计算机测控系统
《新编电气工程师手册》全3册:
1 概述
随着微电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，计算机在过程自动化、工厂自动化、计算机综合生产系统等自动化领域中得到越来越广泛的应用。例如用它来实现对生产过程的自动监控、产品质量的自动检验、能源自动检测与管理等。这类技术的采用，对于提高产品的产量与质量降低成本、确保生产安全、改善工作条件、减轻劳动强度、节省能源和材料、实现生产过程的优化控制及科学管理等都具有重要作用。
计算机测控技术的发展在国际上大致可分为三个阶段。20世纪50年代至60年代为开创时期；60年代末至70年代初为系列化小型工业控制机发展时期；进入70年代中期以后，以微型机为基础的测控技术和以4C（计算机、通讯、控制、CRT）技术为特征的分散型控制系统得到了长足发展。目前正是这一阶段的鼎盛时期。正是这一时期，工业计算机测控技术才真正被广泛地应用于各种生产领域，这一阶段的工业计算机测控技术不仅注重监控，而且注重管理，把过程监控和生产管理有机结合在一起。监控与管理集成系统、智能自动系统已成为当前国际上工业计算机测控技术的发展方向。
80年代初，给排水行业中的工业计算机测控技术还基本上是一片空白。80年代中期以后，一些基于微处理器的简单控制装置开始
在给排水行业中运行。从80年代末开始，一大批国外贷款工程的实例，引进了多种计算机检测控制产品和技术，使计算机测控技术在国内给排水行业得到普遍应用，并带动了相关技术的发展，培养了一大批计算机测控技术人才。今天，计算机测控技术已成为给排水行业不可缺少的、最具活力的部分之一。出现这种情况一方面是由于工艺过程对监控和管理的要求进一步提高；另一方面，由于计算机测控技术的发展，新一代高性能、高可靠性、低价格的计算机控制系统确实能够满足这种需求。
总之，由于计算机测控技术的发展，在一定程度上促进了给排水工艺技术的革新。给排水技术的革新反过来又给计算机测控技术的发展提出了更高的要求。这种相互促进的良好态势将使计算机测控技术在给排水行业中的应用不断向前迈进。
2 计算机测控系统分类
计算机测控系统根据其类控制方案、体系结构、复杂程度和技术发展来源不同，可分成以下几种典型类型。
(1)可编程控制器：可编程序控制器简称PLC，是一种数字式运算操作的电子系统，专门为工业环境下使用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部储存并执行逻辑、顺控、计时、四则运算等功能，并通过数字或模拟式输出输入组件，控制各种生产机械和生产过程。它是通过早期继电器逻辑控制系统与现代计算机技术相结合而发展起来的新一代计算机控制装置。它的低端即为继电逻辑控制器件的代用品，而其高端实际上是一种高性能的工业计算机控制系统。与普通
计算机相比，它具有更强的工业过程接口，更直接地适用于控制要求的编程语言，并具有可以在恶劣环境下运行等特点。
【PLC的基本组成可用图表示（见附图）】
1）中央处理器（CPU）: 中央处理器（CPU）是PLC控制系统的核心，它主要用来实现逻辑和算术运算，采用扫描的方式接受现场输入装置的状态或数据，并存入输入状态表或寄存器中，同时可诊断电源、内部电路的工作状态以及编程过程的语法错误。PLC运行时，中央处理器（CPU）从存储器中逐条读取用户程序，经过指令解释后按指令规定的任务产生相应的控制信号去指挥整个系统工作。
目前大型PLC多采用双极型位片式处理器或16位微处理器，甚至32位超级微处理器作为其中中央处理器（CPU）;而中、小型PLC 的中央处理器主要选用8位通用微处理器，微型PLC的中央处理器（CPU）则都使用单片机。
2）存储器：存储器用来存放监控程序、功能子程序、调用管理程序和用户程序及数据等。
目前使用的存储器主要有CMOS、RAM、EPROM、E2PROM。CMOSRAM是一种动态存储器。在PLC中通常用来存储那些经常发生变化的程序和数据。为了防止因失电源掉电而造成的数据丢失，一般使用专用电池作为其后备电池。EPROM, E2PROM属于半导体静态储存器，读取容易，但要在线刷新则较麻烦。这种储存器的优点在于不需要电池后备，数据不容易丢失。PLC中通常用它来储存不需要更改的程序和数据。
3）输入/输出（I/O）接口：将工业过程信号与中央处理器（CPU）联系起来的装置称为输入/输出（I/O）接口。它通常包括数字量（I/O）和模拟量（I/O）。数字量输入接口将工业过程中的状态信号转换成符合计算机电平的内部信号供中央处理器（CPU）识别。数字量输出接口则将内部电平信号转换成外部过程状态信号。模拟量输入接口将工业过程中可连续变化的信号转换成中央处理器（CPU）可识别的数字信号。模拟量输出接口则将中央处理器（CPU）内部的数字量信号转换成工业过程中可连续变化的信号。传统的接口概念是指一种能实现电平转换的电路。由于智能输入/输出（I/O）接口的出现，使这一概念发生了变化。这些智能输入/输出（I/O）接口带有自身的处理器系统，它们本身就是一台计算机。它们使PLC使用更为灵活，功能更为强大。
4）通讯接口：目前一般的PLC均配有通讯接口，用来实现“人－机”或“机－机”对话。这类通讯接口是实现多级多机PLC网络控制系统的硬件基础。它使得PLC可以完成整个工厂的自动化控制任务。
PLC所配通讯接口一般为标准型如：RS-232C、RS-422或RS-485等。一台PLC可以配一个或多个通讯接口以完成不同的任务。
5）编程器：PLC最大的优点是可以在不改变硬件的条件下，通过调整程序（软件）来改变控制动作。而编程器正是用来编辑程序并使之下载至PLC的装置。编程器除了用来编写、输入、调试用户程序外，还可以用来完成对现场工业过程的监视。它实际上也是一种“人
机”接口。
