数字技术控制概论.ppt

开课目的和任务 工业控制是计算机的一个重要应用领域 计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术 它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程 并设计出所需要的计算机控制系统 目的在于使学生了解和掌握以微机为核心组成的控制系统的硬件 软件基础知识和基本应用技术 开课目的和任务 本课程是自动化专业的专业主干课程之一 自动控制理论 计算机硬件技术基础 现代控制理论 运动控制系统 过程控制系统 自动控制 在无人直接参与的情况下 利用控制装置 使工作机械 或生产过程 被控对象 的某一个物理量 被控量 按预定的规律 给定量 运行 自动控制理论发展简史 经典控制理论 19世纪初 专家系统模糊控制神经网络遗传算法 时域法复域法 根轨迹法 频域法 现代控制理论 20世纪60年代 线性系统自适应控制最优控制鲁棒控制最佳估计容错控制系统辨识集散控制大系统复杂系统 智能控制理论 20世纪70年代 基本控制方式 1 开环控制2 闭环控制3 复合控制 1 闭环控制系统 闭环控制系统 闭环控制系统中 测量变送器对被控对象进行检测 把被控量如温度 压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中 控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入 并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作 执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪趋近给定值 从而实现自动控制稳定生产的目的 这种信号传递形成了闭合回路 所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统 2 开环控制系统 开环控制系统 不同于闭环系统 它不需要被控对象的测量反馈信号 控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象 所以这种信号的传递是单方向的 开环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差 其控制性能不如闭环系统 开环控制与闭环控制各有优缺点 应对其优缺点有所了解 本课主要讨论和研究闭环控制系统 开环控制系统不能自动消除被控参数偏离给定值所带来的误差 控制系统中产生的误差全部反映在被控参数上 与闭环控制系统相比 它的控制性能较差 开环控制系统 结构比较简单 成本较低 缺点是控制精度不高 抑制干扰能力差 而且对系统参数变化比较敏感 一般用于可以不考虑外界影响或精度要求不高的场合 如洗衣机 交通灯的控制等 开环控制系统与闭环控制系统的比较 闭环控制系统 不论是输入信号的变化 或者干扰的影响 或者系统内部的变化 只要是被控量偏离了规定值 都会产生相应的作用去消除偏差 因此 闭环控制抑制干扰能力强 与开环控制相比 系统对参数变化不敏感 可以选用不太精密的元件构成较为精密的控制系统 获得满意的动态特性和控制精度 但是采用反馈装置需要添加元部件 造价较高 同时也增加了系统的复杂性 如果系统的结构参数选取不适当 控制过程可能变得很差 甚至出现振荡或发散等不稳定的情况 因此 如何分析系统 合理选择系统的结构参数 从而获得满意的系统性能 是自动控制理论必须研究解决的问题 反馈控制只有在外部作用 输入信号或干扰 对控制对象产生影响之后才能做出相应的控制 尤其当控制对象具有较大延迟时间时 反馈控制不能及时地影响输出的变化 会影响系统输出的平稳性 前馈控制能使系统及时感受输入信号 使系统在偏差即将产生之前就注意纠正偏差 将前馈控制和反馈控制结合起来 构成复合控制 可以有效提高系统的控制精度 复合控制 例1炉温控制系统 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 方框图中各符号的意义 元部件方框 块 图信号 物理量 及传递方向中的符号比较点引出点表示负反馈 例2函数记录仪 函数记录仪方框图 水温调节系统 水温调节系统工作原理图 工作原理 温度传感器不断测量交换器出口处的实际水温 并在温度控制器中与给定温度相比较 若低于给定温度 其偏差值使蒸汽阀门开大 进入热交换器的蒸汽量加大 热水温度升高 直至偏差为零 如果由于某种原因 冷水流量加大 则流量值由流量计测得 通过温度控制器 开大阀门 使蒸汽量增加 提前进行控制 实现按冷水流量进行顺馈补偿 保证热交换器出口的水温不发生大的波动 其中 热交换器是被控对象 