算机控制技术
பைடு நூலகம்
直接数字控制系统(DDC系统)
它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测， 检测结果与给定值进行比较，并按预定的数学模型 进行运算，其输出直接控制被控对象，使被控参数 稳定在给定值上。
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机电一体化的计算机控制技术
监督计算机控制系统
工艺数据
记录 显示 打印
设定值 模 调节
CRT操作站
高速数据通道
基本控制器
…
…
工业对象
基本控制器
…
…
工业对象
分散控制 集中操作 分级管理 分而自治 综合协调
现场总线控制系统 （FCS Fieldbus Control System）
计算机
现场总线控制系统是新一代分布式控制系统 结构。它采用工作站—现场总线智能仪表的 二层结构模式。
现场总线通信适配器