编程器可分为专用型和通用型两种。专用型一般带LED或LCD 显示器，较为简单的键盘，体积小且轻便，适于编写小程序或对已经编好的程序进行调试。通用型编程器一般为普通个人计算机配以专用软件。由于有丰富的软件支持和完善的存储手段，可以用来编写大型程序。
6）电源：PLC作为一种面向恶劣工业现场环境的控制装置其电源必须能够抑制工业现场的电干扰和磁干扰。
PLC的电源一般来源于220V交流电源。使用带屏蔽的变压器使电源内部与电网隔离开来，防止外界电磁干扰对它的影响。电路形式一般有串联稳压电源开关稳压电源两种。使用效果都比较好。
（2）单、多回路调节器是简单的计算机闭环控制系统。其功能是用来实现工业过程中某一或多个回路的自动控制。
在过去的很长一段时间内，模拟式控制仪表是生产过程自动控制的主要手段，它具有运行容易、操作方便、价格便宜的优点，因而受到用户的欢迎。随着计算机数字技术的发展，模拟式控制仪表逐渐显示出它的不足。主要表现在控制精度差，功能不全，难以实现程序、前馈控制、纯滞后控制等。特别是不能与计算机网络相连接。这些不足促使了以微处理器为核心的数字式控制仪表逐步取代模拟式控制仪表。单、多回路调节器亦属于这类控制仪表。它既可以单独使用，实现某一回路的自动控制，也可以用来构筑分散式控制系统的低端，实现整个生产过程的自动控制。
近年来由于计算机控制技术的不断发展，出现了智能I/O和远程I/O等产品。这些产品从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而且从功能上完全可以取代单、多回路调节器，而且在网络功能上更加完善。但是从仪表的角度来看，单、多回路调节器仍有存在和发展的空间。
（3）微机测控系统是专为工业过程自动控制而设计的。它除可靠性高、抗干扰能力强、能够在恶劣工业环境中长期无故障运行外，另一个显著特点是配有较为典型的有STD总线、VME总线、MULTI 总线工业控制计算机测控系统。这类系统组态灵活，可靠性高，造价低，非常适合一些技术改造和更新的生产过程使用。影响这类控制系统的关键是编程软件难度较大，需要专门人员才能胜任，且程序通用性较差。
通用性微机测控系统是指使用通用的个人计算机配以各种I/O模块而组成的计算机控制系统。由于个人计算机上有丰富的软件资源可用，所以在软件方面这类系统有明显的优越性。为通用型微机测控系统配套的各种PC总线I/O模板是为满足工业现场而设计的，同样具有良好的抗干扰和耐冲击能力。再加上造价低，这种系统也有一定的市场。但是由于整个系统的核心――个人计算机并非是为工业过程控制而设计的，虽然目前有些工业个人计算机可供选择，但在结构上仍属个人计算机范畴，而对环境的适应性和维护性方面仍与其他工业计算机控制系统有一定差距。故在较为重要、危险的场合很少使用这类系统。
（4）集散型控制系统（DCS）：在生产过程中，很多情况下不仅要求生产过程自动化，而且要在长时间的保持生产过程处于最优的生产状态。为满足生产过程的这一需求，70年代中以后，集散型控制系统（又称DCS系统）开始发展起来。目前这一系统已广泛地用于给排水领域。并已成为所有类型的控制系统中应用范围最广，层次最高的控制系统。
集散型控制系统就是将管理和指挥权集中，将功能和控制权分散。既把整个系统系统从地理上和功能上分散开来，降低某一部分故障对全局的影响，又通过网络通道将信息集中起来，实现整个系统的集中监视和管理。具体而言就是采用一台中央计算机（可以是较高档的微机甚至于小型机）指挥若干台面向过程的现场测控计算机（站）和智能控制单元。这些测控计算机和智能控制单元直接对各自区域的对象实施测量、控制、优化，并向中央计算机报告过程运行情况。中央计算机负责全局综合控制、管理、调度、计划等，协调各现场测控计算机和智能控制单元之间的工作，以及测控执行情况的报表统计等任务。
DCS系统可以是两级的，三级的甚至是多级的。在给排水系统中应用时，一般不超过三级。
随着测控技术的发展，DCS系统不仅可以实现生产过程的测量和控制，而且可以实现在线优化、生产过程的实时调度、计划和统计等，是一种集测、控、管为一体的综合系统。这种综合系统不仅用于局部的优化控制，而且能对生产过程中各种耦合和相互作用以及所有
复杂的反馈加以识别和控制，从而达到系统总体优化的目的。
虽然DCS控制系统有较高的可靠性和强大的功能，但是目前所介绍的几种计算机控制系统相比，其系统价格也高。在一般中、小型给排水项目中、当经济条件不允许时，可采用其他计算机控制系统模式。但为提高控制技术水平，缩小与发达国家的技术差距，在一些有经济条件的大型给排水项目中，可以选用DCS系统。
典型DCS系统组成见图
（5）小结：随着技术的不断发展，上述计算机控制系统的分类已不再是非常严格。很多界于类别之间的产品正在问世。如界于PLC 和DCS之间的PCS（过程控制系统）就是一例。甚至还出现了包容性的计算机控制系统，如全集成自动化（TIA）系统等。当我们进行所谓类别选择时，往往只是一种模糊的选择。为了设计的科学合理，应对当今世界上最重要的计算机控制系统制造商和他们的产品有一个非常深入的了解，只有这样，才能根据工程经济与技术条件，做出最恰当的计算机控制系统类型的选择。
3、算机测控系统设计步骤和方法
3.1编写计算机测控系统功能说明书
在进行某一项目的计算机测控系统设计时，必须首先了解测控对象及其对测控系统的要求。所以，在进行其他工作之前，应以该项目工艺人员工艺人员为主，电气、仪表、自控人员参加，共同编制该项
目计算机测控系统功能要求说明书。该说明书应详细列举生产过程对计算机测控系统的功能要求，它是进行该项目计算机测控系统设计的重要依据。
这个说明书的主要内容应包括：
（1）工艺情况简介（含工艺流程）。
（2）工艺设备布置。
（3）需测控的工艺、电气、参数一览表。
