第五章计算机控制及接口技术 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表者系统的先进性和智能特 性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常 生活的各个领域。计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如， 卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、 大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪 表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数 如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生 产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。 第一节概述 一、计算机控制系统的组成 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控制 系统，如图5]所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制 系统。 计算 D/A 险两装发 图5-1计算机控制系统基本框图 在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控 先制任务。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反债量要先经讨ΛD转换翠将 其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接敏了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控 制规律进行运算（如PD运算），计算结果（数字信号）再经过DA转换器，将数字信号转换成 模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。 典型的机电一体化控制系统结构可用图52来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是 指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以 AD转换和DA转换为核心的模拟量O通道、数字量IO通道以及各种显示、记录设备、运行 操作台等 (1)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。 (2)操作台是人一机对话的联系纽带，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CT显示器等 (3)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(CT)、软盘、硬盘及外存储娶等
1 第五章 计算机控制及接口技术 机电一体化系统中的计算机软、硬件占着相当重要的地位，它代表着系统的先进性和智能特 性。计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常 生活的各个领域。计算机用于机电一体化系统或工业控制是近年来发展非常迅速的领域。例如， 卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、工业机器人的运动、力控系统、飞机、 大型油轮的自动驾驶仪等等。现在，当你走进一个自动化生产车间，将会看到许多常规的控制仪 表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在不断地监视整个生产过程，对生产中的各种参数， 如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样，迅速进行复杂的数据处理、打印和显示生 产工艺过程的统计数字和参数，并发出各种控制命令。 第一节 概 述 一、计算机控制系统的组成 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控制 系统，如图 5-1 所示。因此，简单地说，计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制 系统。 图 5-1 计算机控制系统基本框图 在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控 制任务。在系统中，由于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转换器将 其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接收了给定量和反馈量后，依照偏差值，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，便完成了对系统的控制作用。 典型的机电一体化控制系统结构可用图5-2 来示意，它可分为硬件和软件两大部分。硬件是 指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器、内存储器、磁盘驱动器、各种接口电路、以 A/D 转换和 D/A 转换为核心的模拟量 I/O 通道、数字量 I/O 通道以及各种显示、记录设备、运行 操作台等。 （1）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。 （2）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。 （3）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
