计算机控制系统1第一章、概论.ppt

计算机控制技术 宁波大学信息学院 2016 计算机控制技术课程介绍: 本课程介绍计算机控制系统 系统的结构 硬件配置 控制算法 软件设计 系统设计应用 达到目的 对基本控制系统：掌握系统的选择、设计、调试 对复杂控制系统：了解硬件结构、控制算法 课程内容： 评分： 课堂讨论 理论：80% 基础作业 大作业 期末 实验：20% 学位课 学分：3.5 课程性质 探究式示范建设课程 50% 50% n1、教材：刘士荣，计算机控制系统，机械工 业出版社 n2、何克忠，计算机控制技术，清华大学出版社 n3、曹承志，微型计算机控制新技术，机械工业 出版社 n4、李元春，计算机控制系统，高等教育出版 社 参考书： n第一部分：计算机控制系统的概论 第二部分：工控机，I/O接口与过程通道 第三部分：控制策略的实现 组态软件 第四部分：计算机控制系统的工程设计 数字伺服系统 双闭环直流数字调速系统 电阻炉温度控制系统 数字程序控制系统 第五部分：新颖计算机控制系统 内容介绍： n1、何谓计算机控制？ 一. 绪论 计算机控制系统就是利用计算机（如工业控制 计算机）来实现控制对象（如生产过程）自动 控制的系统。 控制: 实验室 + 工业现场(高温, 噪声) 自动: 无人为参与, 有预定目标 控制: by 计算机, 模拟电路 控 制 器 检测 装置 执行 装置 被 控 对 象 控 制 部 分 n2、控制系统组成 1）、连续控制系统结构 n3、控制框图描述 2）、离散系统结构 4、计算机控制系统的工作原理 工作原理主要为： （1）实时数据采集（2）实时控制决策（3）实时控 制输出 控制器执行器受控对象 给定 + - 检测系统 D/A A/D 工业控制机生产过程 + - M G + - + - + - 信号放大功率放大 位置检测 指令信号 校正电路 超前校正 环节 超前校正环节：改善系统的瞬态性能，提高响应速度和频宽； 滞后校正 环节 滞后校正环节：改善系统的稳态性能。 缺点：1. 当系统复杂时，校正电路会很复杂, 由于校正电路往往是由模拟 电路为主构成，稳定性、抗干扰差； 2. 校正电路一旦建立，修改就很困难。 5 5 应用应用: :雷达天线位置伺服控制 Motor 电动机 Generator 发电机 M G + - + - + - 信号放大功率放大 位置检测 计算机 A/D A/DD/A 计算机控制系统 6 雷达天线位置计算机控制系统 实时数据采集：实时数据采集： 对来自测量对来自测量变送装置变送装置的被控量的的被控量的瞬时值进行检测和输入瞬时值进行检测和输入。 计算机控制原理可归纳为以下三个步骤： 实时控制输出：实时控制输出： 根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。根据控制决策，实时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 上述过程不断重复，使整个系统按照一定的上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标品质指标进行工作，并对进行工作，并对 被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。 实时控制决策：实时控制决策： 对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采 取的控制策略。取的控制策略。 实时: 按照一定的时间间隔, 以固定的频率反复进行 品质指标: 动态参数(超调量, ts, tp), 波形 7 计算机控制系统的组成 计 算 机D/A通道A/D通道 A/D通道 给定值 反馈值 输出控制值 A/D通道 D/A通道 计算机 构成了计算机控制系统硬件的三大基本要素。 硬件系统详细的组成 接口电路: 信号转换, 数据缓冲 思考 在线控制方式？ 离线方式？ 控制的实时性？ 在线: I/O 相连, 通讯 离线: 无硬件相连, 有硬件但无通讯 实时一定在线, 在线不一定实时 8、计算机控制系统的主要特点 模拟、数字混合系统 便于修改控制规律 可实现复杂的控制规律 离散控制 可分时控制多个回路 便于实现控制与管理一体化 回路: 闭环系统 集散控制系统: 企业对多对象控制 by 网络 9、计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产 过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的 要求，应有不同的控制方案。 或者说：由于A/D、 D/A通道的形式不同以及计 算机在系统中的地位、作用不同，计算机控制系统的 形式也是多种多样。 10、计算机控制系统的典型形式 操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督控制系统 分级计算机控制系统 1.对象数学模型难建；2.存在安全隐患。 对象数学模型明确 分级计算机控制系统 装置控制级（DDC级） 工厂集中控制级 车间监督级（SCC级） 企业管理级 图1.7分级计算机控制系统 讨论题 n1、请举出日常生活中几个计算机控制实 例，你准备如何实现控制。 n2、如何评价一个控制系统的性能？ 全自动洗衣机 稳、准、快 11 计算机控制系统的性能及其指标 1). 计算机控制系统的稳定性 图 过渡过程的4种情况 （a）发散振荡 （b）衰减振荡 （c）等幅振荡 （d）非周期衰减 稳 稳 2) 控制系统的动态指标 图 阶跃信号作用下的系统动态过程 动态指标能够比 较直观地反映控 制系统的过渡过 程特性，动态指 标包括超调量， 调节时间，峰值 时间，衰减比和 振荡次数。 超调量 表示了系统过冲的程度。设输出量 的最大值为 ，输出量 的稳态值为 ，则超调量定义为 超调量通常以百分数表示，它反映了系统动态过 程的平稳性。 调整时间 调整时间 反映了过渡过程时间的长短，当 时，若 ，则 定义为调 整时间，式中 是输出量 的稳态值， 取 0.02 或0.05 。它反映了动态过程进行的快 慢，是系统的快速性指标。 4) 控制系统的稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误 差来表征。稳态误差是输出量 的稳态值 与要求值 的差值，定义为 5) 控制系统的综合指标 综合性能指标通常有3种类型 1) 积分型指标 u误差平方的积分 这种性能指标着重权衡大的误差，而较少顾 及小的误差，但这种指标数学上易于处理，可以 得到数学解析解，因此经常使用。 