（4）中控室及现场操作点数量和位置。
（5）控制方式（手动、自动等）
（6）控制要求（如逻辑控制的逻辑框图、PID控制回路构成参数和指标、优化控制的系统模型等）。
（7）各类图表的数量、内容及形式说明。
（8）所有可能出现的故障、故障类别和处理说明。
（9）CRT图型画面数量、内容和要求说明。
（10）电气设备传动性能和接口形式说明。
（11）电气设备连锁关系图表等。
功能要求说明书对项目的计算机测控系统设计是至关重要的文件之一，所以在编制时应求全面、准确、详细。
3.2 确定计算机测控系统组态及系统结构设计
3.2.1 确定计算机测控系统站点分布原则
计算机测控系统是一种面向过程的控制系统。所以在组态和结构设计时，应把出发点放在现场I/O点的分布上，根据现场I/O点的分
布情况决定计算机测控系统站点设置的数量和位置。即在工艺设备布置图上把地理位置上相对集中的I/O点划成一个区域。对一般的水厂、污水处理厂，这种区域一般在4～8个之间。这些区域都可以暂时考虑设置计算机测控系统的站点。
计算机测控系统一般都具有下述三个特点：
（1）站点所含I/O点在地理位置上相对集中，这样可以节省大量信号电缆、减小因电缆过长而带来的干扰问题。
（2）尽量使在工艺上联系密切的I/O点集中在同一站点上，使计算机测控系统的各站点能相互独立的运行，当某通道或站点出现故障时，不影响其他站点的工作，从而提高整个计算机测控系统的可靠性。
（3）针对给排水行业的实际情况，计算机测控系统每一站点的I/O的数量宜控制在500点以内。以防止过大的I/O量使某一站点负荷过大而降低整个系统的反应速度和可靠性。
前面划定的区域中，凡是符合上述三个特点的，均可以确定设置计算机测控系统的站点，负责该区域的检测和控制工作。
在地表水源水厂，一般情况下计算机测控系统站点的布置位置是：（1）取水泵房。
（2）反应沉淀池和加药间。
（3）滤池和加氯间。
（4）送水泵房和变配电间。
在地下水源水厂，取水部分计算机测控系统的站点设置视井群数
量和井间距离而定，厂内部分与地表水源水厂类似。
在污水处理厂，计算机测控系统的站点布置为：
（1）污水预处理部分（格栅间、污水提升泵房、沉砂池和初沉池）。
（2）生物污水处理部分（鼓风机房、曝气池、二沉池等）。
（3）污水处理部分（污泥泵房、污泥浓缩池或污泥消化池、污泥脱水间）。
（4）尾水处理部分（接触消毒池、加药间等）
（5）回水处理部分。
在完成了计算机测控系统站点布置后，可初步选择计算机测控系统的类型。目前，在给水行业使用较为普遍有PLC和微机两类计算机测控系统。一般来说，前者适用于所有类型的水厂和污水处理厂，但造价较高。后者仅适用于中、小型水厂和污水处理厂，造价相对较低。
以下介绍PLC类型和微机类型计算机测控系统在组态时应注意的一些问题。
3.2.2 PLC系统组态及结构确定
PLC系统因其系统规模和特点不同有多种结构形式。最主要的结构形式有整体型非总线结构和总线型组件结构两大类。大、中型PLC 一般为总线组件结构形式。而微型及小型PLC则多采用非总线型整体结构。
不管哪种类型的PLC，其基本结构均为CPU和机架以及电源。
I/O模板则根据实际需要来进行配置。在整体结构的PLC中，其本身包括了一些固定配置的I/O点。在组件型PLC中，可以根据实际情况，选择一些I/O模板安装在CPU所在的机架上。在这两种形式中都可能存在I/O的数量不能满足实际需要的情况，这时可以使用扩展I/O方式来增加I/O点数。一般PLC扩展I/O方法有两种，即本地I/O 方式和远程I/O方式系统（见图）本地和远程I/O系统在本地I/O方式中，安装CPU的机架与扩展I/O机架之间采用并行总线方式通讯。由于是并行总线，所以通讯速率高、响应快。缺点是通讯电缆芯数较多，CPU机架与扩展I/O机架之间的距离不宜过长等。适于设备相对集中的场合。
在远程I/O方式中，安装CPU的机架与扩展I/O机架之间采用串行总线方式通讯。只需一根通讯电缆，但通讯速率要低一些，一般还需特殊的远程I/O驱动模块和接受模块。但机架和机架之间的距离还可以较远。适用于设备较为分散的场合。远程I/O的选择应遵循如下两点原则：
（1）远程I/O所涉及的I/O点数不应过多，在20～30点左右为宜。如超过这个数量，则应考虑增设计算机测控系统站点。
（2）远程I/O一定要在距离上体现“远”。否则增加远程I/O 的硬件软机费用高于敷设电缆的费用则没有太大意义。
另外，当整个工程还有二、三期工程需要不断扩建时，使用远程I/O较为方便。远程I/O是这种情况下比较好的选择之一。
在确定了PLC各站点的结构后，接下来的工作是如何将各个计
算机站点联系起来形成一个PLC控制系统。也就是如何组成计算机网络的问题。
在计算机领域，网络的概念是指一组资源服务于一个共同的目标，相互连接形成的硬件和软件结构。PLC计算机控制系统一般采用同族网络的形式，即网络中的资源都是同一制造商的产品。如德国西门子公司的L1网和H1网，美国A-B公司的DATE HIGHWAY网等。网络的重要特征是：
（1）网络的拓扑结构。
（2）网络的通讯协议。
一些大的PLC制造商在提供自己同族网络产品的同时，也提供能使自己的产品接口到例如ETHERNET（以太网）等标准网络的产品或者提供与这些标准网络等效的产品。
在给水排水行业的计算机测控系统设计中，星形网络和总线形网络使用得比较多。而其他形式的网络如环形网络、树形网络等则使用得少一些。在一般情况下，总线形网络是我们的首选网络形式，也是给排水行业中主要采用的网络。
3.2.3 微机测控系统的确定
微机测控系统比较繁杂，分专用和通用两类。专用型中又有STD 总线系列、MULTI总线系列、VME总线系列等多种产品。在计算机测控系统结构设计之前，应做出初步选型。在本章的如下部分中，微机测控系统均以专用型中最常用的STD总线微机测控系统为例。其他微机系列大同小异，可以参照进行。