作 D风多路甘行机构 6 数字经物入 国 吸然 去钱及接作合V8塔巴 图52典型计算机控生制系统的组成框图 (4)/O接口与/0通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的VO接口有并行接口和畔 行接口。O通道有模拟量IVO通道和数字量VO通道。其中模拟量V0通道的作用是，一方面将 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：另一方面将计算机 输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通 的作用是，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，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。 (5)传感器的主要功能是将被检测的非电学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0-10mADC) 此外，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。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理 控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为 系统软件和应用软件。 系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算 的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法 或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序 控制量计算程序、生产过程监控程序等。 在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配 合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 二、计算机在控制中的应用方式 根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：操作指导指 制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统和分级计算机控制系统。 1、操作指导控制系统 如图5-3所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机只 2
2 图 5-2 典型计算机控制系统的组成框图 （4）I/O 接口与 I/O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的 I/O 接口有并行接口和串 行接口。I/O 通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中模拟量I/O 通道的作用是，一方面将 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；另一方面将计算机 输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道 的作用是，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，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。 （5）传感器的主要功能是将被检测的非电学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0~10mADC）。 此外，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。 软件是指计算机控制系统中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作、监控、管理、 控制、计算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，软件可分为 系统软件和应用软件。 系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机 的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法 或根据实际需要加以适当改造即可。 应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序、 控制量计算程序、生产过程监控程序等。 在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配 合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。 二、计算机在控制中的应用方式 根据计算机在控制中的应用方式，可以把计算机控制系统划分为四类，它们是：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和分级计算机控制系统。 1、操作指导控制系统 如图 5-3 所示，在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接用来控制生产对象。计算机只
是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作力 案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输 出的控制量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于 未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型 和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制 操作酯导计算机 作指导参考数苦 测量值 人 A/D 控制 门设定值「多路开美 整制 传感 生产过程 图53计算机操作指导控制系统示意图 2、直接数字控制系统 直接数字制DDC(Direct digital Control)系统是计算机用于工业讨程控制最普流的一种于 式，其结构如图54所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定 的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 图54直接数字控制系统 在DDC系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的 PD(比例、积分、微分)调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的 控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等 3、监督计算机控制系统(SCC) 在监督计算机控制(Supervisory Computer Control)系统中计算机根据工艺参数和过程参量检 测值，技照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者D 计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程。SCC系统有两种类型，一种是SCC+ 模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图5-5所示。 (I)SCC加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进 行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当SCC 计算机发生故障时 可由模拟调节器独立执行控制任务
