第3章 机电一体化的计算机控制技术

第三章机电一体化的计算机控制技术 1 学习目标 了解计算机控制系统的组成分类了解工业控制计算机的常用类型掌握计算机控制系统的设计内容和步骤难点 计算机控制系统设计 第二章机电一体化的单元技术 2 3 1计算机控制系统概述 计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物 数字控制系统机电一体化产品与非机电一体化产品的本质区别在于具有计算机控制的伺服系统 同模拟控制器相比 计算机能够实现更加复杂的控制理论和算法 柔性和抗干扰能力更强 第三章机电一体化的计算机控制技术 3 一 计算机控制系统的组成计算机控制系统是用计算机 通常称为工业控制计算机 来实现工业过程自动控制的系统 计算机控制系统由硬件和软件两部分组成 硬件一般包括计算机主机 接口电路 输入输出通道以及外部设备 第三章机电一体化的计算机控制技术 4 一 计算机控制系统的组成软件主要是指支持系统运行并对系统进行管理和控制的程序系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 5 指在进行实际控制时使用的软件 指在开发 测试控制系统时使用的软件 一 计算机控制系统的组成 第三章机电一体化的计算机控制技术 6 由计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序 应用软件是用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序 实时软件 系统软件 应用软件 二 计算机控制系统的原理 第三章机电一体化的计算机控制技术 7 模拟控制系统典型结构图 回顾一下模拟控制系统结构 二 计算机控制系统的原理 计算机控制系统的工作过程分为以下几个步骤 实时数据采集实时控制决策实时控制输出上述过程不断重复 使被控变量稳定在设定值上 第三章机电一体化的计算机控制技术 8 第三章机电一体化的计算机控制技术 9 第三章机电一体化的计算机控制技术 10 第三章机电一体化的计算机控制技术 11 第三章机电一体化的计算机控制技术 12 三 计算机控制系统的特点 计算机控制系统与连续控制系统相比 具有如下特点 可以实现更复杂的控制规律具有完善的输入 输出通道具有实时控制功能可靠性高具有丰富 完善 能正确反映被控对象运动规律并对其进行有效控制的软件系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 13 3 2计算机在控制系统中的应用 一 计算机控制系统的分类根据计算机在控制系统中的作用过程控制系统伺服系统顺序控制系统数字控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 14 一 计算机控制系统的分类 根据计算机在控制中的应用方式操作指导控制系统直接数字控制系统监督计算机控制系统分级计算机控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 15 操作指导控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 16 直接数字控制系统 DDC系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 17 它是用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测 检测结果与给定值进行比较 并按预定的数学模型进行运算 其输出直接控制被控对象 使被控参数稳定在给定值上 监督计算机控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 18 a SCC 模拟调节器系统 b SCC DDC 分级计算机控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 19 二 典型的机电一体化控制系统 计算机过程控制系统用计算机对温度 压力 流量 液面和速度等过程参数进行测量与控制的系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 20 炉温压力热效率 二 典型的机电一体化控制系统 电动机调速系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 21 晶闸管触发速度调节器电流调节器 二 典型的机电一体化控制系统 计算机数字程序控制系统用计算机实现顺序控制和数字程序控制是其在自动控制领域中应用的一个重要方面 第三章机电一体化的计算机控制技术 22 二 典型的机电一体化控制系统 工业机器人是一种应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 23 3 3工业控制计算机 工业领域中 由于现场存在干扰 环境恶劣 普通计算机在工业现场不能正常运行 需使用适应工业现场的工业控制计算机 简称工控机 它是处理来自传感器的输入信息 并把处理结果输出到执行机构去控制生产过程 同时对生产过程进行监督 管理的计算机系统 并具有较好的抗干扰性和可靠性 第三章机电一体化的计算机控制技术 24 一 工业控制计算机的基本要求 工业控制计算机的应用对象及使用环境的特殊性 决定了要满足以下基本要求 实时性高可靠性硬件配置的可装配可扩充性可维护性 第三章机电一体化的计算机控制技术 25 二 工业控制计算机的常用类型 单片机可编程控制器总线式工业控制机分布式计算机控制系统 第三章机电一体化的计算机控制技术 26 二 工业控制计算机的常用类型 第三章机电一体化的计算机控制技术 27 三 单片机 第三章机电一体化的计算机控制技术 28 单片机将CPU RAM ROM和I O接口集成在一块芯片上 同时还具有定时 计数 通讯和中断等功能的微型计算机 单片机发展经历了4位 8位 16位 32位 64位机几个阶段 但8位 16位单片机仍占市场主流地位 广泛用于数显 数字通信产品 智能化仪表 小型机电产品中 单片的编程与调试不方便 开发周期较长 环境适应性差 同时由于数据处理能力和接口限制 在大型工业控制系统中 一般只能辅助中央计算机系统测试一些信号的数据信息和完成单一量控制 四 可编程控制器 第三章机电一体化的计算机控制技术 29 可编程控制器是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置 专为在工业环境下应用而设计 由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制 