STD总线是面向工业控制的标准化总线。它既可以自成系统，也可以方便地作为其他计算机测控系统的前端机，具有宽广的应用范围。
STD总线采用高度模块化的单功能小板结构，用它构造系统非常方便、灵活。其组态大致可以分为：
（1）独立工作模式：所谓独立工作模式是指采用基本配置（CPU+键盘+显示）加上面向现场的工业用I/O模板。
系统可以采用各种I/O接口板。对于小型控制系统，只需要CPU 板上的存储器即可。若系统较大，则可使用存储器扩展板。
1）独立工作模式1：这种系统的特点是人机接口采用简单的小键盘和LED数码显示，类似TP801单板机。也可以采用触摸键和液晶显示器。甚至是更为简单的几个指示灯和几个操作键。其支持软件是监控程序，甚至是上电后直接进入用户程序。独立工作模式系统见图独立工作模式1系统
2）独立工作模式2：见图独立工作模式2
将前述模式1中的键盘/显示板改用单色或彩色图形显示/键盘控制板（MDA/CGA/EGA/VGA）外接相应的单色或彩色监视器，也可以采用RS-232C接口板外接智能式CRT，即构成模式2系统。
3）独立工作模式3：在模式2系统中增加磁盘控制器接口板和驱动器，即构成模式3系统。该系统可运行微机的标准操作系统（2）作为其他计算机的前端控制机：采用STD总线的工业控制机可以很方便地作为其他小型、微型计算机，特别是工业PC机的前
端控制机。见图上下位微型机系统
STD系统作为前端控制机，其中PC机担负寻优计算以及管理和调度任务。它把最佳工艺参数设置给STD系统，而STD系统则完成实时在线控制，并把采集的数据和执行结果回送给上位机。
（3）构成分布式组合：利用STD控制机可以方便地进行各种分布式系统的组合。系统中各计算机之间采用高、低档工业局域网络，如ETHERNET、ARCNET、BITBUS、FIELD-BUS或RS-422/485总线进行通讯，也可以用RS-232C以及MODEM或无线数传设备构成星形网络。系统中的各个STD分站可以根据情况选择I/O模板。
典型STD控制机组合式分布计算机测控系统见图
总线形星形
3.3 选定操作站类型
在3.2.1 所介绍的站点设置中的站点有两种类型：
（1）可供操作和监视的站点。
（2）不能操作和监视的站点：不能操作和监视的站点中不设置监视器、键盘和打印机。它就是一个黑匣子，仅是一个I/O站点。人们只能通过中央控制单元监测和控制它。
可供操作和监视的站点相比，它增加了“人机”接口功能。有时称可供操作和监视的站点为操作站系统。
操作站系统充分利用了数字技术的优势，特别是多媒体技术的应用使其与传统的模拟屏装置和工业电视装置相比具有较明显的优势。
操作站系统主要功能有：
1）实时操作。
2）实时监视。
3）信息存储与报告。
操作站系统可分为：
1）本地操作站：它作为多级控制的一部分在本地进行管理和监视。
2）中央操作站：工厂自动控制系统一般为多级控制系统。全厂的信息通过网络通信联系起来。这些信息通常需要集中起来供管理部门和维修部门使用。中央操作站就是为此而设计的。它的主要任务除提供丰富的“人机”接口外，还有操作间的协调、生产决策指导、系统综合维护等。对有些计算机控制系统，中央操作站还是软件编制、下载、调试的有力工具。
对一般水厂、污水处理厂而言，控制系统的中央操作站是必不可少的。大量运行经验表明水处理工艺中各现场站点应尽量采用“不能操作和监视的站点”，即现场站点不配置外设从而减少网络的切入点，并可节省大量的控制电缆，将各种权限统一归口到中央操作站以免发生误操作，提高系统的安全稳定性，并有利于实现现场无人值班，充分发挥计算机测控系统的效能。
3.4冗余与热备
冗余与热备系统的使用，可以提高系统的可靠性。冗余是指在线全套备份或部分部件备份，当一套系统发生故障时，自动切换到备份的另一套系统上，从而提高系统的可靠性。上述的部分部件备份至
包括CPU部分的备份。冗余有一个独立的装置，称为冗余处理单元。它作为两个CPU的同步器。在检测到故障时，冗余处理器可快速将系统从主CPU切换到备份CPU。
另一种提高系统可靠性的方法为热备。主CPU和备份CPU同时工作，当主CPU发生故障时，备份CPU收不到主CPU的同步信号，这时备份CPU会代替主CPU工作直至重新收到主CPU的同步信号。这种系统较冗余系统简单，造价也低。但快速切换能力较差。
大多数计算机测控系统出现故障并不是因为计算机系统本身的原因，而是由于与计算机相连的传感器或执行机构的故障而造成的。仅靠计算机系统的冗余和热备份并不能解决所有的问题。给排水行业中各被控参数变化比较缓慢，当计算机测控系统故障时，有足够的时间切换至手动状态，对生产的影响有限。所以在水处理行业很少使用冗余设备和技术。部分热备系统的使用在水处理行业比较普遍，例如中央操作站一般都有一套热备。
冗余与热备系统的组态示意见图冗余与热备系统的组态示意
（a）为冗余系统（b）为热备系统
4计算机测控系统硬件设计步骤和方法计算机测控系统的系统设计确定了目标系统的系统框架。而计算机测控系统的硬件设计则是对已确定的系统框架的具体化和细化。目的是提出构成计算机测控系统的硬件设备配置和清单，兼供定货之用。
在计算机测控系统系统设计中，已经对目标系统拟采用的计算机系统类型、生产厂商等做出初步选择。在进行硬件设计之前应对此做出确认，确认的基本原则是：
（1）使用场合和环境是否满足要求。
（2）功能是否满足要求。
（3）费用是否满足要求。
确认后即可开始计算机测控系统的硬件设计。
4.1输入/输出（I/O）表及输入输出（I/O）模块选择
4.1.1输入/输出（I/O）表制作