3 是对生产过程的参数进行采集，然后根据一定的控制算法计算出供操作人员参考、选择的操作方 案和最佳设定值等，操作人员根据计算机的输出信息去改变调节器的设定值，或者根据计算机输 出的控制量执行相应的操作。操作指导控制系统的优点是结构简单，控制灵活安全，特别适用于 未摸清控制规律的系统，常常被用于计算机控制系统研制的初级阶段，或用于试验新的数学模型 和调试新的控制程序等。由于最终需人工操作，故不适用于快速过程的控制。 图 5-3 计算机操作指导控制系统示意图 2、直接数字控制系统 直接数字控制 DDC（Direct Digital Control）系统是计算机用于工业过程控制最普遍的一种方 式，其结构如图 5-4 所示。计算机通过输入通道对一个或多个物理量进行巡回检测，并根据规定 的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。 图 5-4 直接数字控制系统 在 DDC 系统中的计算机参加闭环控制过程，它不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的 PID（比例、积分、微分）调节，而且不需改变硬件，只需通过改变程序就能实现多种较复杂的 控制规律，如串级控制、前馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等。 3、监督计算机控制系统（SCC） 在监督计算机控制（Supervisory Computer Control）系统中计算机根据工艺参数和过程参量检 测值，按照所设计的控制算法进行计算，计算出最佳设定值直接传送给常规模拟调节器或者 DDC 计算机，最后由模拟调节器或 DDC 计算机控制生产过程。SCC 系统有两种类型，一种是 SCC+ 模拟调节器，另一种是SCC+DDC 控制系统。监督计算机控制系统构成示意图如图5-5 所示。 （1）SCC 加上模拟调节器的控制系统 这种类型的系统中，计算机对各过程参量进行巡回检测，并按一定的数学模型对生产工况进 行分析、计算后得出被控对象各参数的最优设定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当 SCC 计算机发生故障时，可由模拟调节器独立执行控制任务
DDC A/D DA幻多路开关 多路开闪防塔闲 图5-5监督计算机控制系统枸成示意图 a)SCC+模拟调节器系统b)SCC+DDC系统 (2)SCC加上DDC的控制系统 这是一种二级控制系统，SCC可采用较高档的计算机，它与DDC之间通过接口进行信息交 换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给DDC 计算机执行控制。 通常在SC℃系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值 由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进 行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规 律的控制，而且其工作可靠性较高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务 4、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问颗，也存在大量的管理问颗。同时，设备一一般分布在不同的风域 其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点 是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图56是 个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制：车间管理级 负责本车间各设备间的协调管理：工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安生产计划、备 品备件等：企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业（公司经营方向的决 策等。 企业（公可）香理级 工厂管塑级 车创脊理缓 车创管那缓 服器 生产过 图56计算机分级控制系统
4 图 5-5 监督计算机控制系统构成示意图 a） SCC＋模拟调节器系统 b） SCC＋DDC 系统 （2）SCC 加上DDC 的控制系统 这是一种二级控制系统，SCC 可采用较高档的计算机，它与 DDC 之间通过接口进行信息交 换。SCC计算机完成工段、车间等高一级的最优化分析和计算，然后给出最优设定值，送给 DDC 计算机执行控制。 通常在 SCC系统中，选用具有较强计算能力的计算机，其主要任务是输入采样和计算设定值。 由于它不参与频繁的输出控制，可有时间进行具有复杂规律的控制算式的计算。因此，SCC能进 行最优控制、自适应控制等，并能完成某些管理工作。SCC系统的优点是不仅可进行复杂控制规 律的控制，而且其工作可靠性较高，当 SCC 出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。 4、分级计算机控制系统 生产过程中既存在控制问题，也存在大量的管理问题。同时，设备一般分布在不同的区域， 其中各工序，各设备同时并行地工作，基本相互独立，故全系统是比较复杂的。这种系统的特点 是功能分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能进行控制又能实现管理。图 5-6 是一 个四级计算机控制系统。其中过程控制级为最底层，对生产设备进行直接数字控制；车间管理级 负责本车间各设备间的协调管理；工厂管理级负责全厂各车间生产协调，包括安排生产计划、备 品备件等；企业（公司）管理级负责总的协调，安排总生产计划，进行企业(公司)经营方向的决 策等。 图 5-6 计算机分级控制系统
