自动控制系统一PPT课件.ppt

自动化学院本科教学管理规定1 考勤制度事假病假者要严格履行请假手续 病假须持医院开据的假条 事假须持辅导办的假条 不允许事后补假 无故旷课3次 含3次 以上者 平时成绩按0分记 无故迟到或早退4次 含4次 以上者 平时成绩按0分记 2 最终成绩 平时成绩X20 期末考试成绩 3 实验规定 单列实验单元 缺1次实验或实验报告者 成绩按不及格处理 1 微型计算机控制技术 本书以PC总线工业控制机为控制工具 系统地阐述数字计算机控制系统的设计和工程实现方法 知识储备 主要内容 自动控制理论 经典 现代 过程控制工程 2 第1章绪论 1 1计算机控制系统概述计算机控制系统的定义 计算机控制系统就是利用计算机 工业控制计算机 来实现生产过程自动控制的系统 一 计算机控制系统及其组成1 控制系统的一般形式2 计算机控制系统原理图3 计算机控制系统的组成二 计算机控制系统的典型型式1 按照功能分类 课本 2 按照控制规律分类3 按照控制方式分类 3 1 闭环控制系统框图 2 开环控制系统框图 1 计算机控制系统的一般形式 4 用计算机来代替原来的控制器 就构成了计算机控制系统 闭环控制系统框图 计算机控制系统框图 1 计算机控制系统的一般形式 5 1 计算机控制系统的工作原理 计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤 实时数据采集 对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入 实时控制决策 对采集到的被控量进行分析和处理 并按已定的控制规律 决定将要采取的控制行为 实时控制输出 根据控制决策 适时地对执行机构发出控制信号 完成控制任务 2 计算机控制系统原理 6 2 几个概念 在线方式和离线方式 on line off line生产过程和计算机直接连接 并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式 生产过程不和计算机相连 且不受计算机控制 而是靠人进行联系并做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式 实时 指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间范围内完成 亦即计算机对输入信息 以足够快的速度进行控制 超出了这个时间 就失去了控制的时机 控制也就失去了意义 而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧密 不同的被控对象 对时间范围的要求不同 发酵过程和导弹防御系统的对比 7 3 计算机控制系统的组成 计算机控制系统主要由 工业控制机和生产过程两大部分组成 工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机 它包括硬件和软件两部分 生产过程包括被控对象 测量变送 执行机构 电气开关等装置 8 计算机控制系统的组成框图 硬件部分 主机 接口电路 过程输入 输出通道 外部设备 操作台 9 主机 中央处理器 CPU 内存储器 RAM和ROM 接口电路 主机与外部设备 输入输出通道进行信息交换的桥梁 过程输入 输出通道 模拟量输入通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输出通道 外部设备 操作台 输入设备输出设备外存储器 CRT 显示器或 LED 数码显示器键盘 功能键和数字键 10 软件 系统软件应用软件 操作系统语言加工系统诊断系统 控制程序数据采集及处理程序巡回检测程序数据管理程序 编辑程序编译程序连接 装配程序调试程序子程序库 软件部分 数据可靠性检查程序A D转换及采样程序数字滤波程序线性化处理程序 数据采集程序越限报警程序事故预告程序画面显示程序 11 1 按照功能来分类 课本 1 操作指导控制系统 定义 计算机根据一定的控制算法 依赖测量元件测得的信号数据 计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案 优点 结构简单 控制灵活和安全缺点 要由人工操作 速度受到限制 不能控制多个对象 12 2 直接数字控制系统 定义 计算机首先通过模拟量输入通道 开关量输入通道实时采集数据 然后按照一定的控制规律进行计算 最后发出控制信息 并通过模拟量输出通道 开关量输出通道直接控制生产过程 优点 能够实现自动控制 多回路控制 能够灵活的把各种算法施加于生产过程 缺点 结构复杂 投资高 13 14 3 监督控制系统 SCC 监督控制SCC SupervisoryComputerControl 计算机根据原始工艺信息和其它参数 按照描述生产过程的数学模型或其它方法 自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型机中的给定值 