机电系统计算机控制绪论.ppt

机电系统计算机控制 授课人 彭玉海 工业控制自动化技术的现状 工业控制自动化技术是一种运用控制理论 仪器仪表 计算机和其它信息技术 对工业生产过程实现检测 控制 优化 调度 管理和决策 达到增加产量 提高质量 降低消耗 确保安全等目的的综合性技术 主要包括工业自动化软件 硬件和系统三大部分 目前 工业控制自动化技术正在向智能化 网络化和集成化方向发展 一 以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流二 PLC在向微型化 网络化 PC化和开放性方向发展三 面向测控管一体化设计的DCS系统四 控制系统正在向现场总线 FCS 方向发展五 仪器仪表技术在向数字化 智能化 网络化 微型化方向发展六 数控技术向智能化 开放性 网络化 信息化发展七 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展八 工业控制软件正向先进控制方向发展 课程主要内容 计算机控制系统的组成及特点输入输出接口与过程通道数字程序控制技术常规及复杂控制技术应用程序设计与实现技术计算机控制系统设计与实现 第一章绪论 1 1微型计算机控制系统的组成1 2微型计算机控制系统分类1 3微型计算机控制系统的发展趋势1 4火电厂锅炉控制系统 微型计算机控制系统是由计算机 工业控制计算机 和工业对象两大部分组成 图1 1给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图 图1 1闭环控制系统框图 1 1微型计算机控制系统的组成 图1 2中给出了开环控制系统框图 它与闭环控制系统不同 它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作 被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响 与闭环控制系统相比 它的控制性能较差 图1 2开环控制系统框图 如果把图1 1中的控制器用微型计算机来代替 就可以构成微型计算机控制系统 其基本框图如图1 3所示 在微型计算机控制系统中 只要运用各种指令 就能编出符合某种控制规律的程序 微处理器执行这样的程序 就能实现对被控参数的控制 图1 3计算机控制系统基本框图 1 硬件组成微型计算机控制系统的硬件一般是由微型计算机 外部设备 输入输出通道和操作台等组成 如下图1 4所示 图1 4微型计算机控制系统原理图 硬件组成 1 微型计算机 2 外部设备 3 输入输出通道 4 操作台 2 计算机控制系统的软件 软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和 它是微型计算机控制系统的神经中枢 整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的 软件通常分为两大类 一类是系统软件 另一类是应用软件 常规控制系统和计算机控制系统的比较 前者连续不断地测量 经过反馈及补偿后对生产过程产生连续不断的控制 后者是采样控制系统 微机每隔一个采样周期T才对被控参数进行一次测量 根据一定控制规律计算出控制量后 去控制生产过程 在两次采样时刻之间 微机对被控制参数不测量 其输出控制量自然也保持不变 微机控制系统控制过程的步骤 1 实时数据采集对被控参数的瞬时值进行测量 2 实时决策对表征被控参数状态的测量值进行分析 并按已定的控制规律作出相应的控制决策 3 实时控制根据决策实时地对控制机构发出控制信号 上述过程不断重复 使系统能够按一定的动态品质指标进行工作 并对被控参数和设备是否出现异常情况进行监督 以便作出迅速处理 所谓 实时 是指信号的输入 运算处理和输出能在一定的时间内完成 即要求微机对输入信号要以足够快的速度进行测量和处理 并在一定的时间内作出反应或产生相应的控制 超出了这个时间就会失去控制时机 1 2微型计算机控制系统分类 1 操作指导控制系统2 直接数字控制系统 DDC 3 计算机监督系统 SCC 4 分级计算机控制系统 1 操作指导控制系统 图1 