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微机控制实验报告

微机控制课程论文

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微机控制技术的发展概况及趋势

摘要：

微机控制技术的发展离不开自动控制理论和计算机技术的发展。

本文从计算机控制系统的发展历史，我国工业控制机以及系统的应用与发展，计算机控制理论的发展过程与新型控制策略，计算机控制系统的发展趋势四个方面阐述微机控制技术的发展概况及趋势。

关键词：

工控机控制理论控制策略发展趋势

一、计算机控制技术的发展历史

计算机控制系统的发展是与计算机技术、控制技术的发展密

切相关的。

计算机控制系统的发展大致经历了以下四个阶段：

（一）计算机控制系统的开创期（20世纪50年代）：

1946年世界第一台电子计算机ENICA问世。

1952年，计算机首先被用来自动检测化工生产过程的过程参量并进行数据处理。

1954年，人们开始研究计算机的开环控制。

1956年3月开始，美国开辟了计算机控制的新纪元。

但是计算机控制并没有得到广泛的应用。

（二）直接数字控制阶段（20世纪60年代）：

1962年，英国研究了一台用于过程控制的计算机，实现了直接数字控制，但是系统的抗干扰性比较差，可靠性不是太好，因此许多计算机系统发生障碍。

（三）集中式计算机控制系统发展时期（1967-1975年）：

20世界60年代，人们提出了集中式计算机控制系统。

但是仍不能满足工业生产的控制要求。

（四）以微处理器为核心的分层分布式控制系统（1975年

至今）：

分散性控制系统（DCS）采用分层分布式的递阶控制结构，用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

DCS在世界范围内获得了广泛应用。

FCS中用数字信号代替了模拟信号。

二、计算机控制系统的特点：

由于计算机本身的特点，计算机控制系统与一般常规的调节系统相比，具有以下特点。

精度高：

通过多字长的数值运算，可以实现常规调节器难以达到的控制精度，而且不存在零点漂移、热噪声及元件老化对控制精度的影响。

计算机具有分时处理能力。

一台计算机（严格说是一个CPU）可以对多个控制回路进行控制。

计算机具有很强的贮存和逻辑判断能力，能够根据生产环境的变化，及时作出判断，选择最合理的控制对策；可以实现复杂的控制规律，以达到理想的控制效果。

使用方便灵活。

计算机的控制功能是通过硬件和软件共同实现的。

在不增加硬件的情况下，可以通过修改软件来改变控制方案和控制机的功能。

计算机除了能实现控制功能以外，还可以同时实现对生产过程的

管理，如生产计划调度，经济核算等。

三、计算机控制系统的设计过程：

计算机控制系统的软、硬件结构将根据不同的对象有所不同，但

系统设计的步骤大体上相同，一般包括以下几方面。

1、确定控制任务

进行系统设计之前，首先要对控制对象进行深入调查、分析，熟悉工艺流程，了解具体的控制要求，确定系统所要完成的任务，包括系统要实现的功能、控制速度、控制精度、现场环境、完成设计的时间要求等。

根据这些任务写好设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。

2、系统的总体方案设计

根据系统设计任务书进行总体方案设计。

选择系统的软、硬件组成方式根据系统的价格和时间要求，选择适当的方式组成系统。

在时间要求比较紧的情况下，尽量选购现成的软、硬件系统进行组合；而在经费紧张的情况下可以考虑自己设计电路模块。

值得注意的是，软、硬件工作比例的划分也将对系统的价格和实现时间产生重要的影响。

系统的总体方案设计大概包括选择微处理器、确定存储器容量、选择外围接口电路、选择传感器、选择软件开发环境、硬件设计及调试六个基本内容。

3、软件设计

软件设计要根据系统总的设计要求，确定软件所要完成的各种功能及完成这些功能的逻辑和时序关系，并用软件流程图表述出来。

按软件流程图中不同的功能，分别设计相应的软件功能模块。

如模拟量输入模块、模拟量输出模块、数据处理模块、通讯模块和键盘处理模块等。

每一种模块都可以单独进行调试，各种模块分别调试好后，再按流程图逻辑和时序关系将他们正确组合、连接、调试。

4、现场安装调试

首先要按工艺流程图将系统正确安装，然后对系统进行粗调和精确调试，根据实际对象确定各种控制参数，调整显示值或保存数据等。

硬件调试和软件调试都可以在实验室环境下用对现场情况进行模拟的方式进行，并进行必要的联合调试工作，半实物仿真是系统调试的虽要基础，而最终的系统级调试要在现场完成。

5、建立完整的技术档案选项卡中，点击添加按钮开始创建镜像文件。

首先建立一个系统环境的PIM镜像文件。

在名称处填入一个有代表意义的镜像文件名称。

根据实际要求输入镜像文件的大小。

如果要单独建立数据盘镜像文件的话。

这里只需要考虑操作系统和应用软件的容量即可。

选择一个硬盘分区存放镜像文件。

存放的位置很重要，如果条件允许，我们尽量将不同的镜像文件存放在不同的物理硬盘上。

四、中国工控机及系统的应用与发展

（一）国内工控机应用领域：

当今国家，要想在综合国力上取得优势地位，就必须在科学技术上取得优势，尤其要在高新技术产品的创新设计与开发能力上取得优势。

在以信息技术为代表的高科技应用方面，要充分利用各种新兴技术、新型材料、新式能源，并结合市场需求，以实现世界的又一次“工业大革命”；在工业设计与工程设计的一致性方面，要充分协调好设计的功能和形式两个方面的关系，使两者逐步走向融合，最终实现以人为核心、人机一体化的智能集成设计体系。