输入/输出表是进行计算机测控系统设计一个重要的基础资料。它对所有将纳入计算机系统的输入/输出（I/O）量进行统计，并对各I/O量的含义和电气接口特性等进行说明。不仅在硬件设计时将用到它，在进行软件设计时也要用到它。根据I/O表提供的I/O点数正确选择模块种类和数量，是计算机测控系统硬件设计的关键。
常用的输入/输出（I/O）量的种类有以下几种：
（1）开关量输入（DI）。
（2）开关量输出（DO）。
（3）模拟量输入（AI）。
（4）模拟量输出（AO）。
（5）脉冲量输入（PI）。
（6）通讯。
（7）其他。
为避免重复和遗漏，输入/输出（I/O）表的制作最好以计算机测控系统站点为单位，对站点所辖的每台设备进行I/O设置分析。
对设备I/O设置分析的原则是：
（1）保证计算机测控系统对该设备的可控性。
当“功能要求说明书”要求计算机测控系统对该设备进行控制时，计算机测控系统应根据设备的电气驱动特点配置相应的开关量输出或模拟量输出点。根据反馈原理，计算机测控系统还应设置相应的开关量输入点、模拟量输入点或其他种类的输入点以便对控制动作进行确认。
（2）保证计算机测控系统对该设备的可观测性。当“功能要求说明书”要求计算机测控系统对该设备的运行状态进行监视时，应配置相应的信号输入点。
（3）所有信号输入/输出点的电气接口特性均应与设备的电气接口特性相一致。
4.1.2输入/输出（I/O）模块种类选择
（1）输入模块选择：输入模块一般分为数字量和模拟量两种。前者又可分为直流输入、交流输入、及脉冲输入；后者又可分为电压型和电流型输入等。
交流数字量输入模块优先选用AC110V或AC220V输入模块，它不需要特殊的电压变换装置，较易与功率放大器件的电压等级相匹配，它通过模块内的隔离变压器或变直流后经光电耦合器来保证与外部电路相隔离。各路输入信号之间一般不设隔离。
直流数字量输入模块主要用于外部电缆线路较短，且容易引起电磁感应的场合。计算机内部与外部电路采用光电耦合器进行隔离。DC12～48V主要用在微型继电器、数字开关、接近开关、限位开关等器件上。
中断输入模块用硬件检测输入信号的状态变化，并立即向CPU 发出中断请求。它的优点是既可以减少软机的负担，又可以提高系统快速响应的性能。
脉冲输入模块内设有脉冲计数器，对外部的输入脉冲进行计数，然后送往CPU。它又可分为单向、双向（加法）计数两种。使用时，不得超过规定的最大脉冲频率。有的具有预设定计数器功能，即由CPU给定设定值，当计数值等于设定值时，向CPU发中断信号。有的具有采样计数器的功能，如对脉冲进行周期采样等。
模拟量输入模块通过内藏的A/D变换器可以将现场的电压、电流、温度、压力等控制量输入计算机，这种模块内的A/D变换时间大约在几ms之间。在要求快速响应的场合，可选用A/D变换时间短的模块。变换后的二进制数分8位、10位、12位不等，有的带符号位，可根据系统所需的精度来选择不同的A/D变换位数。
常用的模拟量输入模块规格见表
第一章计算机控制系统概述 1. 什么是计算机控制系统 ? 其工作原理是怎样的? 2. 画图说明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? 3. 计算机控制系统的软件起什么作用? 4. 计算机控制系统中的实时性、在线方式和离线方式的含义是什么?实时、在线方式和离 线方式的含义是什么 ? 5. 计算机控制系统的典型形式有哪些 ? 各有什么优缺点 ? 6. 计算机控制装置可以分成哪几种类型 ? 7. 简述计算机控制系统的发展概况。 8. 讨论计算机控制系统的发展趋势。 1. 画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。 2. D/A转换器的性能指标有哪些? 3. 用 8位 DAC 芯片组成双极性电压输出电路,输出电压范围为 -5V--+5V,求对应下列偏移量的输出电压:(1 80H ; (2 01H ; (3 7FH ; (4 40H ; (5 FFH ; (6 FEH
4. 请分别画出 D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路, 并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式 5. 试用 DAC0832芯片设计一个能够输出频率为 50Hz 的方波电路和程序。 6. DAC0832与 CPU 有哪几种连接方式?他们在硬件接口及软件程序设计上有 何不同? 7. 为什么高于 8位的 D/A转换器与 8位危机接口连接时必须采用双缓冲方式? 这种双缓冲方式与 DAC0832的双缓冲方式在接口上有什么不同? 8. 试用 8255A 与 DAC1210设计一个 12位的 D/A转换接口电路,并编写出程序(8255A 的地址为 8000H ~8003H 1. 画图说明模拟量输出通道的功能、各组成部分及其作用。 2. 请分别画出一路有源 I/V 变换电路和一路无源 I/V 变换电路图,并分别说明各元器件的作用。 3. 试用 CD4051设计一个 32路模拟多路开关,要求画出电路图并说明其工作原理。 4. 采样有几种方法?采样周期越小越好吗?为什么? 5. 采样保持器的作用是什么?是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器? 为什么? 6. 简述逐次逼近式、双积分式和电压 /频率式的 A/D转换原理。 7. 设某 12位 A/D转换器的输入电压为 0~+5v,求出当输入模拟量为下列值时输出的数字量:(1 1.25v ; (2 2v ; (3 2.5v ; (4 3.75v ; (5 4v ; (6 5v 8. A/D转换器的结束信号有什么作用?根据该信号在 I/O控制中的连接方式, A/D转换有几种控制方式?它们各在接口电路和程序设计上有什么特点?