故称为可编程逻辑控制器 简称PLC PLC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 计数和算术运算等操作指令 并通过数字式 模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程 五 总线工业控制计算机 第三章机电一体化的计算机控制技术 30 总线工业控制计算机 简称总线工控机 是目前工业领域应用相当广泛的工业控制计算机 特点 丰富的过程输入 输出接口功能迅速响应的实时功能和环境适应能力可靠性好易于维护便于用户在短时间内掌握和熟练应用 第三章机电一体化的计算机控制技术 31 1 STD总线工控机 第三章机电一体化的计算机控制技术 32 STD总线最早是由美国的Pro log公司在1978年推出的 是目前国际上工业控制领域最流行的标准总线之一 按STD总线标准设计制造的模块式计算机系统 称为STD总线工业控制机 STD标准可支持8位 16位 32位处理机 STD总线工业控制机特点 采用了开放式的系统结构 模块化设计 其系统组成没有固定的模式和标准机型 而是提供了大量的功能模板 用户根据需要 通过对模板的品种和数量的选择与组合 即可配置成适用于不同工业对象 不同生产规模的生产过程的工业控制机 STD总线工控机系统的构成 第三章机电一体化的计算机控制技术 33 1 数字量I O模板 2 模拟量I O模板 3 信号调理模板 4 CPU模板 5 存储器模板 6 其它特殊功能模板 在用STD总线进行控制系统设计时 主要硬件设计工作是选择合适标准化功能模板 并将这些模板通过STD总线连接成所需的控制装置 软件设计工作通常只需要开发适用于所设计控制系统的应用软件即可 2 PC总线工控机 第三章机电一体化的计算机控制技术 34 IBM公司的PC总线微机最初是为了个人或办公室使用而设计的 它早期主要用于文字处理 或一些简单的办公室事务处理 早期产品基于一块大底板结构 主板 加上几个I O扩充槽 主板上具有8088处理器 加上一些存储器 控制逻辑电路等 加入I O扩充槽的目的是为了外接一些打印机 显示器 内存扩充和软盘驱动器接口卡等 PC AT ISA 第三章机电一体化的计算机控制技术 35 3 6计算机控制系统的设计 不同产品所需的控制功能 控制形式和动作控制方式也不尽相同 由于采用计算机作为机电系统的控制器 因此其控制系统的设计就是选用计算机 设计接口 选用控制形式和动作控制方式的问题 第三章机电一体化的计算机控制技术 36 一 计算机控制系统的选择 第三章机电一体化的计算机控制技术 37 计算机控制系统作为机电产品的核心 必须具备以下基本条件 1 实时的信息转换和控制功能 即稳定性好 反应速度快 2 人机交互功能 3 机电部件接口的功能 4 对控制软件运行的支持功能专业与通用的选择硬件与软件的权衡 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 38 计算机控制系统的设计包括硬件电路设计和软件设计选择不同的控制器 硬件电路设计和软件设计的工作量不同 设计的步骤也略有差异 控制系统应遵照的步骤 确定系统总体控制方案建立数学模型并确定控制算法选择微型计算机控制系统总体设计软件设计 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 39 1 确定系统总体控制方案了解被控对象的控制要求 构思计算机控制系统的整体方案考虑执行元件采用何种方式考虑是否有特殊控制要求 对于具有高可靠性 高精度和快速性要求的系统 应采取哪些措施考虑计算机在整个控制系统的作用初步估算成本 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 40 2 建立数学模型并确定控制算法对任何一个具体计算机控制系统进行分析 综合或设计 首先应建立该系统的数学模型 并确定控制算法 数学模型 系统动态特性的数学表达式 它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系 这些关系式为计算机进行运算提供了依据 即由数学模型推出控制算法 计算机控制 按照规定的控制算法进行控制 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 41 3 选择微型计算机小系统 一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量 可采用单片机或PLC 数据处理量大的系统 往往采用基于各类总线结构的工控机 多层次 复杂的机电系统 采用分级分布式控制系统 根据各级及控制对象的特点 可分别采用单片机 PLC 总线工控机和微型计算机来完成不同的功能 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 42 3 选择微型计算机对于给定的任务 选择计算机的方案不是唯一的 从控制的角度出发 计算机应能满足具有较完善的中断系统 足够的存储容量 完善的输入 输出通道和实时时钟等要求 从不同被控对象角度出发 还应考虑几个要求字长速度指令 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 43 4 控制系统总体设计系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计 其主要依据是上述的整体方案初框图 设计要求及选用的计算机类型 通过设计要画出系统的具体构成框图 接口设计通道设计操作台设计除此以外还应考虑硬件与软件功能的分配和协调 可靠性设计 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 44 5 软件设计计算机控制系统软件主要分成两大类 系统软件和应用软件 软件设计主要是应用软件设计应用软件要求 实时性 针对性 灵活性 通用性应用软件设计方法 模块化程序设计法结构化程序设计法 二 计算机控制系统的内容和步骤 第三章机电一体化的计算机控制技术 45 6 系统调试调试步骤 硬件调试 软件调试 系统调试硬件调试包括对元器件的筛选及老化 印刷电路板制作 元器件的焊接及实验 安装完毕要经过连续拷机运行软件调试主要是指在计算机上把各模块分别进行调试 使其正确无误 然后固化在EPPOM中系统调试把硬件和软件结合起来 进行模拟实验 正确无误后进行现场试验 直至正常运行为止 设计实例 锅炉计算机控制系统设计 一 工业锅炉介绍 常见的锅炉设备的主要工艺流程如下图所示 