三、典型机电一体化控制系统 1、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过 程控制系统。图57介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证 燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的此值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过 程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量：也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不 完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的护温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进 而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉腔压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入 大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得 的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对 炉子排出的废气进行分析， 般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效 率，并用以指导燃烧调节。 2、微型计算机控制的电动机调速 系统 绕效率计 由于微型计算机具有极好的快速 运算、信息存储、逻辑判断和数据处 计算 理能力，电动机调速系统中的许多控 分标位 制要求很容易在计算机中实现。例如 变流装置的非线性补偿，起动和调速 时选用不同的控制方式或不同的控制 参数，四象限运行时的逻辑切换，在 PWM型逆变器、交一交变频或某些 生产机械传动控制中要求的电压、电流 基准曲线等。由于采用计算机控制，可 图5-7工业炉的计算机控制 大大提高系统的性能。 图58是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和 电流调节器均由计算机实现， A/D 翻 回品品 厨一 围连发电机♂ 图5-8计算机控制的双闭环系统 3、计算机数字程序控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方 面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、 运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制
5 三、典型机电一体化控制系统 1、计算机过程控制系统 用计算机对温度、压力、流量、液面、速度等过程参数进行测量与控制的系统称为计算机过 程控制系统。图 5-7 介绍了工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料油或者煤气，为了保证 燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。图中描述了燃料和空气的比值控制过 程，它可以防止空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可防止当空气太少时，由于燃料燃烧不 完全而产生许多一氧化碳或碳黑。为了保持所需的炉温，将测得的炉温送入数字计算机计算，进 而控制燃料和空气阀门的开度。为了保持炉膛压力恒定，避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入 大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外，同时还采用了压力控制回路。测得 的炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板的开度。此外，为了提高炉子的热效率，还需对 炉子排出的废气进行分析，一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧，通过计算而得出其热效 率，并用以指导燃烧调节。 2、微型计算机控制的电动机调速 系统 由于微型计算机具有极好的快速 运算、信息存储、逻辑判断和数据处 理能力，电动机调速系统中的许多控 制要求很容易在计算机中实现。例如， 变流装置的非线性补偿，起动和调速 时选用不同的控制方式或不同的控制 参数，四象限运行时的逻辑切换，在 PWM 型逆变器、交—交变频或某些 生产机械传动控制中要求的电压、电流 基准曲线等。由于采用计算机控制，可 大大提高系统的性能。 图 5-8是计算机控制的双闭环直流调速系统的原理图。其中，晶闸管触发器，速度调节器和 电流调节器均由计算机实现。 图 5-8 计算机控制的双闭环系统 3、计算机数字程序控制系统 采用计算机来实现顺序控制和数字程序控制是计算机在自动控制领域中应用的一个重要方 面。它广泛地应用于机床控制、生产自动线控制、运输机械控制和交通管理等许多工业自动控制 图 5-7 工业炉的计算机控制
系统中。 所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序（或现场输入条件等）而顺序动作 的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序控制器(PC或PLC)。可编程 序控制器使用方便，可靠性高，应用广泛。 所谓数字程序控制系统是指能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运 动嘞迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的自动控制系统。数字程序控制系统（通常 简称数控)一般用于机床控制系统中，这类机床被称为数控机床。 目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹 可以分为点位控制系统和轮廓（轨迹）控制系统。点位控制系统中，被控机构（如刀具）在移动 中不进行加工，对运动轨迹没有具体要求，只要能准确定位即可，它适用于数控钻床、冲床等类 机床的控制。轮廓控制系统中，被控机构按加工件的设计轮廓曲线连续地移动，并在移动中进行 加工，最终将工件加工成所需的形状，它适用于数控铣床、车床、线切割机、绣花机等机床和生 产机械的控制。 在图5-9中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所 使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中微型 计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程 序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。 控制台 图59简单机床数字程序控制系统构成框图 4、工业机器人 工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，它主要由控制 器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉 等外部反馈信息讲行感知、理解、决第，并及时按要求驱动云动装置、语音系统完成相应任条。 图5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计 机，就没有现代的工业机器人。 象 处 扬声器 示松 知识库 6