实际热水温度为被控量 给定量 希望温度 在控制器中设定 冷水流量是干扰量 这是一个按干扰补偿的复合控制系统 控制系统的组成 1 被控对象控制系统测量元件比较元件控制装置放大元件执行机构校正装置给定元件 控制系统的组成 2 控制系统的分类 按给定信号的形式按系统是否满足叠加原理按系统参数是否随时间变化按信号传递的形式按输入输出变量的多少 恒值系统 随动系统 线性系统 非线性系统 定常系统 时变系统 连续系统 离散系统 单变量系统 多变量系统 对控制系统的基本要求 1 稳 基本要求 要求系统要稳定2 准 稳态要求 系统响应达到稳态 输出跟踪精度要高3 快 动态要求 系统阶跃响应的过渡过程要快速 第一章计算机控制概述 本章要点1 了解计算机控制系统的构成原理2 了解计算机控制系统硬件组成与软件组成 3 初步认识微型计算机控制系统分类与装置种类 本章主要内容 引言 1 1计算机控制系统组成 1 2计算机控制系统分类 1 3计算机控制装置种类 本章小结 思考题 引言 计算机控制技术 是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学问 是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统 从计算机应用的角度出发 自动化控制工程是其重要的一个应用领域 而从自动化控制工程来看 计算机技术又是一个主要的实现手段 本课程立足于工业自动化的领域 讨论这种不同于普通计算机的计算机控制系统的结构组成 相关技术及其工程应用 下图为一个制药车间的自动化生产流程 1 1计算机控制系统的组成 主要知识点 1 1 1控制系统概念 1 1 2硬件组成 1 1 3软件组成 1 1 1控制系统概念 计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的 常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求 一般分成闭环控制 图1 1所示 与开环控制 图1 2所示 两种结构形式 计算机控制系统原理组成 用计算机代替图1 1的控制器 如图1 3所示 1 计算机闭环控制系统原理组成 计算机闭环控制系统的原理组成 是把图1 1中的控制器用微型计算机及A D 模 数 转换接口与D A 数 模 转换接口代替 由于计算机采用的是数字信号传递 而一次仪表多采用模拟信号传递 因此需要有A D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号 以及D A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号 图1 3计算机控制系统原理图 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 实时 信号的输入 处理和输出都必须在一定的时间范围内完成 实时性与具体生产过程密切相关 一个实时控制系统必定是在线的 但一个在线的系统不一定是实时的 2 计算机控制系统的监控过程步骤 3 计算机控制系统的特点 便于实现控制与管理一体化 使工业企业的自动化程度进一步提高 从系统结构上来讲 计算机控制系统是由模拟部件及数字部件组成的混合系统 从信号形式上来讲 计算机控制系统中存在多种信号形式的变换 是一种模拟和数字混合信号系统 控制规律通过软件实现 数字控制器 具有更大的灵活性和适应性 能方便地实现复杂控制规律 并且修改方便 它是离散控制系统 一个数字控制器可采用分时控制的方式控制多个回路 1 1 2硬件组成 计算机控制系统硬件一般包括 主机 CPU RAM ROM 系统总线常规外部设备 输入 输出设备 外存储器等过程输入输出通道 AI AO DI DO操作台 CRT LED LCD等通信设备 交换机 modem 集线器等图1 4所示硬件组成框图 图1 4计算机控制系统硬件组成原理图 要控制的生产装置或设备 系统硬件主要由以下几部分构成 1 主机作用 是系统核心 检测 数据处理 判断 计算 控制 报警等 选型 STD总线机 工业PC机 8位 16位或32位单片机 PLC等 2 输入 输出通道 过程通道 作用 在计算机和生产过程之间架设信息传递和变换的连接桥梁 种类 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I O接口包括 并行接口8255或8155串行接口8251直接数据传输控制器8237中断控制器8259定时器 计数器8254A D转换器ADC0809等D A转换器DAC0832等 3 通用外部设备作用 显示 打印 存储 传输数据 4 检测元件作用 对各种信息进行采集 将非电信号 