计算机测控系统绪论.pptx

计算机测控系统,南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室,吴义鹏y,绪论,机械结构力学及控制国家重点实验室,2,课程介绍,计算机测控系统与计算机测试系统测控与测试的区别,测控系统的概念要大于测试系统的概念；,一般而言，涉及到计算机测试的系统基本都是测控系统（测试是为后续控制服务的）；,也有少部分应用如结构健康监测等领域的少部分检测只用到纯测试；,以前本科教学办的工作人员将课程名称误打成了测试系统。,机械结构力学及控制国家重点实验室,3,课程介绍,课程简介本课程让学生在微机原理的基础上，学习与研究微机测控系统的工作原理、组建及设计方法和应用，是测试与控制技术的重要课程。通过本课程的学习。让学生基本掌握计算机测控系统的组成原理、组成要素和关键技术、新型测控元器件的性能及使用方法、系统集成和微型化，以及基于PC计算机的测控系统开发等，使学生初步学会应用本课程的理论和方法解决一些简单的工程实际问题，培养学生的系统设计能力、硬件研发能力和对新技术的适应能力。,教学方式课堂教学（40学时）+实践教学（8学时）,要求先修课程模拟电路、数字电路、微型计算机原理、自动控制原理,机械结构力学及控制国家重点实验室,4,课程介绍,基本要求了解基本概念，基本工作原理，基本设计思想等会独立设计开发简单的测控系统按时完成课程作业，态度端正,考核方式实践课程作业，报告的方式期末考试（平时所讲的基本概念、实践题考核）,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,5,1.绪论1.1 测控系统的演变1.2 微型计算机测控系统的组成介绍1.3 微型计算机控制系统分类1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,6,1.1 测控系统的演变,传统测控时代传统检测系统,被测参数,显示仪表,机械结构力学及控制国家重点实验室,7,1.1 测控系统的演变,传统测控时代传统手动控制系统,被测控参数,显示仪表,执行机构,机械结构力学及控制国家重点实验室,8,1.1 测控系统的演变,传统测控时代传统自动控制系统,被测控参数,机械结构,执行机构,机械结构力学及控制国家重点实验室,9,1.1 测控系统的演变,传统测控时代传统自动控制系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,10,1.1 测控系统的演变,传统测控时代传统自动控制系统,机械结构力学及控制国家重点实验室,11,1.1 测控系统的演变,电气测控时代传感器检测系统,被测参数,显示仪表,传感器,调理电路,机械结构力学及控制国家重点实验室,12,1.1 测控系统的演变,电气测控时代现代手动控制系统,被测控参数,显示仪表,执行机构,传感器,调理电路,机械结构力学及控制国家重点实验室,13,1.1 测控系统的演变,电气测控时代电气控制系统,被测控参数,显示器,执行机构,传感器,调理电路,控制模块,机械结构力学及控制国家重点实验室,14,1.1 测控系统的演变,计算机测控时代,被测控参数,A/D,传感器,调理电路,D/A,执行器,调理电路,计算机,机械结构力学及控制国家重点实验室,15,1.1 测控系统演变,计算机测控系统,将模拟式自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的计算机测控系统。,机械结构力学及控制国家重点实验室,16,1.1 测控系统演变,计算机测控系统,在系统中，计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D。当计算机接收了测量信号后，根据需要作分析处理；控制中，依给定量和反馈量的偏差值，按某种控制规律进行运算(如PID运算)，计算结果(数字信号)再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，完成对系统的控制作用。,机械结构力学及控制国家重点实验室,17,计算机测控系统,传感器和变送器：传感器的主要功能是将被检测的非电量参数转变成电学量，如热电偶把温度变成电压信号，压力传感器把压力变成电信号等等。变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号(如0-5V，0-10mA)。输入通道：模拟量I：将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机(A/D)数字量I通道：除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机。,1.1 测控系统演变,机械结构力学及控制国家重点实验室,18,计算机测控系统,输出通道：将计算机输出的数字控制量变换为控制操作拉行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制(D/A)。或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。执行机构：为了控制生产过程，还需有执行机构。常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交、直流电动机，步进电动机等等。,1.1 测控系统演变,机械结构力学及控制国家重点实验室,19,计算机测控系统,主机及操作台：主机由中央处理器、时钟电路、内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部件，主要进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥全系统有条不紊地协调工作。操作台是人-机对话的联系纽带，操作人员可通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令，计算机可向操作人员显示系统运行状况，发出报警信号。操作台一般包括各种控制开关、数字键、功能键、指示灯、声讯器、数字显示器或CRT显示器等。,1.1 测控系统演变,机械结构力学及控制国家重点实验室,20,计算机测控系统,通用外围设备：主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它们用来显示、存储、打印、记录各种数据。常用的有打印机、记录仪、图形显示器(CRT)、软盘、硬盘及外存储器等。,1.1 测控系统演变,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,21,1.绪论1.1 测控系统的演变1.2 微型计算机测控系统的组成介绍1.3 微型计算机控制系统分类1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,22,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,计算机概述,第一台计算机诞生在1946年美国宾夕法尼亚大学，耗资40万美元，用了18000多个电子管，占地160 m2，重量30吨。,机械结构力学及控制国家重点实验室,23,计算机概述,根据计算机所以逻辑元件的种类，计算机大概可以分成四代：1946年开始的电子管计算机，典型的逻辑结构为定点运算；1956年开始的晶体管计算机，典型逻辑结构为浮点运算，提出来变址、中断等概念；1964年开始的中小规模集成电路计算机1972年开始的大规模和超大规模集成电路计算机,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,机械结构力学及控制国家重点实验室,24,计算机工作原理,冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,机械结构力学及控制国家重点实验室,25,计算机工作原理,冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理将计算过程描述为由许多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,机械结构力学及控制国家重点实验室,26,计算机工作原理,内存中的程序,指令1,指令2,指令n,分析,获取操作数,执行,存放结果,程序计数器PC,地址,CPU,取出,操作数,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,机械结构力学及控制国家重点实验室,27,计算机工作原理,冯 诺依曼计算机的工作原理存储程序工作原理特点：程序存储，共享数据，顺序执行属于顺序处理机，适合于确定的算法和数值数据的处理。不足：与存储器间有大量数据交互，对总线要求很高；执行顺序由程序决定，对大型复杂任务较困难；以运算器为核心，处理效率较低；由PC控制执行顺序，难以进行真正的并行处理。