計(jì)算機(jī)控制技術(shù)概述.ppt

計(jì)算機(jī)控制技術(shù),葉春生，材料學(xué)院 Tel控制系統(tǒng)基本概念的回顧,自動(dòng)控制 在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對(duì)象的被控量自動(dòng)地按預(yù)先給定的規(guī)律去運(yùn)行。 自動(dòng)控制系統(tǒng) 指被控對(duì)象和控制裝置的總體。這里控制裝置是一個(gè)廣義的名詞，主要是指以控制器為核心的一系列附加裝置的總和。共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，對(duì)被控對(duì)象的狀態(tài)實(shí)行自動(dòng)控制，有時(shí)又泛稱為控制器或調(diào)節(jié)器。 自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象和控制裝置 控制裝置給定元件、測(cè)量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件。,負(fù)反饋原理 把被控量反送到系統(tǒng)的輸入端與給定量進(jìn)行比較，利用偏差引起控制器產(chǎn)生控制量，以減小或消除偏差。 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基本途徑：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的主要原則： 主反饋原則按被控量偏差實(shí)行控制。 補(bǔ)償原則按給定或擾動(dòng)實(shí)行硬調(diào)或補(bǔ)償控制。 復(fù)合控制原則閉環(huán)為主開環(huán)為輔的組合控制。,控制系統(tǒng)的分類按數(shù)學(xué)模型,按應(yīng)用范圍分類：恒值系統(tǒng)與隨動(dòng)系統(tǒng),對(duì)自控系統(tǒng)的要求 對(duì)自控系統(tǒng)的要求用語言敘述就是兩句話： 要求輸出等于給定輸入所要求的期望輸出值； 要求輸出盡量不受擾動(dòng)的影響。 衡量一個(gè)系統(tǒng)是否完成上述任務(wù)，把要求轉(zhuǎn)化成三個(gè)性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)： 穩(wěn)定系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)； 快速、平穩(wěn)動(dòng)態(tài)過程時(shí)間要短，振蕩要輕。 準(zhǔn)確穩(wěn)定精度要高，誤差要小甚至無差。,解決自動(dòng)控制系統(tǒng)問題的主要過程,列寫系統(tǒng)的 微分方程式,求取傳遞函數(shù),自控系統(tǒng)的時(shí)域分析,(1) 時(shí)域分析法是通過直接求解系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)作用下的時(shí)間響應(yīng)，來分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能。工程上常用單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣。 許多自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)過參數(shù)整定和調(diào)試，其動(dòng)態(tài)特征往往近似于一階或二階系統(tǒng)。因此一、二階系統(tǒng)的理論分析結(jié)果，經(jīng)常是高階系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。 (2)時(shí)域分析法的基本方法是拉氏變換法： 結(jié)構(gòu)圖 C (s) = G(s)R (s) c (t) = L-1C (s),(3) 時(shí)域分析 (i)一階系統(tǒng)的時(shí)域分析 一階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用一階微分方程描述。一階系統(tǒng)只有一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即其時(shí)間常數(shù)T。時(shí)間常數(shù)T反應(yīng)了一階系統(tǒng)的慣性大小或阻尼程度。一階系統(tǒng)的性能由其時(shí)間常數(shù)T唯一決定。一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T，也可由實(shí)驗(yàn)曲線求出。 (ii)二階系統(tǒng)的時(shí)域分析 二階系統(tǒng)的性能分析，在自動(dòng)控制理論中有著重要的地位。二階系統(tǒng)含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即阻尼比和無阻尼振蕩頻率n。,阻尼比決定著二階系統(tǒng)的響應(yīng)模態(tài)。 = 0時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)為無阻尼響應(yīng)； =1時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)； 1時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)是過阻尼的；0 1時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)為欠阻尼響應(yīng)。欠阻尼工作狀態(tài)下，合理選擇阻尼比的取值，可使系統(tǒng)具有令人滿意的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有Mp、tr、td、tp，ts，一方面可以從響應(yīng)曲線上讀??；二是它們與、n有相應(yīng)的關(guān)系，只要已知、n，就能很容易求出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。,(4)穩(wěn)定性分析 控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，是決定其能否正常工作的前提條件。任何不穩(wěn)定的系統(tǒng)，在工程上都是毫無使用價(jià)值的。