从而使生产过程始终处于最优工况 如保持高质量 高效率 低消耗 低成本等等 从这个角度上说 它的作用是改变给定值 所以又称设定值控制SPC SetPointControl 优点 计算机坏了 在 a 中 模拟仪表可以直接控制 在 b 中 DDC计算机可以直接控制 SCC计算机只是采集 优化 这实际上是一种不存在上下级通信的两级控制 只存在传递设定值的关系 缺点 造价高 效益差 现在已经不用了 15 16 4 分散型控制系统 采用分散控制 集中操作 分级管理 分而自治和综合协调的设计原则 把系统从下到上分为分散过程控制级 集中操作监控级 综合信息管理级 形成分级分布式控制 特点 分散过程控制级 这是最底层 直接和现场控制点打交道 集中操作控制级 集中在控制室通过显示屏等几种监控 操作 综合信息管理级 实现整个企业的综合信息 管理 主要执行生产管理和经营管理功能 能够提供管理决策信息 17 18 5 现场总线控制系统 新一代分布式控制系统 采用 工作站 现场总线智能仪表 二层结构 国际标准统一后 可实现真正的开放式互连系统结构 主要有五种 CAN总线 controllerareanetwork 控制器局域网络 LONGWORKS总线 localoperatingnetwork局部操作网络 PROFIBUS processfieldbus过程现场总线 HATR总线 可寻址远程传感器数据网络 FF总线 现场基金会总线 19 现场总线控制系统 FieldbusControlSystem FCS 20 2 按照控制规律分类 1 程序和顺序控制 2 比例积分微分控制 PID控制 3 最小拍控制 4 复杂规律的控制 5 智能控制 21 1 程序和顺序控制 定义 程序控制是被控制量按照一定的 预先规定的时间函数变化 被控制量是时间函数的变化 顺序控制是程序控制的扩展 在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量 而且每次设定值的给出 不仅取决于时间 还取决于对以前的控制结果的逻辑判断 22 2020 1 8 23 2 比例积分微分控制 PID控制 定义 调节器的输出是调节器输入的比例 积分和微分的函数 PID控制是现在应用最广 最为广大工程技术人员熟悉的技术 PID控制结构简单 参数容易调整 因此 无论模拟调节器或者数字调节器 多数使用PID调节规律 这同样是我们学习的一个重点内容 24 3 最小拍控制 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中 最小拍控制是我们本书内容的重点和难点 是直接离散控制系统设计的根本思想 25 4 复杂规律的控制 在PID控制的基础上 引进了各种复杂规律的控制 比如串级控制 前馈控制 纯滞后补偿 解偶控制 最优控制 自适应控制等 组成复杂控制系统 目的 是为了解决随机扰动问题 使系统控制达到满意的性能指标 26 5 智能控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前技术问题所需要的系统理论结合起来的学科 可以看成三个主要理论领域的交叉或会合 即 人工智能运筹学控制理论 27 3 按照控制方式分类 按照控制方式的不同 计算机控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统 28 1 2工业控制机的组成结构及特点 一 工业控制机的组成1 工业控制机的硬件组成2 工业控制机的软件组成二 工业控制机的总线结构三 工业控制机的特点 29 工业控制机的组成 组成原理图 30 1 工业控制机的硬件组成 1 主机板 CPU RAM ROM等 作用 进行数值计算 逻辑判断 数据处理 2 内部总线和外部总线内部总线 工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道 它是一组信号线的集合 常用内部总线有IBMPC总线和STD总线 外部总线 工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道 RS 232C和IEEE 488通信总线 3 人 机接口 键盘 显示器 打印机 4 磁盘系统 软盘和硬盘 5 通信接口 工业控制机和其它计算机或智能外设通信的接口 常用RS 232C和IEEE 488接口 31 6 系统支持功能 监控定时器 Watchdog 电源掉电检测 保护重要数据的后备存贮器体 实时日历时钟 7 输入输出通道 工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道 它包括模拟量输入 AI 通道 模拟量输出 AO 通道 数字量 或开关量 输入 DI 通道 数字量 或开关量 输出 DO 通道 它的作用有两个 其一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码 