误差e小，并且时间t短，可使J小 这种指标较少考虑大的起始误差，着重权衡过 渡特性后期出现的误差，有较好的选择性。该指 标反映了控制系统的快速性和精确性。 u 时间乘误差平方的积分 加强了时间t对J的影响 控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 例例 假设控制对象的特性归结为对象的控制通道 G(s)和对象的扰动通道Gn(s)，如图1-10所示。 控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 控制通道的放大系数Km 惯性时间常数Tm 对象的纯滞后时间常数； 扰动通道放大系数为Kn 惯性时间常数Tn 纯滞后时间常数n 。 控制系统的性能采用超调量% 调节时间ts 稳态误差ess 控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 根据控制理论知识可以得出如下结论： *扰动通道的放大系数Kn越小，稳态误差ess也 越小，控制精度就越高，故希望Kn尽可能小； * Km对系统的性能没有影响，因为Km完全可以 由控制器的比例系数Kp来补偿。 *扰动通道的Tn加大或惯性环节的阶次增加时 ，可以减少超调量； *Tm越小，系统的反应就越灵敏，控制也就越 及时，控制性能就越好。 控制对象对控制性能的影响控制对象对控制性能的影响 * 扰动通道的纯滞后时间n对控制系统的性能 没有影响，只是使扰动引起的输出量yn(t)沿时间 轴平移了n； * 控制通道的纯滞后时间使控制系统的超调 量%增大，调节时间ts延长，纯滞后时间越大 ，控制性能就越差，甚至导致系统不稳定。 12 计算机控制系统应用实例 q 发酵罐控制系统 q IPC测控系统 q 工业机器人模型 IPC测控系统 工业机器人模型 工业机器人被广泛应用于工业过程控制，成为制造 业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。 图1.11工业机器人结构示意图 工业机器人模型 工业机器人可以理解为：拟人手臂、手腕和手功能 的机械电子装置；它可把任一物件或工具按空间位姿的 时变要求进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求 。 图1.12 机械臂关节结构示意图图1.13 机械臂关节模型 计算机控制系统的发展过程 1946年，世界上第一台电子计算机 20世纪50年代末，计算机控制系统投入实际应用 20世纪60年代末，小型计算机 1972年，微型计算机，以单片机为代表 分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统 （CIMS） 基于网络的控制技术（简称网络控制） 计算机控制系统的发展趋势 q 可编程控制器 q 嵌入式系统 q 集散控制系统 q 现场总线控制系统 q 计算机集成制造系统 q 网络控制系统 可编程控制器 在制造业的自动化生产线上，各道工序都 是按规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。 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，把程序存储在存储器中，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，形成了可编程逻辑控制器PLC。 嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）以计算机 技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导 体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术 ，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与 具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入 的本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应 用对象体系中去。 集散控制系统 目前，在过程控制领域，集散控制系统技 术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系 统。集散控制系统发展初期是以实现分散控制 为主，而进入20世纪80年代以后，集散控制系 统的技术重点转向全系统信息的综合管理，因 其具有分散控制和综合管理两方面特征，故称 为分散型综合控制系统，简称为集散控制系统 。 现场总线控制系统 现场总线控制是工业设备自动化控制的一 种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制 、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备 ）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分 散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将 这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总 线控制系统。 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术 、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及 其软件，将工厂中的全部生产环节，包括产品设 计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程 等所需使用的各种分散的自动化系统有机地集成 起来，消除“自动化孤岛”，实现多品种、中小批 量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。 网络控制系统 网络控制（Internet Based Control）系统是 以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥 操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控制 技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌 入式应用技术和控制