穩(wěn)定，是指系統(tǒng)受到擾動(dòng)偏離原來的平衡狀態(tài)后，去掉擾動(dòng)，系統(tǒng)仍能恢復(fù)到原工作狀態(tài)的能力。應(yīng)當(dāng)特別注意，線性系統(tǒng)的這種穩(wěn)定性只取決于系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，而與初始條件和外作用的大小及形式無關(guān)。 線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：系統(tǒng)的所有閉環(huán)特征根都具有負(fù)的實(shí)部，或閉環(huán)特征根都分布在左半s平面。,Im(s),Re(s),閉環(huán)函數(shù)極點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模態(tài),(5)穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)很重要的性能指標(biāo)，它標(biāo)志著系統(tǒng)最終可能達(dá)到的控制精度。穩(wěn)態(tài)誤差定義為穩(wěn)定系統(tǒng)誤差信號(hào)的終值。穩(wěn)態(tài)誤差既和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)，也取決于外作用的形式及大小。 穩(wěn)態(tài)誤差可應(yīng)用拉氏變換的終值定理計(jì)算，步驟如下：(1)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)計(jì)算其穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。(2)根據(jù)誤差的定義求出系統(tǒng)誤差的傳遞函數(shù)。(3)分別求出系統(tǒng)對(duì)給定和對(duì)擾動(dòng)的誤差函數(shù)。(4)用拉氏變換的終值定理計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。,1.1.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。目的：實(shí)時(shí)、高效、安全、低成本、高質(zhì)量地完成生產(chǎn)過程。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過程。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),2、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),生產(chǎn)過程,生產(chǎn)過程中的各種信號(hào)，通過各類、傳感器、變送器將其轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號(hào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)通道送入控制計(jì)算機(jī)；控制計(jì)算機(jī)將各類控制量通過對(duì)應(yīng)通道輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制生產(chǎn)過程。,各類傳感器、變送器,傾角 傳感器,加速度 傳感器,質(zhì)量流量 傳感器,電阻溫度 傳感器,激光定位 傳感器,磁 傳感器,紅外溫度 傳感器,真空度變送器,流量變送器,霍爾電壓傳感器,瞬態(tài)電流傳感器,拉壓力傳感器,CCD傳感器,各類光柵編碼器,氣體流量傳感器,各類執(zhí)行機(jī)構(gòu),伺服閥,伺服電機(jī),壓力流量控制泵,伺服液壓缸,雙向液壓缸,屬開環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)根據(jù)來自生產(chǎn)過程的各種信息，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析和綜合，給出最優(yōu)決策，操作人員根據(jù)決策結(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的操作，控制生產(chǎn)過程。 缺點(diǎn)：速度慢、實(shí)時(shí)性差。,1.1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式 1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)； 系統(tǒng)采集來自生 產(chǎn)過程的各種信 息，在計(jì)算機(jī)內(nèi) 進(jìn)行分析和綜合 ，給出最優(yōu)決策 ，通過輸出通道 輸出控制信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí) 行相關(guān)的操作， 控制生產(chǎn)過程。 優(yōu)點(diǎn)：速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靈活改變算法。,2直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC),3計(jì)算機(jī)監(jiān)督系統(tǒng)(SCC),SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)根據(jù)原始工藝信息，按照規(guī)定的算法提供最佳決策，自動(dòng)改變模擬調(diào)節(jié)器的給定。,優(yōu)點(diǎn)：不破壞原有系統(tǒng)，成本低，是一種有效的設(shè)備改造方案。,SCC數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的工藝要求信息，按照規(guī)定的算法提供最佳決策，自動(dòng)改變DDC的給定。,優(yōu)點(diǎn)：可以方便地根據(jù)不同產(chǎn)品工藝流程的要求修改計(jì)算機(jī)控制參數(shù)。如各類油品的生產(chǎn)。,4分散形控制系統(tǒng)(DCS),大型分散形控制系統(tǒng)往往構(gòu)成一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)。 裝置控制級(jí)(DDC級(jí)) DDC裝置、PLC裝置、工控機(jī) 車間監(jiān)督級(jí)(SCC級(jí)) 工業(yè)控制機(jī) 工廠集中控制級(jí)(MIS) 管理用PC機(jī) 企業(yè)管理級(jí)(MIS) 管理用PC機(jī),5. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS),DCS的缺點(diǎn)是成本高，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，互連困難。 FCS為二層結(jié)構(gòu)工作站現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表。 總線標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)真正的開放式系統(tǒng)互連。另外，F(xiàn)CS在信號(hào)的傳輸方面，從最低層的傳感器開始實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化信號(hào)傳輸。,1.2 工業(yè)控制機(jī)的組成及特點(diǎn),1.2.1 工業(yè)控制機(jī)的組成 1. 硬件組成 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件一般是由工業(yè)控制機(jī)、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺(tái)等組成。與一般的計(jì)算機(jī)相比，具有：可擴(kuò)充性、高抗干擾性、寬廣的環(huán)境適應(yīng)性、良好的人機(jī)對(duì)話功能。,通訊 總線,內(nèi)部總線,2軟件組成,軟件是指能完成各種功能的計(jì)算機(jī)程序的總和。它是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個(gè)系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。 軟件通常分為三大類： 一類是系統(tǒng)軟件：多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)； 一類是支持軟件：各類語言的編輯、編譯、調(diào)試程序、診斷程序、控制類組態(tài)軟件； 一類是應(yīng)用軟件：針對(duì)某個(gè)或某幾類生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。,1.2.2 工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu),總線：一組信號(hào)線的集合，定義了各引線的 信號(hào)功能數(shù)據(jù)、地址、控制 ； 電氣特性信號(hào)的延滯、形變、驅(qū)動(dòng)能力 ； 機(jī)械特性信號(hào)線之間的間距、機(jī)械強(qiáng)度、信號(hào)線布局、接插件標(biāo)準(zhǔn)。 1、內(nèi)部總線 每種計(jì)算機(jī)都有自身的內(nèi)部總線，由總線完成系統(tǒng)內(nèi)各模板之間的信息傳遞。內(nèi)部總線包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源總線。常見的工業(yè)控制機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)有：PC總線、PCI總線、STD總線、CAN總線、I2c總線、位總線等。,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),工業(yè)控制計(jì)算機(jī),工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)板,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),模塊,8串口擴(kuò)展卡,PC應(yīng)用板卡,STD應(yīng)用板卡,PLC,PC104總線板卡,PCI 總線插口,PC 總線插口,多總線主板,RS-232接口USB接口,CAN總線單片機(jī) P8xC592 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形圖,2. 外部總線,所謂外部總線，就是計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與其它智能設(shè)備之間進(jìn)行通訊的連線。 常見的工業(yè)控制機(jī)通訊總線標(biāo)準(zhǔn)有： RS-232、RS-422/485、USB等串行通訊總線；也有 GPIB(IEEE-488)并行通訊總線。 各種總線有各自的特點(diǎn)： RS-232： RS-232電平，通訊距離不大于15米，傳送速率不大于20kbps，采用25芯插頭連接； GPIB： TTL電平，通訊距離不大于20米，傳送速率不大于1Mbps，采用24芯插頭連接； RS-422/485：通訊距離1200m ； USB：通訊距離在5米內(nèi)，傳輸速度率可達(dá)到12Mbps。,美國InTouch,中國昆侖通態(tài),中國組態(tài)王,組態(tài)(Configuration)為模塊化任意組合。 (1)延續(xù)性和可擴(kuò)充性，用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)(包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu))或用戶需求發(fā)生改變時(shí)，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)；,工控軟件,(2)封裝性(易學(xué)易用)，通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對(duì)于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)(甚至不需要編程技術(shù))，就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能； (3)通用性，每個(gè)用戶根據(jù)工程實(shí)際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備(PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等)的I/O Driver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之一正在組態(tài)過程,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之二系統(tǒng)1,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之三系統(tǒng)2,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之四 異地系統(tǒng)監(jiān)控,實(shí)際運(yùn)行的工控軟件示例之一多效蒸發(fā)工藝流程圖,實(shí)際運(yùn)行的工控軟件示例之二發(fā)酵蒸發(fā)器工藝流程詳圖,實(shí)際運(yùn)行的工控軟件示例之三四條參數(shù)趨勢(shì)圖,實(shí)際運(yùn)行的工控軟件示例之四主參數(shù)趨勢(shì)詳圖,1.2.3 工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn),1. 