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Introduction 本章主要内容 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的组成及特点计算机控制系统的分类计算机控制系统的发展概况与趋势 第一节Unit1 计算机控制概述IntroductionofComputerControlSystem 燕山大学自动化系 本节主要内容 计算机控制系统的一般概念计算机控制系统的组成 1 1 1概述 1 常规控制系统的工作原理 按偏差e进行控制 目的是减少或消除偏差 1 1 1概述 2 计算机控制系统的工作原理 1 在线方式和离线方式 在线方式或联机方式 生产过程和计算机直接连接 并受计算机控制的方式 离线方式或脱机方式 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作相应操作的方式 2 实时的含义 实时 是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间范围内完成 实时控制系统必定是在线系统 1 1 2信号特点 1 计算机控制系统的信号形式连续模拟信号 时间与幅值上均连续 如y t u t 离散模拟信号 时间是离散的 幅值上连续 如y t u t 离散数字信号 时间离散的 幅值为数字量 如y kT u kT 1 1 2信号特点 2 计算机控制系统的采样过程 1 1 2信号特点 3 信号的保持目的 是将离散采样信号恢复为被控对象能够感知的连续模拟信号方法 采用保持器常用的保持器 零阶 一阶及高阶 1 1 2信号特点 4 零阶保持器恢复信号的示意图 零阶保持器算式yh kT t y kT 0 t T k 0 1 2 由于它只是简单地外推 故只有当T足够小时 零阶保持器才能较好地恢复原信号 1 1 3计算机控制系统的组成及作用 计算机控制系统的组成示意图 图1 4微型计算机控制系统原理图 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 高可靠性和可维护性环境的适应性强控制的实时性较完善的输入输出通道较丰富的软件 1 1 4工业控制机的特点 第二节Unit2 计算机控制系统的分类及典型系统简介 浙江大学控制科学与工程学系 本节主要内容 操作指导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典型的计算机控制系统 操作指导系统 1 2 1计算机控制系统的分类 优点 控制安全 具有一定智能 缺点 速度慢 误差大 适用 新的算法的设计 直接数字控制 DDC 系统 1 2 2计算机控制系统的分类 特点 取代模拟器 使用复杂的控制规律要求 计算机实时性好 可靠性高 适应性强 1 2 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 2 SCC DDC控制系统 监督控制 SCC 系统 计算机控制系统的分类 3 监督控制系统 SupervisoryComputerControl SCC 操作指导控制系统 DDC SCC比较 1 2 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 图分级计算机控制系统 返回本节 1 2 5 典型的计算机控制系统 1 计算机过程控制系统对温度 压力 质量 液面 速度等生产过程参数进行测量与控制的 这种系统称为过程控制系统 主控设备采用计算机则为计算机过程系统 大多数的化工生产过程均属于这类系统 2 微机控制的电动机调速系统3 采用微机的顺序控制系统顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序 而顺序进行控制的自动控制系统 如 PLC控制系统4 计算机数字程序控制系统常用的数控机床 点控和线控5 工业机器人 现代所说的机器人大多指的是工业机器人 是一种能自动定位控制 可重复编程 多功能 多自由度的操作机 1954年美国的Devol最早提出了工业机器人思想 并申请了专利 该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节 利用人手对机器人实行动作示教 机器人能实现动作的记录和再现 这就是所谓的示教再现机器人 在此基础上 1958年美国Consolidated公司制作了第一台工业机器人 作为机器人产品出售的最早的实用机型是1962年美国的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE 如图所示 第一台工业机器人UNIMATE 1970年以后机器人的研究得到了迅速广泛的普及 1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议 1973年在意大利召开了第一届RMS 辛辛那提 米拉克隆公司于1973年制成了第一台由小型计算机控制的工业机器人T3 它是液压驱动的 能提升的有效负载达45Kg 工业机器人T3 1979年Unimation公司推出了Puma系列工业机器人 它是全电驱动关节式结构 多CPU两级微机控制 采用VAL专用语言并可配置视觉 触觉 力觉传感器 是技术较为先进的机器人 工业机器人Puma 同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人 由于简单 精确 在插装电子元器件等许多工作上得到了广泛的应用 SCARA型机器人 计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人在功能和技术层次上有了很大提高 到目前为止 