1 绪论 单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。 随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。 1．1 课题背景与研究意义 在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。 1．2 国内外研究现状及发展 液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。 ●接触式测量法 接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。
本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。 电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。 ●非接触式测量法 非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。 ●光纤测量法 光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。 光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。 目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。
第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D 转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。
计算机控制系统试卷一答案 班级：姓名：学号：成绩： 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。 答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量
振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T I大，则积分作用弱，反之强。增大T I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。 答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则K闭合，由A1、A3组成跟随器，并向C H端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至Aout。 5、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 6、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，
1 计算机控制系统概述 习题参考答案 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。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装 2
基于51单片机的水温自动控制系统 0 引言 在现代的各种工业生产中 ,很多地方都需要用到温度控制系统。而智能化的控制系统成为一种发展的趋势。本文所阐述的就是一种基于89C51单片机的温度控制系统。本温控系统可应用于温度范围30℃到96℃。 1 设计任务、要求和技术指标 1.1任务 设计并制作一水温自动控制系统，可以在一定范围（30℃到96℃）内自动调节温度，使水温保持在一定的范围（30℃到96℃）内。 1.2要求 （1）利用模拟温度传感器检测温度，要求检测电路尽可能简单。 （2）当液位低于某一值时，停止加热。 （3）用AD转换器把采集到的模拟温度值送入单片机。 （4）无竞争-冒险，无抖动。 1.3技术指标 （1）温度显示误差不超过1℃。 （2）温度显示范围为0℃—99℃。 （3）程序部分用PID算法实现温度自动控制。 （4）检测信号为电压信号。 2 方案分析与论证 2.1主控系统分析与论证 根据设计要求和所学的专业知识，采用AT89C51为本系统的核心控制器件。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。其引脚图如图1所示。 2.2显示系统分析与论证 显示模块主要用于显示时间，由于显示范围为0～99℃，因此可采用两个共阴的数码管作为显示元件。在显示驱动电路中拟订了两种设计方案： 方案一：采用静态显示的方案 采用三片移位寄存器74LS164作为显示电路，其优点在于占用主控系统的I/O口少，编程简单且静态显示的内容无闪烁，但电路消耗的电流较大。 方案二：采用动态显示的方案 由单片机的I/O口直接带数码管实现动态显示，占用资源少，动态控制节省了驱动芯片的成本，节省了电 ,但编程比较复杂，亮度不如静态的好。 由于对电路的功耗要求不大，因此就在尽量节省I/O口线的前提下选用方案一的静态显示。
第一讲 1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。 计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成； 计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成； 三个步骤原理： ①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输 入。 ②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制 规律，决定将要采取的控制行为。 ③实时控制输出：根据控制决策，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、离线方式的含义是什么？ 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。 在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。
离线方式：离线方式亦称为脱机方式，是指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做相应操作的方式。 3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。 计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、综合化。 第二讲 1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。 数字量输入通道：接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号； 数字量输出通道：把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号； 模拟量输入通道：把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号； 模拟量输出通道：把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。 2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。 克服干扰的措施主要有：硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。 其中硬件抗干扰措施包含：①过程通道抗干扰技术；②CPU抗干扰技术；③系统供电与接地技术。针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术： ①过程通道抗干扰技术：针对串模干扰，采用滤波器、双积分式A/D转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式；针对长线传输干扰可采用双绞线与同轴电缆进行传输； ②CPU抗干扰技术：使用Watchdog(俗称看门狗)、电源监控(掉电检测及保护)、复位等；