1 锅炉的主要设计参数蒸发量 10t h 主蒸汽压力 13 105Pa主蒸汽温度 350 给水温度 60 105 热风温度 170 冷风温度 20 排烟温度 180 设计效率 78 燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧 生成的热量传递给蒸汽发生系统 产生饱和蒸汽Ds 然后经过热器 形成一定温度的过热蒸汽D 汇集至蒸汽母管 压力为Pm的过热蒸汽 经负荷设备控制供给负荷设备用 与此同时 燃烧过程中产生的烟气 除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外 还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气 最后经引风机送往烟囱 排入大气 锅炉设备是一个复杂的控制对象 主要的输入变量是负荷 锅炉给水 燃料量 减温水 送风和引风等 如下图所示 主要输出变量是汽包水位 蒸汽压力 过热蒸汽温度 炉膛负压 过剩空气 烟气含氧量 等 这些输入变量与输出变量之间相互关联 如果蒸汽负压发生变化 必将会引起汽包水位 蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化 燃料量的变化不仅影响蒸汽压力 同时还会影响汽包水位 过热蒸汽温度 过剩空气和炉膛负压 给水量的变化不仅影响汽包水位 而且对蒸汽压力 过热蒸汽温度等亦有影响 等等 锅炉是一个典型的多变量对象 要进行自动控制 对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加以处理 目前 锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统 锅炉燃烧控制系统 锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统 2 锅炉计算机控制系统组成燃烧过程控制系统 1 燃烧过程控制任务锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程 其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要 常以蒸汽压力为被控变量 使燃料与空气量之间保持一定的比值 以保证最佳经济效益的燃烧 常以烟气成分为被控变量 提高锅炉的燃烧效率 使引风量与送风量相适应 以保持炉膛负压在一定的范围内 2 燃烧过程控制系统设计方案在多变量对象中 调节量和被调量之间的联系不都是等量的 也就是说 对于一个具体对象而言 在众多的信号通道中 对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响 其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略 根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统 可将其大致分为三个单变量控制系统 燃料量 汽压子系统 送风量 过量空气系数子系统以及引风量 炉膛负压子系统 不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化 但并不是分解成多个单回路控制系统后 问题就全部解决 因为各回路之间往往还存在着联系和要求 必须在设计中加以考虑 协调跟踪的原则 就是在多个单回路基础上 建立回路之间相互协调和跟踪的关系 以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联 此例中 锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联 首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点 锅炉燃烧过程中燃料量与空气 送风 量之间应保持一定比例 实际空气 送风 量大于燃料需要空气量 他们之间存在一个最佳空燃比 最佳过剩空气系数 即 一般情况下 1 为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧 当热负荷增大时 应先增加送风量 后增加燃料量 若热负荷减少时 应先减少燃料量 再减少送风量 为了满足上述两点要求 在这两个单回路的基础上 建立交叉限制协调控制系统 如下图所示 其中 Wm1 s 和Wm2 s 是燃料量和送风量测量变送器的传递函数 假设它们都是比例环节 则Wm1 s K1 Wm1 s K2 由此可得到最佳空燃比 与空气量 燃料量测量信号IV和IB之间的关系如下 设 则 假设机组所需负荷的信号为IQ 当系统处于稳态时 则有 设定值r1 IQ IV IB设定值r2 IQ IB IV即IQ IB IV IB 表明系统的燃料量适合系统的要求 而且达到最佳空燃比 进一步分析可知 燃料量控制子系统的任务在于 使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应 维持主压力为设定值 为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力 燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数 燃料量为副参数的串级控制方案 在大型机组的送风系统中 一 二次风通常各采用两台风机分别供给 锅炉的总风量主要由二次风来控制 所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的 送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率 保证经济性 为保持最佳过剩空气系数 必须同时改变风量和燃料量 是由烟气含氧量来反映的 因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统 经过燃料量与送风量回路的交叉限制 组成串级比值的送风系统 结构上是一个有前馈的串级控制系统 如下图所示 它首先在内环快速保证最佳空燃比 至于给煤量测量不准 则可由烟气中氧量作串级校正 当烟气中含氧量高于设定值时 氧量校正调节器发出校正信号 修正送风量调节器设定 使送风调节器减少送风量 最终保证烟气中含氧量等于设定值 蒸汽流量 O2氧量 D1 DDC数字控制器 限幅 D A 滑差电机 工业锅炉生产过程 变送器 A D 开方 蒸汽流量D1压力补偿 O2最佳氧量负荷线 1 通气阀开度