5操作指导控制系统组成框图 2 直接数字控制系统DDC 图1 6DDC控制系统原理图 3 计算机监督系统 SCC 计算机监督系统 SupervisoryComputerControl 简称SCC系统 SCC系统有两种不同的结构形式 一种是SCC 模拟调节器 另一种是SCC DDC控制系统 1 SCC 模拟调节器控制系统该系统原理图 如图1 7所示 2 SCC DDC控制系统SCC DDC控制系统原理图 如下图1 8所示 图1 7SCC 模拟调节器控制系统原理图 图1 8SCC DCC控制系统原理图 4 分级计算机控制系统 分级计算机控制系统是一个四级系统 各级计算机的功能如图1 9所示 装置控制级 DDC级 车间监督级 SCC级 工厂集中控制级 MIS 企业管理级 MIS 图1 9分级计算机控制系统 分散控制系统DCS Distributedcontrolsystem 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 把系统分为过程控制级 控制管理级 生产管理级等 以微处理器为核心的过程控制器PC完成过程控制的控制任务 管理计算机通过协调各过程控制器的工作 达到生产过程控制的动态最优控制 生产管理计算机完成制定生产计划和工艺流程 产品 财务 人员等管理功能 以实现生产过程静态最优化 中央操作台即CTR操作站是系统全局的显示操作装置 完成人 控制系统 过程接口任务 FCS是新一代分布式控制结构 用二层结构 工作站 现场总线智能仪表 完成DCS中的三层结构 操作站 控制站 现场仪表 的功能 降低了成本 提高了可靠性 可实现真正的开放式互连系统结构 1 可编程控制器 PLC 2 采用新型的控制系统 集散控制系统 3 人工智能4 神经网络控制系统 1 3微型计算机控制系统的发展趋势 1 可编程控制器 PLC PLC与传统的继电器控制相比 具有如下一些特点 1 抗干扰能力强 2 适应性好 3 编程直观 简单 4 功能完善 接口功能强 2 采用新型的控制系统 集散控制系统 集散控制系统是分散型综合控制系统 TotalDistributedControlSystems 或分散型微处理器控制系统 DistributedMicroprocessorControlSystems 的简称 图1 10是集散控制系统的组成框图 它以微型计算机为核心 把微型机 工业控制计算机 数据通信系统 显示操作装置 输入 输出通道 模拟仪表等有机地结合起来 采用组合组装式结构组成系统 为实现工程大系统的综合自动化创造了条件 图1 10集散系统组成框图 3 人工智能 人工智能是用计算机模拟人类大脑的逻辑判断功能 其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人 所谓专家系统即计算机专家咨询系统 是一个存储了大量专门知识的计算机程序系统 不同的专家系统将不同领域专家的知识 以适当的形式存放于计算机中 根据这些专家知识 专家系统可以对用户提出的问题做出判断和决策 以回答用户的咨询 机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置 从本世纪70年代微处理机问世以来 机器人便逐渐涉足于各工业生产领域和科学研究领域 目前已出现的机器人可以分为两类 工业机器人和智能机器人 4 神经网络控制系统 国外在20世纪80年代掀起了神经网络 NeuralNetwork 计算机的研究和应用热潮 我国在90年代也开始了这方面的研究 由于神经网络的特点 大规模的并行处理和分布式的信息存储 良好的自适应性 自组织性和很强的学习功能 联想功能及容错功能 使它的应用越来越广泛 其中一个重要的方面是智能控制 包含机器人控制 1 4火电厂DCS控制系统 近年来 DCS在火电厂过程控制领域的应用已经相当普及 应用水平提高得很快 DCS从单一功能向多功能 一体化方向发展 已经实现了包括数据采集 DAS 模拟量控制 MCS 开关量控制 SCS 汽轮机控制 DEH 旁路控制 BPS 电气控制 ECS 等多项功能 在减轻运行维护人员的劳动强度 提高火电厂的综合自动化水平 