计算机测控系统的设计与实现 1 计算机测控系统的发展历程及其定义 在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段： 测控系统的发展 在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。 在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。 直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。 计算机测控系统的发展 首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。 随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。 分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。 因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统 2 计算机测控系统的组成
测量设备计算机主控器执行机构 人机界面通讯模块 图1 测控系统的组成 计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。 测量设备 测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。转换为电量，如电压，电流，再将这些电量送人到输入装置中，转换为计算机可以识别的数字量， 执行机构 执行机构（例如：调节阀、电动机）接收主控器的控制信号，输出动作，完成控制目的。 人机界面 计算机系统人机界面是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，它实现信息内部形式与人类可接受形式之间的转换。人机界面一般而言分为基于窗体的界面和基于web 的界面，基于窗体的界面它的基本特点是对动作的反应十分灵敏，能够及时响应，它是由内部的CPU 处理数据。而基于web 的界面是一个轻量型的界面，它是由远程服务器处理数据。 通讯模块 通讯模块就是通过网络，远程通信。它是计算机主控器与通讯网络之间的连接器，它可以为计算机主控器传递不同的讯号。 总而言之，一个测控系统，核心是主控器，必须有输入输出，一般而言还有人机界面或通讯模块，目的在于数据收集，参数控制。 3 主控器 主控器的结构
单片机系统与计算机系统的区别 汽服1001 201080250108 李伟 随着社会的发展和需求的提高，计算机也在不断地更新与发展。由于计算机的产生是应数值计算而产生的，因此长期以来电子计算机技术都是沿着满足大量高速数值计算而发展的，直到20世纪70年代，电子计算机在数字逻辑运算、推理、自动控制等方面显露出非凡的功能后，在各种控制领域开始对计算机技术发展提出了与传统大量高速计算完全不同的要求。这些要求是：面对控制对象、面对各种传感器信号、面对人机交互操作控制、能方便地嵌入工控应用系统中等。为了实现上述要求，近年来，单片微型计算机(简称单片机)应运而生。 单片机也被称做“微控制器”、“嵌入式微控制器”。单片机一词最初是"SingleChipMicrocomputer”，简称SCM。在单片机诞生时，SCM 是一个准确、流行的称谓，“单片机”一词准确地表达了这—概念。随着SCM在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来准确表达其内涵。国际上逐渐采用"MCU"(MicroControllerUnit”)来代替，形成了单片机界公认的、最终统一的名词。在国内因为“单片机”一词已约定俗成，故而继续沿用。单片机到底是什么呢？就是一个电脑，只不过是微型的，麻雀虽小，五脏俱全：它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机，排烟罩VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！......它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化 编程的水平为什么不用呢？ 原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用
基于单片机的过零检测控制系统的设计 如下图所示为按上述思想设计的电压正向过零检测电路。220V的交流电首先经过电阻分压,然后进行光电耦合,假设输入的是A相电压,则在A相电压由负半周向正半周转换时,图中三极管导通并工作在饱和状态,会产生一个下降沿脉冲送入ADμC812的INT0引脚使系统进入中断程序。微机系统进入中断程序后,发出采样命令并从采样保持器读取无功电流值Iqm,这个无功电流即为A相的无功电流,经过1/4个周期电压达到最大值,此时对电压进行采样,得到UM,由UM=1.414U可以得到电压有效值U。 过零检测及单片机调压 首先用PWM(脉宽调制）方法用于可控硅控制是有条件的，即调制频率不能大于市电频率（50Hz），也就是周期
不能小于20mS，否则就不能达到调制作用，调制频率超过市电频率时，可控硅即处于连续导通状态而不能达到调压目的。只有调制频率低于市电频率才能起到调压目的，即限制市电的周波通过可控硅的数量而起到调压的目的。因此用该种方法调制的电压周波数一定是小于50HZ，超过了人眼视觉暂留效应，此就是用于调光产生闪烁的原因。该调压方法用在调功或对脉动电压不敏感的用途上尚可。如果采用可控硅调压用在调光上，须采用移相的调制方法，可使光连续可调。采用移相方法就需过零检测作为移相基点。过零检测其实并不难，如果要求调压比不是很高采用简单的方法即可奏效；用一只三极管即可。用单片机进行移相调压控制可以做得很精。/********************************************************************************/ ＃i nclude
单片机原理与应用技术 课程设计报告 题目基于单片机的智能家居控制系统的设计 专业班级： 姓名：时 间：指导 教师：
单片机课程设计项目系列： 基于单片机的智能家居控制系统的设计 一．设计要求 (一)基本功能 (1)家居内无人时, 切断所有家电的220V 电源, 既消除了各种电器的待机能耗, 又避免了因供电异常、屋内漏水等不可预知事件损坏电器的危险。 (2)通过预设时间和时长控制娱乐性家电, 避免了孩子在家因过度娱乐而延误学习。 (3)所有电器的电源都直接通过系统控制进行供电 / 断电, 在使用电器时无需插拔电源插头, 避免 了因经常插拔电源插头而造成接触不良及触电的危险。 (4)根据预设室内温度和湿度对空调和加湿器自动进行启/ 停控制, 以达到最佳舒适度。 (5)各电器的工作状态在主控面板上以LED直观显示, 并通过键盘集中控制电器, 例如在观看电视时可随手打开/ 关闭厨房电灶。 (6)远程控制家电的启动操作。 (7)设定/ 显示日期、时间、星期及定时叫醒服务。 (8)为避免煤气中毒设置了一氧化碳及燃气报警。 (9)烟感和水感可及时发现家居内的水、火灾并报警。 (10)通过门磁和窗户红外线完成防盗报警。 (二)扩展功能加入住宅配房安全防盗报警功能和住宅门禁系统功能。 二．计划完成时间三周1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。 3．第三周完成软件和硬件的联合调试。
目录 1引言 (3) 2总体设计方案 (3) 2.1设计思路 (3) 2.1.1方案确立 (3) 2.2 总体设计框图 (3) 3设计原理分析 (4) 3.1传感器模块的设计 (4) 3.1.1烟感传感器 (4) 3.1.2门磁、红外探测器 (4) 3.1.3热释电传感器 (4) 3.2矩阵键盘模块 (4) 3.3单片机最小系统 (5) 3.4显示模块 (5) 3.5 输出部分 (6) 4总结与体会 (6) 参考文献 (6) 附录一程序流程图 (7) 附录二程序列表 (8)