6 系统中。 所谓顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序（或现场输入条件等）而顺序动作 的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序控制器（PC 或PLC）。可编程 序控制器使用方便，可靠性高，应用广泛。 所谓数字程序控制系统是指能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运 动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的自动控制系统。数字程序控制系统（通常 简称数控）一般用于机床控制系统中，这类机床被称为数控机床。 目前数控系统多采用16位或32位工业控制微机系统或多微处理机系统控制。它按运动轨迹 可以分为点位控制系统和轮廓（轨迹）控制系统。点位控制系统中，被控机构（如刀具）在移动 中不进行加工，对运动轨迹没有具体要求，只要能准确定位即可，它适用于数控钻床、冲床等类 机床的控制。轮廓控制系统中，被控机构按加工件的设计轮廓曲线连续地移动，并在移动中进行 加工，最终将工件加工成所需的形状，它适用于数控铣床、车床、线切割机、绣花机等机床和生 产机械的控制。 在图5-9 中表示出一个在线、开环、实时的简单机床数字程序控制系统的构成框图。根据所 使用的软件，该系统既可以设计成平面点位控制系统，又可设计成平面轮廓控制系统。图中微型 计算机是系统的核心部件，它完成程序和数据的输入、存储、加工轨迹计算和步进电动机控制程 序、显示程序、故障诊断程序等控制程序的执行等。 图 5-9 简单机床数字程序控制系统构成框图 4、工业机器人 工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，它主要由控制 器、驱动器、夹持器、手臂和各种传感器组成。工业机器人计算机系统能够对力觉、触觉、视觉 等外部反馈信息进行感知、理解、决策，并及时按要求驱动运动装置、语音系统完成相应任务。 图 5-10给出了智能机器人的一般结构，它是一个多级的计算机控制系统。可以这样说：没有计算 机，就没有现代的工业机器人
图5-10智能机器人的一般结构 第二节工业控制计算机 工业控制计算机是用于工业控制现场的计算机，它是处理来自检测传感器的输入信息，并把 处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。应用于 工业控制的计算机主要有单片微型计算机、可编程序控制器(PLC入总线工控机等类型。 根据机电一体化系统的大小和控制参数的复杂程度，我们可以采用不同的微型计算机。对于 小系统 般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单片机或可编程控 器就能满足控制要求。对于数据处理量大的系统，则往往采用基于各类总线结构的工控机，如STD 总线工控机、IBM-PC总线工控机、Multibus工控机等。对于多层次、复杂的机电一体化系统， 则要采用分级分步式控制系统，在这种控制系统中，根据各级及控制对象的特点，可分别采用单 片机、可编程控制器、总线工控机和微型机来分别完成不同的功能。 、工业控制计算机的特点及要求 由于工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特 点和要求。 1、实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。为满足实时控制 要求，通常慨要求从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时地监 视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时处理。因此，工业控制计算机应具 有较完善的中惭处理系统以及快速信号通道。 2、高可靠性 工业控制计算机通常控制者工业过程的运行，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相 应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连 续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正 确控制。另外，许多用于工业现场工业控制机，环墙恶劣，需动、冲击、噪声、高领细射及电磁 波干扰往往十分严重，以上这一切都要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且 具有较长的平均无故障间隔时间。 3、硬件配置的可装配可扩充性 工业控制计算机的使用场合干差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是 与现场相联接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。 4、可维护性 工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的 板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响：软件和硬件的诊断功能强， 在系统出现故障时，能快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施，保证发生 故障时故障不会扩散，这也可使故障定位变得容易， 作为计算机控制系统的设计者，应根据机电一体化系统（或产品）中的信总处理量、应用环境， 市场状况及操作老特占经济合理代洗的工业控制机产品。 二、单片微型计算机 单片微型计算机简称为单片机，它是将©PU、RAM、OM和/O接口集成在块芯片上 同时还具有定时计数、通讯和中断等功能的微型计算机。自1976年nt公司首片单片机问世