其二是将主机输出的控制命令和数据 经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号 32 2 工业控制机的软件组成 1 系统软件系统软件包括实时多任务操作系统 引导程序 调度执行程序 如美国Intel公司推出的iRMX86实时多任务操作系统 美国ReadySystem公司推出的嵌入式实时多任务操作系统VRTX OS 除了实时多任务操作系统以外 也常常使用MS DOS和Windows等系统软件 2 支持软件支持软件包括汇编语言 高级语言 编译程序 编辑程序 调试程序 诊断程序等 3 应用软件应用软件是系统设计人员针对某个生产过程而编制的控制和管理程序 它包括过程输入程序 过程控制程序 过程输出程序 人机接口程序 打印显示程序和公共子程序等 33 二 工业控制机的总线结构 1 内部总线所谓内部总线 就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线 它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽 2 外部总线所谓外部总线 就是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信的连线 常用的外部总线有IEEE 488并行总线和RS 232C串行总线 34 三 工控机的特点 1 可靠性高和可维修性好 2 环境适应性强 3 控制的实时性 工业控制机应具有时间驱动和事件驱动能力 4 完善的输入输出通道 5 丰富的软件 6 适当的计算机精度和运算速度 35 1 3计算机控制系统的发展概况和趋势 一 计算机控制系统的发展概况1 计算机控制技术的发展过程2 计算机控制理论的发展过程二 计算机控制系统的发展趋势 36 1 计算机控制技术的发展过程 1 开创时期 1955 1962年 2 直接数字控制时期 1962 1967年 3 小型计算机时期 1967 1972年 4 微型计算机时期 1972年 至今 在生产过程控制中采用数字计算机的思想出现在五十年代中期 37 2 计算机控制理论的发展过程 计算机控制系统与通常的连续控制系统的差别在于 控制规律由计算机来实现 可以实现过去的连续系统难以实现的更为复杂的控制规律 如非线性控制 自适应控制和自学习控制等 计算机控制系统理论主要包括离散系统理论和采样系统理论 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究 包括 1 差分方程及z变换理论 2 常规设计方法 3 按极点配置的设计方法 4 最优设计方法 5 系统辨识及自适应控制 38 采样系统理论 采样系统理论除了包括离散系统的理论外 还有以下内容 1 采样理论 香农采样定理 2 连续模型及性能指标的离散化 3 性能指标函数的计算 4 采样控制系统的仿真 5 采样周期的选择 6 数字信号整量化效应的研究 39 二 计算机控制系统的发展趋势 1 推广应用成熟的先进技术 1 普及应用可编程序控制器 PLC 利用具有智能I O模块的PLC 将顺序控制和过程控制结合起来 实现对生产过程的控制 2 广泛使用智能调节器 智能调节器不仅可以接受4 20mA电流信号 还具有RS 232或RS 422 485异步串行通讯接口 可与上位机连成主从式测控网络 3 采用新型的DCS和FCS 发展以位总线 Bitbus 现场总线 Fieldbus 技术等先进网络通讯技术为基础的DCS和FCS控制结构 并采用先进的控制策略 向低成本综合自动化系统的方向发展 实现计算机集成制造系统 CIMS 40 1 4计算机控制系统的研究内容和对系统的基本要求 一 研究内容1 系统建模 自动控制系统研究的基本内容是对控制系统建立数学模型 简称系统建模 数学模型是描述系统变量之间关系的数学表达式 对连续系统为微分方程 对离散系统为差分方程 在现代控制理论中 要建立状态方程 建立系统的数学模型的方法有分析方法和实验方法 分析法是根据物理和化学定律 建立系统的动态方程 实验法是用系统辨识方法 即对系统加入已知信号 记录系统的输出 然后用数学模型近似 从而得到系统的数学模型 著名的 黑箱 建模方法 41 2 大力研究和发展智能控制系统 1 分级递阶智能控制系统 从工程控制论的角度出发 阐明 精度随智能提高而降低 的原理而分级为 组织级 协调级 执行级 2 模糊控制系统 基于模糊集合理论 3 专家控制系统 基于知识的系统 4 学习控制系统 学习是控制经验的积累 5 神经控制系统 基于人工神经网络的控制 42 2 系统分析 系统分析是在系统给定的情况下 研究系统的稳定性 动态性能指标和稳态误差的问题 并且讨论系统的性能指标与结构参数之间的关系 一般采用时域分析和频域分析两种方法 3 系统设计 建立一个能够完成设定的控制任务 满足一定的控制要求的系统 系统控制器的设计称为校正 控制器也称为