从工业设计的本身角度看，随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展，使得对设计过程必然有更深的认识，对设计思维的模拟必将达到新的境界。

从整个产品设计与制造的发展趋势看，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。

随着技术的进一步发展，产品设计模式在信息化的基础上，必然朝着数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展。

国内工控机应用领域正在不断扩展，IPC已经成为计算机应用的重要分支。

随着工业控制要求的不断提高，需要新一代CompactPCI总线和PXI总线工控机诞生。

（二）中国工控机技术的发展：

IPC（工控机）在中国的发展大致可以分为三个阶段：

第一阶段是从20世纪80年代末到90年代初，这时市场上主要是国外品牌的昂贵产品。

第二阶段是从1991年到1996，IPC的应用也从传统工业控制向数据通信、电信、电力等对可靠性要求较高的行业延伸。

第三阶段是从1997年开始，大陆本土的IPC厂商开始进入该市场，IPC也随之发展成了中国第二代主流工控机技术。

五、计算机控制理论与新型控制理论

（一）计算机控制理论

若忽略数字信号的量化效应，可将计算机控制系统看成采样控制系统。

在采样控制系统中，如果将其中的连续环节离散化，整个系统便成为纯粹的离散系统。

计算机控制理论的发展过程主要有以下理论：

1.采样理论。

采样理论主要包括香农采样定理、采样频谱及混叠、采样信号的恢复以及采样系统的结构图分析等。

2.差分方程。

许多特征都可以通过分析一个线性时不变的差分方程来理解，即用差分方程代替了微分方程。

3.变换理论。

霍尔维兹于1947年对序列可用来分析离散系统的性能以及稳定性。

4.状态空间理论。

基于状态空间模型的按极点配置的设计法和最优设计法可以对离散系统进行分析和设计

5.系统辨识和自适应控制。

它包括连续模型和性能指标的离散化，性能指标函数的计算，采样控制系统的仿真和采样周期的选择等。

（二）新型控制理论

对于结构复杂，时变的非线性的系统，采用新型控制策略是非常有效的。

新型控制策略主要包括：

1.鲁棒控制。

其基本思想是在设计中设法使系统对模型的变化不敏感，使控制系统在模型误差扰动下仍能保持稳定，品质也保持在工程所能接受的范围内。

鲁棒控制主要有代数方法和频域方法。

2.模糊控制。

凡是无法建立数学模型或难以建立数学模型的场合都可以采用模糊控制。

3.专家控制。

工程控制论与专家系统的结合形成了专家控制系统，专家控制系统广泛应用于故障诊断、各种工业控制和工业设计的智能控制系统。

4.神经控制。

神经控制是一种基本上不依赖与模型的控制方法。

5.预测控制。

20世纪70年代中期在美、法等国的工业控制领域内，如动态矩阵控制、模型算法控制，这类算法以对象的阶跃响应或脉冲响应直接作为模型，目前逐渐形成了工业过程控制的一个新方向。

六、计算机控制系统的发展趋势：

要发展计算机控制技术，必须对生产过程知识、测量技术、计算机技术和控制理论等领域进行广泛深入地研究。

（一）开放式控制系统的兴起。

目前，各系统的体系结构并不一致，相互之间缺乏兼容性和互换性，各厂家的系统不具备可移植性和互操作性，真正实现控制系统的开放性，还有很长的路要走。

（二）推广发展智能控制系统。

常用的智能控制策略包括模糊控制、专家控制、学习控制以及神经控制等，智能化是控制系统技术水平的重要标志。

智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的过程，是用机器模拟人类智能的一个重要领域。

智能控制包括学习控制系统、分级递阶智能控制系统、专家系统、模糊控制系统和神经网络控制系统等。

应用智能控制技术和自动控制理论来实现的先进的计算机控制系统，将有力地推动科学技术进步，并提高工业生产系统的自动化水平。

计算机技术的发展加快了智能控制方法的研究。

智能控制方法较深浅层次上模拟人类大脑的思维判断过程，通过模拟人类思维判断的各种算法实现控制。

计算机控制系统的优势、应用特色及发展前景将随着智能控制系统的发展而发展。

（三）采用新型的分层分布式控制系统。

发展以Bitbus、现场总线等先进网络技术为基础的DCS和FCS控制结构，并采用先进控制策略，向LCA系统的方向发展，实现计算机集成制造系统。

（四）推广应用先进的控制技术。

普及应用可编程序控制器（PLC）是一种专为工业环境应用而设计的微机系统。

它用可编程序的存储器来存储用户的指令，通过数字或模拟的输入输出完成确定的逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能。

近年来PLC几乎都采用微处理器作为主控制器，且采用大规模集成电路作为存储器及I/O接口，因而其可靠性、功能、价格、体积等都比较成熟和完美。

由于智能的I/O模块的成功开发，使PLC除了具有逻辑运算、逻辑判断等功能外，还具有数据处理、故障自诊断、PID运算及网络等功能，从而大大地扩大了PLC的应用范围。

（五）控制系统的综合自动化。

综合自动化包括计算机集成制造系统和计算机集成过程系统，是过程工业中的CIMS。

（六）控制系统的网络化与虚拟化。

在数字化基础上，虚拟化技术的研究正在迅速发展，它主要包括虚拟现实、虚拟产品开发、虚拟制造和虚拟企业等。

（七）控制系统的绿色化。

绿色自动化技术的概念，保证信息安全与减少信息污染、电磁谱波抑制、洁净生产、人机和

谐和绿色制造等。

七、结语

计算机控制技术正向智能化、网络化和集成化的方向发展。

大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。

前景也越来越美好并占有更加重要的地位。

参考文献：

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机械工业出版社,2008:

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