7 图 5-10 智能机器人的一般结构 第二节 工业控制计算机 工业控制计算机是用于工业控制现场的计算机，它是处理来自检测传感器的输入信息，并把 处理结果输出到执行机构去控制生产过程，同时可对生产进行监督、管理的计算机系统。应用于 工业控制的计算机主要有单片微型计算机、可编程序控制器（PLC）、总线工控机等类型。 根据机电一体化系统的大小和控制参数的复杂程度，我们可以采用不同的微型计算机。对于 小系统，一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单片机或可编程控制 器就能满足控制要求。对于数据处理量大的系统，则往往采用基于各类总线结构的工控机，如 STD 总线工控机、IBM-PC 总线工控机、Multibus 工控机等。对于多层次、复杂的机电一体化系统， 则要采用分级分步式控制系统，在这种控制系统中，根据各级及控制对象的特点，可分别采用单 片机、可编程控制器、总线工控机和微型机来分别完成不同的功能。 一、工业控制计算机的特点及要求 由于工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性，决定了工业控制机主要有以下一些特 点和要求。 1、实时性 实时性是指计算机控制系统能在限定的时间内对外来事件作出反应的能力。为满足实时控制 要求，通常既要求从信息采集到生产设备受到控制作用的时间尽可能短，又要求系统能实时地监 视现场的各种工艺参数，并进行在线修正，对紧急事故能及时处理。因此，工业控制计算机应具 有较完善的中断处理系统以及快速信号通道。 2、高可靠性 工业控制计算机通常控制着工业过程的运行，如果其质量不高，运行时发生故障，又没有相 应的冗余措施，则轻者使生产停顿，重者可能产生灾难性的后果。很多生产过程是日夜不停地连 续运转，因此要求与这些过程相连的工业控制机也必须无故障地连续运行，实现对生产过程的正 确控制。另外，许多用于工业现场工业控制机，环境恶劣，震动、冲击、噪声、高频辐射及电磁 波干扰往往十分严重，以上这一切都要求工业控制计算机具有高质量和很强的抗干扰能力，并且 具有较长的平均无故障间隔时间。 3、硬件配置的可装配可扩充性 工业控制计算机的使用场合干差万别，系统性能、容量要求、处理速度等都不一样，特别是 与现场相联接的外围设备的接口种类、数量等差别更大，因此宜采用模块化设计方法。 4、可维护性 工业控制计算机应有很好的可维护性，这要求系统的结构设计合理，便于维修，系统使用的 板级产品一致性好，更换模板后，系统的运行状态和精度不受影响；软件和硬件的诊断功能强， 在系统出现故障时，能快速准确地定位。另外，模块化模板上的信号应加上隔离措施，保证发生 故障时故障不会扩散，这也可使故障定位变得容易。 作为计算机控制系统的设计者，应根据机电一体化系统（或产品）中的信息处理量、应用环境、 市场状况及操作者特点经济合理优选的工业控制机产品。 二、单片微型计算机 单片微型计算机简称为单片机，它是将 CPU、RAM、ROM 和 I/O接口集成在一块芯片上， 同时还具有定时/计数、通讯和中断等功能的微型计算机。自 1976年 Intel 公司首片单片机问世以
来，随着集成电路制造技术的发展，单片机的PU依次出现了8位和16位机型，并使运行速度、 存储器容量和集成度不断提高。现在比较常用的单片机一般具有数十K的闪存、16位的WD及 看门狗等功能，而各种满足专门需要的单片机也可由生产厂家定做。 单片机以其体积小、功能齐全、价格低等优点，越来越被广泛地应用在机电一体化产品中， 特别是在数字通信产品、智能化家用电器和智能仪器领域，单片机以其几元到几十元人民币的价 格优势独霸天下。由于单片机的数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，它一般只能 辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。 单片机的生产厂家和种类很多，如：美国Intel公司的MCS系列、og公司的SUPER系列 Motolora公司的6801和6805系列，日本National公司的MN6800系列、HⅢTA☑HI公司的HD630, 系列等，其中Itl公司的MCS单片机产品在国际市场上占有最大的份额，在我国也获得最广泛 的应用。下面以MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。 1、 MCS- 48单片机系列 MCS一48系列是8位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、 8035等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是： (1)8位CPU,工作频率16Mz (2)64字节RAM数据存储器，1K字节程序存储器 (3)5V电源，40引陆脚双列直插式封装 (4)6NM工作频率时机器周期为25 ,所有指令为12个机器周期： (5)有96条指令，其中大部分为单字节指令： (6)8字节堆栈，单级中断，2个中断源 (7)两个工作存器 (8)一个8位定时/计数器 2、MCS一51单片机系列 MCS一51系列比48系列要先进得多，也是市场上应用最普遍的机型。它具有更大的存储器 扩展能力、更丰富的指令系统和配置了更多的实用功能。MCS一51单片机也是8位的单片机，该 系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多种机型。其主要特点是： (1)8位CPU,工作频率1~I2M (2)128字节RAM数据存储器，4K字节ROM程序存储器 (3)5V电源，40引脚双列直插式封装 (4)12M工作频率时机器周期为1s,所有指令为14个机器周期 (5)外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器： (6)2级中断，5个中断源 (7)21个专用寄存器，有位寻址功能 (8)2个16位定时计数器，1个全双工串行通讯口 (9)4组8位/O口 3、 MCS 96单片机系列 MCS96系列是16位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，硬件和指令系统 的设计上较8位机有很多不同之处。MCS一96单片机系列主要有8096、8094、8396、8394、8796 等多种机型。其主要特点是： (1)16位CPU,工作烦率6-12MHz (2)232字节RAM数据存储器，8K字节ROM程序存储器 (3)48和68两种引脚，多种封装形式 8