非标准信号转换成标准电信号 0 5V或4 20mA 器件 各种传感器 变送器 5 执行机构作用 根据控制信号进行动作 如改变转速 流量 温度等 设备 电动的 气动的 液压传动的等 6 操作台作用 实现人 机对话 进行各种操作组成 功能键 数字键 开关 按钮 LED数码管或CRT显示器 1 1 3软件组成 硬件仅为计算机控制系统的躯体 要使计算机正确地运行解决各种问题 必须为它编制软件 所谓软件是指完成各种功能的计算机程序的总和 它是计算机控制系统的神经中枢 整个系统的动作都是在软件程序指挥下协调工作的 软件通常分为系统软件和应用软件两大类 系统软件一般由计算机厂家提供 专门用来使用和管理计算机本身的程序 应用软件是用户针对生产过程要求而编制的各种应用程序 应用软件 是控制计算机在特定环境中完成某种控制功能及相关任务所必需的程序 一般分为以下几类 1 过程监控包括的程序有 巡回检测 数据处理 报警 操作面板服务 数字滤波 标度变换 判断 过程分析等 2 过程控制计算包括的程序有 控制算法 PID算法 最优控制 串级调节 比值调节 前馈调节 系统辩识等 事故处理 信息管理 信息生成与管理 文件管理 输出 打印 显示等 3 公共服务包括的程序有 基本运算 函数运算 数码转换 格式编辑等 Editorf rErfahrenenAnwender Editorf rErfahrenenAnwender 1 2计算机控制系统分类 主要知识点 1 2 1数据采集系统 DAS 1 2 2操作指导控制系统 OGC 1 2 3直接数字控制系统 DDC 1 2 4监督计算机控制系统 SCC 1 2 5分散控制系统 DCS 1 2 6现场总线控制系统 FCS 1 2 1数据采集系统 DAS 数据采集系统 DataAcquisitionSystem 是计算机应用于生产过程控制最早 也是最基本的一种类型 如图1 5所示 生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和AI通道或DI通道巡回采集后送入计算机 由计算机对这些数据进行分析和处理 并按操作要求进行屏幕显示 制表打印和越限报警 1 2 2操作指导控制系统 OGC 操作指导控制系统 是基于数据采集系统的一种开环结构 如图1 6所示 计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算 计算出的最优操作条件 并不直接输出控制被控对象 而是显示或打印出来 操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器 以达到操作指导的作用 它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态 OGC系统的优点是结构简单 控制灵活和安全 缺点是要由人工操作 速度受到限制 不能同时控制多个回路 1 2 3直接数字控制系统 DDC 图1 7DDC控制系统原理图 DDC DirectDigitalControl 是用一台微机对多个被控参数进行巡回检测 检测结果与设定值进行比较 再按PID规律或直接数字控制方法进行控制运算 然后输出到执行机构 使被控参数稳定在给定值上 DDC控制的特点 可一机多控 经济 灵活 可靠 可实现各种复杂控制 如串级 前馈 自适应控制 大滞后控制等 监督控制系统 SupervisoryComputerControl 简称为SCC 1 监督控制系统SCC在SCC系统 由计算机按照生产过程的数学模型 计算出最佳给定值 将其值送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程 2 SCC系统的优点与问题优点 可以进行给定值控制 顺序控制 最优控制和自适应控制等 是操作指导控制系统和直接数字控制系统的综合与发展 问题 由于生产过程的复杂性 其数学模型的建立比较困难 因此该系统实现比较困难 3 SCC系统的结构SCC 模拟调节器的控制系统 一般模拟调节器其给定值不变 SCC DDC的控制系统 比一般DDC系统灵活方便 1 2 4监督计算机控制系统 SCC 图1 8 a SCC 模拟调节器控制系统原理图 图1 8 b SCC DDC控制系统原理图 1 2 5集散控制系统 DistributedControlSystem 1 系统结构由三级组成 底层的分散过程控制级 DDC 中间层的监督控制级 SCC 上层的生产管理级 MIC 是计算机技术 信号处理技术 测量控制技术 通信网络技术等有机结合的产物 图1 9集散控制系统原理图 2 各级功能分散过程控制级DDC 用于直接生产控制 完成数据采集 顺序控制或某一闭环控制 向监控级发送数据 并接受监控级来的信息 