可靠性和可維修性好； 可靠性好：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行不發(fā)生故障。 可維修性好：一旦出現(xiàn)故障，維修快速、簡(jiǎn)單、方便。 2. 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)； 能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境而不會(huì)因此而出現(xiàn)故障。如：高溫、低溫、灰塵、振動(dòng)、高濕、腐蝕、強(qiáng)電磁干擾、供電電源的大幅度波動(dòng)等。 3. 工作具有實(shí)時(shí)性； 4. 完善的輸入輸出通道； 5. 豐富的軟件。 6. 適當(dāng)?shù)挠?jì)算速度和精度。,1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì),1.3.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況 1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程 開創(chuàng)時(shí)期(1955-1962) 電子管計(jì)算機(jī)，可靠性差，僅從事一些操作指導(dǎo)和設(shè)定值的控制工作。 直接數(shù)字控制時(shí)期(1962-1967) 使用計(jì)算機(jī)完全取代模擬控制，由計(jì)算機(jī)構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了多路控制 小型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)時(shí)期(1967-1972) 使用小型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，來完成生產(chǎn)過程的控制。,微型計(jì)算機(jī)時(shí)期(1972-至今) 微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、專用控制芯片的大量使用，可靠性的大幅提高；各類算法的日趨成熟。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的控制軟件技術(shù)也隨之發(fā)展。70年代末以前，控制軟件主要使用的是匯編語言；后來發(fā)展成為用高級(jí)語言；目前，廣泛使用專用的組態(tài)軟件作為工業(yè)控制軟件的操作平臺(tái)。 2. 計(jì)算機(jī)控制理論(采樣理論)的發(fā)展過程 1948年任意一個(gè)線性系統(tǒng)，都可以用一個(gè)線性時(shí)不變的差分方程來描述。 1949年乃奎斯特-香農(nóng)的采樣定理為計(jì)算機(jī)控制奠定了基礎(chǔ)。,1952年一個(gè)線性時(shí)不變的差分方程可以通過將其進(jìn)行Z變換，在Z域解代數(shù)方程來求解。 1957年?duì)顟B(tài)空間理論的提出 1962年最優(yōu)控制和隨機(jī)控制理論的提出 60年代末系統(tǒng)辨識(shí)理論和自適應(yīng)理論的提出 70年代至今各類控制思想的融入：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制、自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、黑箱理論、灰箱理論。,1.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的在我國的發(fā)展趨勢(shì),1可編程控制器(PLC) 用可編程控制器對(duì)舊有的繼電器設(shè)備進(jìn)行改造。 2. 廣泛使用智能調(diào)節(jié)器 廣泛使用智能調(diào)節(jié)器對(duì)生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化控制，并形成網(wǎng)絡(luò)。 3. 采用新型的DCS和FCS 采用新型的DCS和FCS，把微型機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入 /輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來，采用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化。,4大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng),(1)人工智能控制系統(tǒng)和專家控制系統(tǒng) 人工智能是用計(jì)算機(jī)模擬人類大腦的邏輯判斷功能，其中具有代表性的兩個(gè)尖端領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。 專家系統(tǒng)即計(jì)算機(jī)專家咨詢系統(tǒng)，是一個(gè)存儲(chǔ)了大量專門知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。不同的專家系統(tǒng)將不同領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，以適當(dāng)?shù)男问酱娣庞谟?jì)算機(jī)中。根據(jù)這些專家知識(shí)，專家系統(tǒng)可以對(duì)用戶提出的問題做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢。 將人工智能系統(tǒng)和