燕山大学自动化系

1、第一章 绪论Introduction,燕山大学自动化系,2/11/2020,1,第一章 绪 论,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,2/11/2020,2,第一章 绪 论,第一节 Unit 1,计算机控制概述 Introduction of Computer Control System,燕山大学自动化系,2/11/2020,3,第一章 绪 论,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,2/11/2020,4,第一章 绪 论,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，

2、目的是减少或消除偏差,2/11/2020,5,第一章 绪 论,1-1-1 概述（2,计算机控制系统的工作原理,2/11/2020,6,第一章 绪 论,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,2/11/2020,7,第一章 绪 论,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)

3、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,2/11/2020,8,第一章 绪 论,1-1-2 信号特点（2,计算机控制系统的采样过程,2/11/2020,9,第一章 绪 论,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,2/11/2020,10,第一章 绪 论,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) 0tT, k=0, 1, 2, 由于它只是简单地外

4、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,2/11/2020,11,第一章 绪 论,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,2/11/2020,12,第一章 绪 论,图1-4 微型计算机控制系统原理图,2/11/2020,13,第一章 绪 论,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,2/11

5、/2020,14,第一章 绪 论,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,2/11/2020,15,第一章 绪 论,第二节 Unit 2,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,2/11/2020,16,第一章 绪 论,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,2/11/2020,17,第一章 绪 论,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,2/11/

6、2020,18,第一章 绪 论,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,2/11/2020,19,第一章 绪 论,1-2-3 计算机监督系统（SCC,计算机监督系统（Supervisory Computer Control）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,2/11/2020,20,第一章 绪 论,监督控制（SCC）系统,计算机控制系统的分类,2/11/2

7、020,21,第一章 绪 论,3监督控制系统（Supervisory Computer Control SCC,2/11/2020,22,第一章 绪 论,操作指导控制系统、DDC、SCC比较,2/11/2020,23,第一章 绪 论,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,2/11/2020,24,第一章 绪 论,图 分级计算机控制系统,返回本节,2/11/2020,25,第一章 绪 论,1-2- 5典型的计算机控制系统,1. 计算机过程控制系统

8、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,2/11/2020,26,第一章 绪 论,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,2/11/2020,27,第一章 绪 论,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。195

9、4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,2/11/2020,28,第一章 绪 论,第一台工业机器人UNIMATE,2/11/2020,29,第一章 绪 论,1970年以后机器人的研究得到了迅速广泛的普及，1970年

10、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,2/11/2020,30,第一章 绪 论,工业机器人T3,2/11/2020,31,第一章 绪 论,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,2/11/2020,32,第一章 绪 论,工业机器人Puma,2/11/2020,33,第一章 绪 论,同年日本山

11、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,2/11/2020,34,第一章 绪 论,SCARA型机器人,2/11/2020,35,第一章 绪 论,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、

12、声觉、语音识别 等功能的工业机器人,2/11/2020,36,第一章 绪 论,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,2/11/2020,37,第一章 绪 论,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

13、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,2/11/2020,38,第一章 绪 论,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,2/11/2020,39,第一章 绪 论,在工业机器人方面，我国已具有独立设计 和开

14、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,2/11/2020,40,第一章 绪 论,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,2/11/20

15、20,41,第一章 绪 论,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,2/11/2020,42,第一章 绪 论,第三节 Unit 3,微型计算机控制系统的发展趋势,燕山大学自动化系,2/11/2020,43,第一章 绪 论,1-3-

16、1 DCS的特点(分散型控制系统（ Distributed Control Systems,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,2/11/2020,44,第一章 绪 论,2/11/2020,45,第一章 绪 论,集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems）或分散型微处理器控制系统（Distributed Microprocessor Control Systems）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,2/11/2020,46,第一章 绪 论,

17、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,2/11/2020,47,第一章 绪 论,1-3-2 计算机集成控制系统 （CIMS/CIPS,2/11/2020,48,第一章 绪 论,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

18、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,2/11/2020,49,第一章 绪 论,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,2/11/2020,50,第一章 绪 论,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,2/11/2020,51,第一章 绪 论,其拉氏变换式为,如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为,2/11/2020,52,第一章 绪 论,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