该级由多个以计算机为核心的工作站组成 监督控制级SCC 任务是对生产过程进行监视与操作 向管理级 分散控制级传送数据和指令 管理级MIC ManageinformationControl 是整个系统的中枢 接受管理者的指令 对信息进行存储与管理 给管理者提供各种信息与报表 根据下级提供的信息及生产任务要求 选择数学模型和控制策略 对下一级下达指令等 DCS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 DCS的发展及典型产品 DCS的开创期 1975年 1980年 DCS的组成现场控制站现场监测站CRT操作站数据高速公路监控计算机 DCS的发展及典型产品 DCS的成长与完善时期 1980年 1985年 以局部网络LAN为主干其它各单元都是挂在它上面的网络节点工作站主要组成部分局部网络 多功能现场控制站 增强型操作站 通用型操作站 网关 系统管理模块 主计算机 DCS的发展及典型产品 第二代DCS基本结构示意图 DCS的发展及典型产品 DCS的扩展期 1985年以后 典型产品有Honeywell公司的TDC3000 PMYOKAGAWA公司的Centum XLFoxboro公司的I ASeriesTAILORInstruments公司的Mod300BaileyControl公司的INFI 90等 1 2 6 现场总线控制系统 FCS 现场总线控制系统FCS FieldbusControlSystem 是分布控制系统 DCS 的更新换代产品 现场总线是20世纪80年代末 90年代初发展形成的用于过程自动化 制造自动化 楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络 开放性 分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征 现场总线技术至今尚未形成完整统一的国际标准 影响较大的是FoundationFieldbus LonWorks Profibus HART CAN Dupline等 1 结构FCS是一种用数字通信协议连接智能现场设备和自动化系统的数字式 全分散 双向传输 多分支结构的通信网络 简言之 是一种用数字局域网络连接起来的分布式控制系统 传统DCS控制层 现代FCS控制层 数字信号取代4 20mA现场的管理与控制的统一一些基本过程控制在现场完成设备非控制信息增加 a 4 20mA传输标准 控制室 现场 b 现场总线 现场总线连线效率示意 a 4 20mA标准 b 现场总线标准 仪表内部结构对比 2 采用的技术控制技术 智能传感 仪表工业技术 数字通讯技术 3 特点1 数字化的信息传输2 分散的系统结构3 方便的互操作性4 开放的互连网络5 多种传输媒介的拓扑结构 4 FCS系统的基本设备现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表 基本设备有 1 传感器变送器2 执行器3 服务器和网桥4 辅助设备5 监控设备 第一代控制系统 第二代控制系统 第三代控制系统 第四代控制系统 第五代控制系统 现场总线控制系统 气动信号控制系统 20世纪50年代前 电动模拟信号控制系统 数字计算机集中式控制系统 集散式分布控制系统 20世纪70年代中期 现场总线控制系统一方面突破了DCS系统采用通信专用网络的局限 采用了基于公开化 标准化的解决方案 克服了封闭系统造成的缺陷 另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构 变成了新型的全分布式结构 把控制功能彻底下放到现场 1 2 7计算机集成制造系统 CIMS CIMS是 ComputerIntegratedManufacturingSystem 的缩写 1 计算机集成制造系统CIMS的概念CIMS是把企业的计划 采购 生产 销售等各个环节作为整体 将其信息进行采集 传递 加工 协调 回控 做整体优化决策 CIMS体现了一种对企业生产过程与生产管理进行优化的新哲理 2 计算机集成制造系统CIMS的结构CIMS采用的是多任务 分层体系结构 有多种结构方案 如五层递阶控制结构 面向集成平台的CIMS结构 连续型CIMS结构和局域网型CIMS结构等 其基本思想都是 递阶控制 HierarchicalControl 递阶控制是一种把所需完成的任务按层次分级的层状或树状的命令 反馈控制方式 高一级的控制次一级的 次一级的功能更具体 CIMS的概念与发展 1 CIM的概念CIM ComputerIntegratedManufacturing 计算机集成制造企业资源 人 财 物 技术 经营管理 计算机技术集成资源优化 产品优质 低耗 上市快 增强竞争力 