机器人已进入了第三代 智能化的高级机器人 具有感觉 思考 决策和动作能力的机器人系统 这类机器人目前还处于研究开发阶段 第一代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器人 目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都是这一类 第二代工业机器人具有感受功能 是具有光觉 视觉 力觉 触觉 声觉 语音识别等功能的工业机器人 此时工业机器人可以根据感受信息调整控制算法 这类工业机器人已经在实验室内研制成功并开始得到试用 但由于成本较高 其工业应用的普及还要有一个过程 我国工业机器人 我国工业机器人起步于70年代初期 经过20多年的发展 大致经历了3个阶段 70年代的萌芽期 80年代的开发期和90年代的适用化期 70年代世界上工业机器人应用掀起一个高潮 尤其在日本发展更为迅猛 它补充了日益短缺的劳动力 在这种背景下 我国于1972年开始研制自己的工业机器人 80年代 我国完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发 研制出了喷涂 点焊 弧焊和搬运机器人 1986年国家高技术研究发展计划 863计划 开始实施 智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿 经过几年的研究 取得了一大批科研成果 成功地研制出了一批特种机器人 90年代初期我国的工业机器人又在实践中迈进一大步 先后研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用途的工业机器人 并实施了一批机器人应用工程 形成了一批机器人产业化基地 为我国机器人产业的腾飞奠定了基础 在工业机器人方面 我国已具有独立设计和开发机器人本体和控制器的能力 又经历 八五 攻关 逐步开展机器人的应用工程开发 开始了机器人喷漆线 机器人点焊 弧焊工作站的开发和应用 在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面 国家 863 计划在第一阶段作为高技术跟踪的目标 重点发展了在恶劣环境下的工作机器人 精密装配机器人及装配系统 研制了水下1000米无缆机器人和6000米无缆机器人 进行了太平洋洋底探测试验 开发了用于核工业的遥控移动机器人和爬壁机器人 以及在室外恶劣环境下进行探测的机器人 这些机器人都是在良好的人机界面下 以遥控为主 具有一定的自主能力 在装配机器人方面 研制了高精度装配机器人和实用机器人 研制了风扇电机装配系统 这些系统的研究和开发 使我国在智能机器人方面的技术向前迈进了一大步 从第一台机器人问世 至今已经有40多年的历史 伴随时代的脉搏 机器人在经历了70年代进入工业应用 80年代初中期的迅速发展之后 80年代后期和90年代进入了新的发展阶段 到2000年服役机器人约100万台 机器人学仍然保持较好的发展势头 满怀希望跨入了21世纪 第三节Unit3 微型计算机控制系统的发展趋势 燕山大学自动化系 1 3 1DCS的特点 分散型控制系统 DistributedControlSystems 独立性协调性友好性适应性 灵活性和可扩充性实时性可靠性 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 图是集散控制系统的组成框图 1 3 1分散性综合控制系统 1 3 1分散性综合控制系统 图分散性综合组成框图 返回本节 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 1 3 2计算机集成控制系统 CIMS CIPS 计算机控制系统举例 例1 1卫星姿态控制 运行中的卫星经常要求对其姿态进行控制 以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位 为此 计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制 图1 6画出了一个轴的运动情况 假设只允许绕垂直于本书页面的轴进行旋转 该系统的运动方程如下 卫星姿态控制系统框图 式中 I是卫星围绕其质量中心的惯性矩 MC是由助推器加上的控制转矩 MD是扰动力矩 是卫星轴相对于基准线的角 由运动方程求传递函数 令 可得 上式的拉氏变换为 如果不考虑扰动 wd s 0 则其传递函数为 天线方位控制伺服系统 卫星跟踪天线的仰角控制 见右图 假设天线及其可动部分具有惯性转矩J 由于直流驱动电机的反电势及由于轴承和空气动力摩擦产生了阻尼 其阻尼系数为B 则运动方程为 式中 Tc是驱动电机产生的纯转矩 Td是刮风时的扰动转矩 天线示意图 如果我们定义 B J a u Tc B w Td B 则方程化简为 其拉氏变换式为 如果不考虑扰动 w s 0 则其传递函数为 工业炉控制 工业炉的典型控制 工业炉控制的典型情况 为了保证燃料在炉膛内正常燃烧 必须保持燃料和空气的比值恒定 它可以防止空气太多时 过剩空气带走大量热量 也可防止当空气太少时 由于燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑 为了保持所需的炉温 将测得的炉温送入计算机计算 进而控制燃料和空气阀门的开度 为了保持炉膛压力恒定 避免在压力过低时从炉墙的缝隙处吸入大量过剩空气 或在压力过高时大量燃料通过缝隙逸出炉外 必须采用压力控制回路 测得的炉膛压力送入计算机 进而控制烟道出口挡板的开度 为了提高炉子的热效率 还须对炉子排出的废气进行分析 一般是用氧化锆传感器测量烟气中的微量氧 通过计算而得出其热效率 并用以指导燃烧控制 这是一个原料混合和加热的控