改善火电机组运行安全经济性等多方面发挥了极为重要的作用 图1 11所示为某300MW单元机组锅炉控制部分采用美国贝利公司INFI 90系统的硬件配置图 下面以其中的锅炉主蒸汽温度控制为例 给出一个DCS在火电厂过程控制系统中应用的实例 图1 11某300MW机组锅炉控制INFI 90系统硬件配置图 1 主汽温度控制方案主汽温度是单元机组主要的安全经济参数 在正常运行工况下主汽温度的偏差要求控制在 2 C范围内 动态情况下的偏差不能超过额定值的 5 10 C 对控制性能要求比较高 为了克服主汽温度被控对象的滞后惯性大的影响 增强系统抗干扰能力 大型单元机组的主汽温度控制一般采用二级喷水减温的调温方式 一级减温相当于粗调 二级减温相当于细调 同时又分为甲乙两侧进行分别控制 这样共有四个结构类似的控制回路 为了进一步克服滞后和惯性对控制的不良影响 两侧每级的喷水调节均采用了串级控制方式 图1 12为采用喷水调节的串级温度控制系统 除了减温水量以外 影响主蒸汽温度的其他主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动 统称为外部干扰 为了提高控制系统抵御外部干扰的能力 主蒸汽温度控制系统中还采用了前馈方式 图1 13为机组实际的二级减温控制系统的结构图 SAMA图 图中给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪 手动 自动切换逻辑 图1 12温度串级控制系统 图1 13主汽温控制SAMA图 1 输入 输出信号连接在上述温度控制回路中有5个输入信号 即主汽温度 喷水后温度 主蒸汽流量 送风量和阀位信号 以及1个输出信号 阀位指令 在INFI 90系统中 对所有的I O信号都要分配I O模件与端子单元 端子单元与I O模件相对应 该系统中涉及的I O模件及其端子单元如表1 1所示 这里使用IMASI03作为热电偶输入模件 相应端子单元为NTAI06 用于输入主汽温度信号和喷水后温度信号 使用IMFBS01作为电流信号输入模件 相应端子单元为NTAI05 用于输入主蒸汽流量信号 送风量信号和阀位信号 使用IMASO01作为模拟量输出模件 相应端子单元为NTDI01 用于输出阀位指令信号 表1 1常见的I O模件及其端子单元 2 控制模件组态系统中采用的INFI 90控制模件为IMMFP02 它可与若干个I O模件相连 控制模件中固化有200余种算法模块 用户通过组态的方式生成自己的控制回路 控制模件的组态是在工程师工作站EWS上通过运行组态软件来进行的 组态的过程是以CAD图的形式将相应模块连接起来 生成若干页组态图 将这些组态图编译后下装到控制模件后 控制模件就可以执行组态时指定的功能 一般来说 组态图中包含I O模件组态 如上述输入模件IMASI03 IMFBS01和输出模件IMASO01的组态 控制回路组态 例外报告组态 趋势组态等内容 图1 14为主汽温控制系统的控制回路简化CAD组态图 其中APID 即功能码FC156 为改进的PID控制算法 是一种具有相当完善功能的数字PID算法 具有完善的跟踪 抗积分饱和 高低限幅 前馈输入等功能 M A 即功能码FC80 为控制接口站 提供与数字量控制站 操作员接口单元 管理命令系统和计算机接口单元等装置之间的接口 它可以实现基本 串级和比率设定点控制以及手动 自动站转换 上述主汽温控制采用了典型的串级控制方式 其中主调节器采用PID控制 副调节器采用PI控制 有利于克服汽温对象的大惯性 大滞后特性 由于导前汽温 喷水后温度 的滞后时间和惯性时间常数与出口汽温 主汽温度 相比相对较小 副回路作为一个快速回路 能尽快消除内扰 减温水流量 的影响 实现对出口汽温的初调 同时也有利于消除外扰影响 同时 还引入了主汽流量和送风量信号作为主调节器的前馈信号 当负荷或风量发生变化时 预先调整减温水量 以尽快消除外扰影响 前馈系数根据风量及负荷对汽温对象的扰动试验进行整定 此外 主调节器还采取了抗积分饱和措施 这是通过对喷水阀位指令的高低限幅块H L 即FC12 的输出连接到主调节器II和DI实现饱和时的积分限制实现的 图1 14主汽温系统控制回路简化组