8 来，随着集成电路制造技术的发展，单片机的 CPU 依次出现了 8位和 16位机型，并使运行速度、 存储器容量和集成度不断提高。现在比较常用的单片机一般具有数十 K 的闪存、16 位的 A/D 及 看门狗等功能，而各种满足专门需要的单片机也可由生产厂家定做。 单片机以其体积小、功能齐全、价格低等优点，越来越被广泛地应用在机电一体化产品中， 特别是在数字通信产品、智能化家用电器和智能仪器领域，单片机以其几元到几十元人民币的价 格优势独霸天下。由于单片机的数据处理能力和接口限制，在大型工业控制系统中，它一般只能 辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制。 单片机的生产厂家和种类很多，如：美国Intel公司的 MCS系列、Zilog公司的 SUPER系列、 Motolora公司的 6801和 6805系列，日本 National公司的 MN6800系列、HITACHI 公司的HD6301 系列等，其中Intel公司的 MCS单片机产品在国际市场上占有最大的份额，在我国也获得最广泛 的应用。下面以 MCS系列单片机为例，来介绍单片机的结构、性能及使用上的特点。 1、 MCS—48 单片机系列 MCS—48系列是 8位的单片机，根据存储器的配置不同，该系列包括有8048、8049、8021、 8035 等多种机型，由于价格低廉，目前仍有简单的控制场合在使用。其主要特点是： （1）8 位 CPU，工作频率 1~6MHz （2）64 字节RAM 数据存储器，1K 字节程序存储器 （3）5V 电源，40 引脚双列直插式封装 （4）6MHz 工作频率时机器周期为 2.5µs，所有指令为1~2 个机器周期： （5）有 96 条指令，其中大部分为单字节指令； （6）8 字节堆栈，单级中断，2 个中断源 （7）两个工作寄存器区 （8）一个 8 位定时/计数器 2、 MCS—51 单片机系列 MCS—51 系列比 48 系列要先进得多，也是市场上应用最普遍的机型。它具有更大的存储器 扩展能力、更丰富的指令系统和配置了更多的实用功能。MCS—51单片机也是 8位的单片机，该 系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51 等多种机型。其主要特点是： （1）8 位 CPU，工作频率 1~12MHz （2）128 字节 RAM 数据存储器，4K 字节ROM 程序存储器 （3）5V 电源，40 引脚双列直插式封装 （4）12MHz 工作频率时机器周期为1µs，所有指令为1~4 个机器周期： （5）外部可分别扩展 64K 数据存储器和程序存储器； （6）2 级中断，5 个中断源 （7）21 个专用寄存器，有位寻址功能 （8）2 个 16 位定时/计数器，1 个全双工串行通讯口 （9）4 组 8 位 I/O 口 3、 MCS—96 单片机系列 MCS—96 系列是 16 位单片机，适用于高速的控制和复杂数据处理系统中，硬件和指令系统 的设计上较 8位机有很多不同之处。MCS—96单片机系列主要有 8096、8094、8396、8394、8796 等多种机型。其主要特点是： （1）16 位 CPU，工作频率6~12MHz （2）232 字节 RAM 数据存储器，8K 字节ROM 程序存储器 （3）48 和 68两种引脚，多种封装形式
(4)高速VO接口，能测量和产生高分辨率的脉冲(12MHz时是2μs),6条专用IO,2条 可编程VO: (5)外部可分别扩展64K数据存储器和程序存储器： (6)可综程8级优先中断，21个中断源 (7)脉宽调制输出，提供一组能变脉宽的可编程脉宽信号 (8)2个16位定时计数器，4个16位软件定时器 (9)5组8位/O口 (10)10位WD转换器，可接受4路或8路的模拟量输入 (11)6.25us的16位乘16位和32位除16位指令 (I2)运行时可对EPROM编程，ROM/EPROM的内容可加密 (13)全双工串行通讯口及专门的波特率发生器 另外一种16位的单片机是8098单片机，其内部结构和性能与8096完全一样，但外部数据总 线却只有8位，因此是准16位单片机。由于808减少了0线，其外形结构简化，芯片的制造 成本降低，因此应用非常广泛。MCS98单片机系列主要有8398、8798等几种机型。 三、可编程序控削器(PC) 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化 生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序。 执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序 控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑 运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器PLC(Programable Log( Controller)。现在它己经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算 联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器PC(Programable Controller)。 图5-11是PLC应用于逻辑控制的简单事例。输入信号由按扭开关、限位开关、继电器触点 等提供各种开关信号，并通过接口进入PC,经PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、 继电器、指示灯、电动机等输出装置， 控制电班电压 限位开关 图511PLC逻辑控制电路 目前，世界上生这C的工厂有上百家，总产量己法千万台的量级，其中通用申气、德法 萨斯仪器、Honey-well、.西门子、 三菱、富士、东芝等公司的产品最为著名，这些公司为开拓时 场，竞争十分激烈，竞相发展新的机型系列。而我国在PC技术上，不论是PC的制造水平，还是 使用PC的广度与深度，与发达国家相比养距仍出较大。 1、PC的组成原理
9 （4）高速 I/O接口，能测量和产生高分辨率的脉冲（12MHz时是 2µs），6条专用I/O， 2条 可编程 I/O； （5）外部可分别扩展 64K 数据存储器和程序存储器； （6）可编程 8 级优先中断，21个中断源 （7）脉宽调制输出，提供一组能改变脉宽的可编程脉宽信号 （8）2 个 16 位定时/计数器，4 个16 位软件定时器 （9）5 组 8 位 I/O 口 （10）10 位 A/D 转换器，可接受 4路或8 路的模拟量输入 （11）6.25µs 的16 位乘 16 位和 32 位除16 位指令 （12）运行时可对 EPROM 编程，ROM/EPROM 的内容可加密 （13）全双工串行通讯口及专门的波特率发生器 另外一种 16位的单片机是 8098单片机，其内部结构和性能与 8096完全一样，但外部数据总 线却只有 8 位，因此是准 16 位单片机。由于 8098 减少了 I/O 线，其外形结构简化，芯片的制造 成本降低，因此应用非常广泛。MCS—98 单片机系列主要有 8398、8798 等几种机型。 三、可编程序控制器（PC） 在制造业的自动化生产线上，各道工序都是按预定的时间和条件顺序执行的，对这种自动化 生产线进行控制的装置称为顺序控制器。