,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,机械结构力学及控制国家重点实验室,28,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,计算机微型化,计算机技术发展迅速微机、单片机，从8位机到32位、64位机，主频从几兆到几千兆，集成度不断提高，可靠性提高、体积小、功耗低。几个概念（1）微处理器（Microprocessor）（2）微型计算机（Microcomputer）（3）微型计算系统（Microcomputer system）,机械结构力学及控制国家重点实验室,29,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成,微型计算机控制系统是由计算机（工业控制计算机）和工业对象两大部分组成。下图给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图：,机械结构力学及控制国家重点实验室,30,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成,下图给出了开环控制系统框图。它与闭环控制系统不同，它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。,机械结构力学及控制国家重点实验室,31,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成,如果把第一副图中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机控制系统，其基本框图如下图所示。在微型计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。,机械结构力学及控制国家重点实验室,32,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成系统硬件,1、主机 系统核心：检测、数据处理、判断、计算、控制等。选型：PC机、工业PC机、8位或16位或32位单片机等。,2、I/O接口 并行接口 串行接口 直接数据传输控制器 中断控制器 定时器/计数器 A/D转换器 D/A转换器,3、通用外部设备 作用：显示、打印、存储、传输数据。,机械结构力学及控制国家重点实验室,33,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成系统硬件,4、检测元件作用：对各种信息进行采集，将非电信号、非 标准信号转换成标准电信号（0-5V或 4-20mA）。器件：各种传感器、变送器,5、执行机构作用：根据控制信号进行动作，如改变转速、流量、温度等。设备：电动的、气动的、液压传动的等。,6、操作台 作用：实现人-机对话，进行各种操作 组成：功能键、数字键、开关、按钮、LED数 码管或CRT显示器。,机械结构力学及控制国家重点实验室,34,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成系统软件,1、过程监控 包括的程序有：巡回检测、数据处理、报警、操作面板服务、数字滤波、标度变换、判断、过程分析等。,2、过程控制计算 包括的程序有：控制算法（PID算法、最优控制、串级调节、比值调节、前馈调节、系统辩识等）、事故 处理、信息管理（信息生成与管理、文件管理、输出、打印、显示等）。,3、公共服务 包括的程序有：基本运算、函数运算、数码转换、格式编辑等。,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,35,1.绪论1.1 测控系统的演变1.2 微型计算机测控系统的组成介绍1.3 微型计算机控制系统分类1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,36,1.2 微型计算机控制系统分类,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,（1）操作指导指计算机输出不直接用来控制生产对象，而只是对系统过程参数进行收集、加工处理，然后输出数据，操作人员根据这些数据进行必要的操作。,系统设计较简单、安全可靠。常用于试验调试过程。,缺点是要人工操作，速度不能太快，操作不能太多。,机械结构力学及控制国家重点实验室,37,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,（2）DDC（Direct Digital Control）用一台微机对多个被控参数进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，使被控参数稳定在给定值上。,可一机多控，经济、灵活、可靠。可实现各种复杂控制，如串级、前馈、自选控制、大滞后控制等。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,38,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,在SCC系统，由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳给定值，将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。,优点：可以进行给定值控制、顺序控制、最优控制和自适应控制等。是操作指导系统和DDC系统的综合与发展。问题：由于生产过程的复杂性，其数学模型的建立比较困难，因此该系统实现比较困难。,（3）SCC（Supervisory Computer Control）,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,39,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,SCC系统的两种结构：,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,40,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,系统结构由三级组成：底层的分散过程控制级（DDC）、中间层的监督控制级（SCC）、上层的生产管理级（MIC）。是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等有机结合的产物。,各级功能：分散过程控制级DDC，用于直接生产控制，完成数据采集、顺序控制或某一闭环控制，向监控级发送数据，并接受监控级来的信息。该级由多个以计算机为核心的工作站组成。监督控制级SCC，任务是对生产过程的监视与操作，与管理级、分散控制级传送数据和指令。管理级MIC（Manage information Control），是整个系统的中枢，接受管理者的指令；对信息进行存储与管理；给管理者提供各种信息与报表；根据下级提供的信息及生产任务要求，选择数学模型和控制策略，对下一级下达指令等。,（4）分布控制系统（Distributed Control System）,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,41,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,分布控制系统的特点通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、系统规范、调试方便、运行安全可靠，能提高自动化水平、管理水平等、产品质量、生产效率，降低消耗，创造最佳经济效益社会效益等。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,42,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,1、嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)2、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU)3、嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSPP)4、嵌入式片上系统(System On Chip),（5）嵌入式系统：指非PC系统，有计算机功能但又不称这为计算机的设备或器材，包括硬件和软件两部分,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,43,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器特点:（1）对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较短的中 断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。（2）具有很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。