自动控制系统一实用教案

1、会计学1自动自动(zdng)控制系统一控制系统一第一页，共44页。微型微型(wixng)计算机控制技术计算机控制技术 本书以本书以PCPC总线工业控制机为控制工具，系统总线工业控制机为控制工具，系统地阐述数字地阐述数字(shz)(shz)计算机控制系统的设计和计算机控制系统的设计和工程实现方法。工程实现方法。知识(zh shi)储备主要内容自动控制理论（经典自动控制理论（经典/ /现代）现代） 过程控制工程过程控制工程 第1页/共44页第二页，共44页。第第1 1章章 绪绪 论论 1.1 1.1 计算机控制系统概述计算机控制系统概述 计算机控制系统的定义计算机控制系统的定义: :计算机控制系统

2、就是利用计计算机控制系统就是利用计算机（工业控制计算机）来实现生产过程自动控制的算机（工业控制计算机）来实现生产过程自动控制的系统。系统。 一一. .计算机控制系统及其组成计算机控制系统及其组成 1. 1.控制系统的一般形式控制系统的一般形式 2. 2.计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 3. 3.计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 二二. .计算机控制系统的典型型式计算机控制系统的典型型式 1. 1.按照功能分类（课本按照功能分类（课本(kbn)(kbn)） 2. 2.按照控制规律分类按照控制规律分类 3. 3.按照控制方式分类按照控制方式分类第2页/共44页第三页，共44页。（

3、1）.闭环控制系统(xtng)框图 （2）.开环控制系统(kn zh x tn)框图1.计算机控制系统的一般(ybn)形式 给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数 测量元件 变换发送 给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数 第3页/共44页第四页，共44页。用计算机来代替(dit)原来的控制器，就构成了计算机控制系统 给定值 控制器 执行机构 被控对象 被控参数 测量元件 变换发送 闭环控制系统(xtng)框图计算机控制系统(kn zh x tn)框图1.计算机控制系统的一般形式第4页/共44页第五页，共44页。（1 1）计算机控制系统的工作）计算机控制系统的工作(gngzu)(g

4、ngzu)原理原理计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：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。控制行为。 实时控制输出实时控制输出(shch)(shch)：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。：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。 输出通道

5、输出通道 D/A输入通道输入通道 A/D对象对象被控量被控量y输输 入入通通 道道计算机计算机给定给定第5页/共44页第六页，共44页。（2）几个(j )概念在线方式和离线方式：on-line/off-line 生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式； 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做相应操作的方式称为离线方式或脱机方式。 实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义(yy)。 而且这个时间范围的大小跟被控对象联系非常的紧

6、密！不同的被控对象，对时间范围的要求不同：发酵过程和导弹防御系统的对比！第6页/共44页第七页，共44页。3.3.计算机控制系统计算机控制系统(kn zh x (kn zh x tn)tn)的组成的组成 计算机控制系统主要由：工业控制机和生产过程两大计算机控制系统主要由：工业控制机和生产过程两大部分组成。部分组成。 工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括设计的计算机，它包括(boku)(boku)硬件和软件两部分。硬件和软件两部分。 生产过程包括生产过程包括(boku)(boku)被控对象、测量变送、执被控对象、测量变送、执行机

7、构、电气开关等装置。行机构、电气开关等装置。 第7页/共44页第八页，共44页。计算机控制系统的组成(z chn)框图硬件部分：主机、接口电路、过程输入硬件部分：主机、接口电路、过程输入/输出通道输出通道(tngdo)、外、外 部设备、部设备、 操作台操作台第8页/共44页第九页，共44页。 主机主机(zhj)(zhj)中央处理器（中央处理器（CPUCPU）内存储器内存储器(ni cn ch q)(RAM(ni cn ch q)(RAM和和ROM)ROM)接口电路接口电路(dinl): (dinl): 主机与外部设备、输入输出通道进主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁行信息交换的桥梁

8、过程输入过程输入/输出通道输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输出通道开关量输入通道开关量输入通道开关量输出通道开关量输出通道外部设备外部设备 操作操作台台输入设备输入设备输出设备输出设备外存储器外存储器（CRTCRT）显示器或）显示器或(LED)(LED)数码显示器数码显示器 键盘（功能键和数字键）键盘（功能键和数字键）第9页/共44页第十页，共44页。软件软件(ru(run n jinjin) )系统软件系统软件(x tn (x tn run run jin)jin)应用软件应用软件 操作系统操作系统语言加工语言加工(ji (ji gng)gng)系统系统诊断系统诊断系

9、统 控制程序控制程序数据采集及处理程序数据采集及处理程序巡回检测程序巡回检测程序数据管理程序数据管理程序编辑程序编辑程序编译程序编译程序连接、装配程序连接、装配程序调试程序调试程序子程序库子程序库软件部分：软件部分：数据可靠性检查程序数据可靠性检查程序A AD D转换及采样程序转换及采样程序 数字滤波程序数字滤波程序 线性化处理程序线性化处理程序 数据采集程序数据采集程序 越限报警程序越限报警程序 事故预告程序事故预告程序 画面显示程序画面显示程序 第10页/共44页第十一页，共44页。1.1.按照按照(nzho)(nzho)功能来分类（课本）功能来分类（课本）（1）操作(cozu)指导控制系