以往顺序控制器主要是由继电器组成，改变生产线工序、 执行次序或条件需改变硬件连线。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用，顺序 控制器开始采用类似微型计算机的通用结构，把程序存储于存储器中，用软件实现开关量的逻辑 运算、延时等过去用继电器完成的功能，形成了可编程序逻辑控制器 PLC（Programable Logic Controller）。现在它已经发展成了除了可用于顺序控制，还具有数据处理、故障自诊断、PID 运算、 联网等能力的多功能控制器。因此，现已把它们统称为可编程序控制器 PC（Programable Controller）。 图 5-11 是 PLC 应用于逻辑控制的简单事例。输入信号由按扭开关、限位开关、继电器触点 等提供各种开关信号，并通过接口进入PC，经 PC处理后产生控制信号，通过输出接口送给线圈、 继电器、指示灯、电动机等输出装置。 目前，世界上生产 PC 的工厂有上百家，总产量已达千万台的数量级，其中通用电气、德克 萨斯仪器、Honey-well、西门子、三菱、富士、东芝等公司的产品最为著名，这些公司为开拓市 场，竞争十分激烈，竞相发展新的机型系列。而我国在 PC技术上，不论是 PC的制造水平，还是 使用 PC 的广度与深度，与发达国家相比差距仍比较大。 1、PC 的组成原理 图 5-11 PLC 逻辑控制电路
PC实际上是一个专用计算机，它的结构组成与通用微机基本相同，主要包括：CPU、存储器、 接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍C的各主要部分。 (1)CPU与通用微机CPU一样，它按PC的系统程序的要求，接收并存储从编程器键入 的用户程序和数据：用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入输入状态表或数据寄 存器中：诊断电源、内部电路的故障和编程过程中的语法错误等。P℃进入运行状态后，从存储器 逐条读入用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务产生相应的控制输出，去启动有关的控制 门电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作：完成用户程序规定 的逻辑和算术运算等任务：根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由 输出状态表的位状态和数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印和数据通信等内容。 PC的运行方式是采取扫描工作机制，这是和微处理器的本质区别。扫描工作机制就是按照定 义和设计的要求连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在PC 的典型扫描机制中，O服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫 描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描周期。根据不同的PC扫描周期一般为 10-100m5在多数PC中，都设有一个“看门狗”计时器，测量每一次扫描循环的长度，如果扫 描时间超过预设的长度（例如150-200ms)，系统将激发临界警报。参考图512，在同步扫描周 期内，除V0扫描之外，还有服务程序，通信窗口，内部执行程序等。 (启动 原务程序 ,信窗口 内部执行 程序（自途断） L/O扫罐 图5-12PLC的扫描工作机制 (2)存储器存储器分为系统程序存储器和明户程序存储器。 系统程序存储器的作用是存放监控程序、命令解释、功能子程序、调用管理程序和各种系统 参数等。系统程序是由PC生产厂家提供的，并固化在存储器中。 用户存储器的作用是存储用户编写的梯形逻辑图等程序。用户程序是使用者根据现场的生产 过程和工艺要求编写的控制程序。P℃产品说明中提供的存储器型号和容量一般指的是用户程序存 储器。 (3)接口模块它是CPU与现场1/O装置和其他外部设备之间的连接部件。PC是通过接口 0
10 PC 实际上是一个专用计算机，它的结构组成与通用微机基本相同，主要包括：CPU、存储器、 接口模块、外部设备、编程器等。下面介绍PC 的各主要部分。 （1）CPU 与通用微机 CPU 一样，它按 PC 的系统程序的要求，接收并存储从编程器键入 的用户程序和数据；用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据，并存入输入状态表或数据寄 存器中；诊断电源、内部电路的故障和编程过程中的语法错误等。PC 进入运行状态后，从存储器 逐条读入用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务产生相应的控制输出，去启动有关的控制 门电路，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作；完成用户程序规定 的逻辑和算术运算等任务；根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由 输出状态表的位状态和数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表打印和数据通信等内容。 PC 的运行方式是采取扫描工作机制，这是和微处理器的本质区别。扫描工作机制就是按照定 义和设计的要求连续和重复地检测系统输入，求解目前的控制逻辑，以及修正系统输出。在 PC 的典型扫描机制中，I/O 服务处于扫描周期的末尾，并且为扫描计时的组成部分。这种典型的扫 描称为同步扫描。扫描循环一周所花费的时间为扫描周期。根据不同的 PC 扫描周期一般为 10~100ms。在多数 PC 中，都设有一个“看门狗”计时器，测量每一次扫描循环的长度，如果扫 描时间超过预设的长度（例如 150~200ms），系统将激发临界警报。参考图 5-12，在同步扫描周 期内，除 I/O 扫描之外，还有服务程序，通信窗口，内部执行程序等。 图 5-12 PLC 的扫描工作机制 （2）存储器 存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。 系统程序存储器的作用是存放监控程序、命令解释、功能子程序、调用管理程序和各种系统 参数等。系统程序是由PC 生产厂家提供的，并固化在存储器中。 用户存储器的作用是存储用户编写的梯形逻辑图等程序。用户程序是使用者根据现场的生产 过程和工艺要求编写的控制程序。PC产品说明中提供的存储器型号和容量一般指的是用户程序存 储器。 （3）接口模块 它是 CPU与现场I/O装置和其他外部设备之间的连接部件。PC是通过接口