（4）功耗低。尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW 甚至 W 级。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,44,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,据不完全统计：嵌入式处理器的品种已超过1000多种，流行体系结构有 30 几个系列，其中 8051 体系的占有半数以上，共 350 多种衍生产品。嵌入式处理器的寻址空间一般从 64kB 到 16MB，处理速度从 0.1 MIPS 到 2000 MIPS常用封装从 8 个引脚到 144 个引脚。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,45,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit）在应用中EMPU 装在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，EMPU 在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。嵌入式处理器主要有 Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,46,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)为适应不同的应用需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积小，功耗和成本低、可靠性高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,47,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式微控制器目前的品种和数量最多：通用系列：8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。半通用系列：USB 接口：MCU 8XC930/931、C540、C541；I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 占嵌入式系统约 70 的市场份额。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,48,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor)DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合于执行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。数字滤波、FFT、谱分析等方面 DSP 算法正在大量进入嵌入式领域。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,49,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,推动嵌入式 DSP 处理器发展的因素各种带有智能逻辑的消费类产品的发展需求，主要有：生物信息识别终端 带有加解密算法的键盘 ADSL 接入 实时语音压解系统 虚拟现实显示等。向量运算 指针线性寻址等,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,50,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,嵌入式片上系统(System On Chip)随着 EDI 的推广和 VLSI 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。各种通用处理器内核作为 SOC 设计公司的标准库，成为 VLSI 设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL 等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,51,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,（6）物联网系统（Internet of Things System，ITS）该系统通过射频自动识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。实际上它也属于微型计算机控制系统的概念，只不过更加庞大而已。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,52,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,53,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,物联网终端主要由外围接口模块、核心处理模块以及网络通信模块组成。通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器，红外感应器，环境传感器等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,54,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备，也是物联网的关键设备，通过他的转换和采集，才能将各种外部感知数据汇集和处理，并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在，传感数据将无法送到指定位置，“物”的联网将不复存在。,微型计算机控制系统分类采用的控制系统与具体过程、对象有关,机械结构力学及控制国家重点实验室,55,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成,（7）现场总线系统FCS（Fieldbus Control System）分布控制系统（DCS）的更新换代产品,是一种用数字通信协议连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。简言之，是一种用数字局域网络连接起来的分布式控制系统。,机械结构力学及控制国家重点实验室,56,1.2 微型计算机测控系统的组成介绍,微型计算机控制系统组成,采用的技术 控制技术、仪表工业技术、计算机网络技术,特点 1）数字化的信息传输2）分散的系统结构 3）方便的互操作性4）开放的互连网络 5）多种传输媒介的拓扑结构,FCS系统的基本设备 1）传感器变送器、2）执行器 3）服务器和网桥、4）辅助设备 5）监控设备,主要内容,机械结构力学及控制国家重点实验室,57,1.绪论1.1 测控系统的演变1.2 微型计算机测控系统的组成介绍1.3 微型计算机控制系统分类1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,58,微型计算机控制系统发展概况及趋势,大力推广应用成熟的先进技术 可编程控制器（PLC）、智能化调节器（温度、速度等调节器）集散控制系统（DCS）、现场总线系统（FCS）现场总线系统（FCS）将成为微机控制系统发展的方向,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,59,微型计算机控制系统发展概况及趋势,大力研究和发展智能控制系统模糊控制系统，是一种应用模糊集合理论的控制方法。专家控制系统，是工程控制理论与专家系统相结合的控制系统。学习控制系统，能够获得信息、积累经验、自行决策与完善的系统。,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,60,微型计算机控制系统发展概况及趋势,单片机的应用更加深入将在智能化仪器、家电、中小型工业控制等方面得到更广泛的应用。,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,61,微型计算机测控系统的典型应用,智能农业,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,机械结构力学及控制国家重点实验室,62,智能家居,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,微型计算机测控系统的典型应用,机械结构力学及控制国家重点实验室,63,航天测控系统（大型复杂的测控系统）,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,微型计算机测控系统的典型应用,机械结构力学及控制国家重点实验室,64,计算机测控系统的典型应用,计算机测控系统的利与弊,1.4 微型计算机控制系统发展概况及趋势,