第一章 计算机控制系统概述 习题一 1．计算机系统由哪些部分组成？并画出方框图。 2．计算机控制系统是怎样分类的？按功能和控制规律可分为几类？ 3．计算机控制系统的主要特点有哪些？ 4．计算机控制系统的主要性能指标有哪些？ 5．控制对象对控制性能有何影响？ 6．现代集成控制系统的体系结构？ 7．信息网络对控制网络的推动作用？ 8．计算机控制系统的发展动向主要表现在哪几个方面？ 第二章 计算机控制系统的数学描述 习题二 1．计算机控制系统的数学描述分为几类？ 2．采样信号的物理意义是什么？ 3．采样定理与信号复现的关系是什么？ 4．设采样周期为T ，试求以下连续时间被控对象的脉冲传递函数。 ) )((1)()3())(()()2() ()()1(b s a s K s e s G b s a s K s G a s s K s G Ts ++-=++=+= - 5．已知a s a s G s s G +==)(,1)(21，试分别求出他们中间没有采样开关隔开时，和中间有采样开关隔开时的脉冲传递函数。 6．设有闭环采样控制系统如图2.27所示，试求出该系统闭脉冲传递函数。 图2.27 闭环采样控制系统结构图 7．设采样控制系统的特征方程如下所示，试确定相应系统的渐进稳定性。 122)5(0 15.05.055.1)4(0 325.1)3(0 1939)2(0 35)1(23423412333423=+-+-=+-+-=+--=++++=+++z z z z z z z z z z z z z z z z z z z 8．设采样控制系统的特征方程为0)1(5.123=+-++k kz kz z ，试决定为保证系统稳定k 的取值范围。
学号 07437230 常州大学 硬件实习报告 题目：步进电机单片机控制系统的设计 学生： 学院（系）：专业班级： 指导教师： 通信（怀）081单片机原理与应用实习任务书 一、设计题目 步进电机单片机控制系统的设计 二、设计背景 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。它可以在机械结构中把丝杆的角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位
通信工程系指导教师：孙守昌1、前言 1.1课题的背景、目的和意义 1.1.1课题设计的背景：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机也是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。它可以在机械结构中把丝杆的角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接收计算机输出的数字信号，而不需要进行D/A转换，所以使用起来十分方便。步进电机具有快速的启停能力和精度高的显著特点，在定位场合得到了广泛应用。 1.1.2 课题设计的目的： （1）了解步进电机的结构和工作原理。 （2）掌握步进电机控制系统的设计方法及其调试技术。 （3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。步进电机驱动控制系统设计内容 1.1.3 课题设计的意义： 随着工业自动化的发展，步进电机的应用越来越广泛。步进电机是用脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，它最突出的优点是可以在宽阔的频率来实现调速，快速起停，正转反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单，廉价，又非常可行，因此在打印机等办公自动化设备以及各种控制装备等多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，研制步进电机驱动器具有十分重要的意义。 1.1.4课题的现状与发展趋势 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Stepping moter,pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有80年的历史。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展。步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中就得到了广泛应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。
***********************51液位控制程序******************************* ********带声光报警，锁存器控制LED显示器，通过控制脉冲数来*********** ****控制步进电机的步数来控制阀门的开度，通过采集的数据来决定脉冲数**** #include
第2章计算机测控系统中的硬件 习题与思考题 1．试列举出5个你所了解的自动测量与控制装置中使用的传感器或变送器（不同种类），它们在系统中起什么作用？画出检测与控制原理示意图。 2．上网搜索商品化的各种传感器、数据采集卡、远程I/O模块、工业控制计算机、智能仪器、PLC的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。 3．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？ 4．如何正确安装数据采集卡？应注意什么事项？ 5．工业控制计算机与普通个人计算机相比较，有何区别？ 6．智能仪器与传统仪器相比有哪些特点？ 7．PLC有哪些技术特点？可采用什么编程语言？ 8．查阅有关文献，学习各类电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行机构的结构、工作原理等知识。 9．上网搜索商品化的电磁式继电器、固态继电器、大功率场效应管、晶闸管、电磁阀、调节阀、伺服电机、步进电机等执行器（机构）的技术资料，列出它们的型号、生产厂家、性能特点等。 10．试画出一种电动阀（调节阀）的驱动控制电路图，说明工作原理。 11．试画出2种直流电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。 12．试画出2种交流伺服电动机的驱动控制电路图，说明工作原理。 13．试画出3种步进电机的驱动控制电路图，说明工作原理。 14．试画出1种交流型SSR控制单向交流电动机的线路示意图，说明工作原理。 解答（部分） 3．模拟量有单端和差分两种输入方式，它们的区别是什么？各用在什么场合？ 模拟量有单端和差分两种输入方式，如图1所示。 单端输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地（SG）而言只有一个输入信号端（SH），SH一般连接到运算放大器的其中一个输入端，而另一个输入端接模拟信号地。单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。 差分输入方式是指模拟量输入信号相对于模拟信号地而言有两个输入信号端，分别称之为输入信号高端（SH）和输入信号低端（SL），SH与SL分别连接到运算放大器的两个输入端，运放的实际输出取决于SH与SL的差值，故称之为差分输入或差动输入。差分输入方式每个输入可以有不同的接地参考点，并且，
计算机控制系统试卷一答案 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答 (1) 周期采样指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P 。比例调节器虽然简单快速，但对 于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P 可以减小静差，但是K P 过大时，会使系统的 动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。 积分时间常数T I 大，则积分作用弱，反之强。增大T I 将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定 性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i ｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 5、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。 二、已知系统的差分方程为（10分）