CIMS的概念与发展 2 CIMS的概念CIMS ComputerIntegratedManufacturingsystem 计算机集成制造系统 是CIM哲理的具体体现CIMS的主要特征是 四化 计算机化 信息化 智能化和集成优化 CIMS的概念与发展 3 CIM理念起源于20世纪70年代 JosephHarrington 1973 一种新的生产模式 CIMS20世纪80年代初被广泛接受 美国制造工程师学会 首先广泛应用于离散制造业 汽车 机械设备 家用电器等行业在离散工业 CIMS已形成较为成熟的体系框架 CAD CAM CAPP MRPII等 国内已有上百家应用示范企业开始在流程行业受到重视 CIMS CIPS 为何在流程工业实施CIMS 流程工业在整个制造业中所占比重大占全国工业总产值的70 以上1991年以来流程工业的产品销售额前10名中占80 90 利润前20名中占70 市场竞争对流程工业的压力不断增大 CIMS技术能够显著提高企业效益和市场竞争力福建炼油厂CIMS工程 一期 年增效益2600多万元 流程CIPS与离散CIMS的比较 流程工业离散工业安全生产要求高较低生产平衡要求高较低环境保护要求高较低设备投资高较低产品种类变化少多新产品设计任务少多新产品产生方式试验设计售后服务要求一般高提高效益主要途径稳定质量 减少缩短产品交货期消耗 满负荷 和新产品上市时间长周期 流程CIPS与离散CIMS区别 1 流程工业CIPS离散工业CIMS生产计划采用过程结构和配方采用物料清单进进行物料需求计划行物料需求计划 同时考虑生产能力先物料需求 和物料需求 后能力需求 主要面向库存 主要面向定单 工程设计可不包括工程 产品 工程 产品 设计设计子系统 子系统必不可少 调度管理考虑因素复杂 涉及面广 主要考虑物料和设备能力 质量管理系统与生产过程质量管理系统相对独立 自动化监控系统紧密相关 流程CIPS与离散CIMS区别 2 流程工业CIPS离散工业CIMS信息处理要求处理大量动态数据 主要处理静态数据 实时性要求高 实时性要求不高 安全性首要任务 必须实现全偏重于单个生产装置的监控 生产过程的动态监控 为柔性生产提供信息 经营决策强调优化 更注重生产强调柔性 过程中资金流管理 人的作用自动化程度较高 一般不自动化程度相对较低 许多需要人直接参与加工 情况下需要人直接参与加工 理论研究尚未形成较为完善的理论较为成熟 已形成较为完善体系和规范 的理论体系和规范 流程工业CIPS的功能视图 1 3控制装置种类 主要知识点 1 3 1可编程控制器 1 3 2可编程调节器 1 3 3总线式工控机 1 3 4单片微型计算机 1 3 5其他控制装置 1 3 1可编程控制器 可编程逻辑控制器 简称可编程控制器或PLC 是计算机技术与继电逻辑控制概念相结合的产物 其低端为常规继电逻辑控制的替代装置 而高端为一种高性能的工业控制计算机 它主要由CPU 存储器 输入组件 输出组件 电源及编程器等组成 外观如图所示 可编程控制器 PLC 特点 一种数字运算操作的电子系统 专为工业环境下应用而设定 采用可编程序的存储器 在其内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术操作的指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出 应用广泛 不仅在顺序程序控制领域中具有优势 而且在运动控制 过程控制 网络通信领域方面也毫不逊色 PLC具有系统构成灵活 扩展容易 编程简单 调试容易 抗干扰能力强 1 3 2可编程调节器 可编程调节器 又称单回路调节器 智能调节器 数字调节器 它主要由微处理单元 过程I O 输入 输出 单元 面板单元 通信单元 硬手操单元和编程单元等组成 外观如图所示 可编程调节器特点 一种仪表化了的微型控制计算机易操作 易编程 方便灵活设计时无需考虑接口 通讯的硬件设计软件编程上也只需使用一种面向问题的组态语言具有断电保护 自诊断功能 通信等功能可以组成多级计算机控制系统 实现各种高级控制和管理大型分散控制系统中最基层的控制单元适用于连续过程中模拟量信号的控制系统中 1 3 3总线式工控机 总线式工控机 是基于总线技术和模块化结构的一种专用于工业控制的通用性计算机 一般称为工业控制计算机 简称为工业控制机或工控机 通常 计算机的生产厂家是按照某个总线标准 设计制造出若干符合总线标准 具有各种功能的各式模板 而控制系统的设计人员则根据不同的生产过程与技术要求 选用相应的功能模板组合成自己所需的计算机控制系统 总线式工控机的外形类似普通计算机 如图所示 不同的是它的外壳采用全钢标准的工业加固型机架机箱 机箱密封并加正压送风散热 机箱内的原普通计算机的大主板变成通用的底