10、统定义：计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数定义：计算机根据一定的控制算法，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员据，计算出供操作人员(rnyun)(rnyun)选择的最优操作条件及操作方案选择的最优操作条件及操作方案。 优点：结构简单，控制灵活和安全优点：结构简单，控制灵活和安全 缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。缺点：要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。第11页/共44页第十二页，共44页。（2）直接(zhji)数字控制系统定义(dngy)：计算机首先通过模拟量输入通道、开关量输入通道实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制

11、信息，并通过模拟量输出通道、开关量输出通道直接控制生产过程。 优点： 能够实现自动控制、多回路控制，能够灵活的把各种算法施加(shji)于生产过程。 缺点：结构复杂，投资高。 管理命令DDC微型机报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件D/A反多路开关生产过程第12页/共44页第十三页，共44页。输入通道输入通道(AI.DI(AI.DI）输出通道输出通道(AO.DO)(AO.DO)打印机打印机报报 警警操作台操作台CRTCRT计计 算算 机机生生 产产 过过 程程第13页/共44页第十四页，共44页。（3）监督(jind)控制系统（SCC）管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检

12、测元件生产过程管理命令报告人工监管给定值测量值A/D多路开关检测元件生产过程DDCD/A反多路开关.第14页/共44页第十五页，共44页。 DDC DDC计算计算机机生生 产产 过过 程程S S C S S C 计计 算算 机机记录记录显示显示打印打印调节调节测量测量设定设定值值(b)(b)工艺数据工艺数据模模 拟拟调节器调节器生生 产产 过过 程程S S C S S C 计计 算算 机机记记录录显显示示打打印印调节调节测量测量设定设定值值(a)(a)工艺数据工艺数据第15页/共44页第十六页，共44页。（4）分散型控制系统(kn zh x tn) 企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间

13、级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC） 装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其它工厂至其它工厂装置控制级（DDC）第16页/共44页第十七页，共44页。第17页/共44页第十八页，共44页。 （5 5）. .现场总线现场总线(zn xin)(zn xin)控制系统控制系统 新一代分布式控制系统，采用“工作站-现场总线智能仪表”二层结构，国际标准统一后，可实现真正(zhnzhng)的开放式互连系统结构。 主要有五种： CAN总线（controller area network,控制器局域网络） LONGWORKS总线(l

14、ocal operating network局部操作网络) PROFIBUS(process field bus 过程现场总线) HATR总线（可寻址远程传感器数据网络） FF总线（现场基金会总线）第18页/共44页第十九页，共44页。操作站模拟量输出功能块控制功能块H1现场总线差压变送 器模拟量输入功能块PIDI10 .AOI10AI110H1H1网桥H2现场总线 . 现场节点服务器LAN（局域网）现场总线现场总线(zn xin)(zn xin)控制系统（控制系统（Fieldbus Control SystemFCSFieldbus Control SystemFCS）第19页/共44页第二

15、十页，共44页。2.2.按照按照(nzho)(nzho)控制规律分类控制规律分类（1 1）程序）程序(chngx)(chngx)和顺序控制和顺序控制 （2 2）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制） （3 3）最小拍控制）最小拍控制 （4 4）复杂规律的控制）复杂规律的控制 （5 5）智能控制）智能控制第20页/共44页第二十一页，共44页。（1 1）程序）程序(chngx)(chngx)和顺序控制和顺序控制定义：程序控制(kngzh)是被控制(kngzh)量按照一定的、预先规定的时间函数变化，被控制(kngzh)量是时间函数的变化。 顺序控制(kngzh)是程序控制(

16、kngzh)的扩展，在各个时期所给出设定值可以是不同的物理量，而且每次设定值的给出，不仅取决于时间，还取决于对以前的控制(kngzh)结果的逻辑判断。第21页/共44页第二十二页，共44页。（2 2）比例积分）比例积分(jfn)(jfn)微分控制（微分控制（PIDPID控制控制）定义：调节(tioji)器的输出是调节(tioji)器输入的比例、积分和微分的函数。 PID控制是现在应用最广、最为广大工程技术人员熟悉的技术。PID控制结构简单、参数容易调整，因此，无论模拟调节(tioji)器或者数字调节(tioji)器，多数使用PID调节(tioji)规律。这同样是我们学习的一个重点内容。第22页

17、/共44页第二十三页，共44页。（3）最小拍控制(kngzh) 最小拍控制的性能指标是要求设计的系统在尽可能短的时间内完成调节过程。 最小拍控制通常用在数字随动系统的设计中。 最小拍控制是我们本书内容的重点和难点，是直接离散控制系统设计的根本(gnbn)思想！第23页/共44页第二十四页，共44页。（4 4）复杂规律）复杂规律(gul)(gul)的控制的控制 在PID控制的基础上，引进了各种复杂规律的控制，比如(br)串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、解偶控制、最优控制、自适应控制等，组成复杂控制系统。 目的：是为了解决随机扰动问题，使系统控制达到满意的性能指标。第24页/共44页第二十五页，共

18、44页。（5 5）智能）智能(zh nn)(zh nn)控制控制 智能控制把先进的方法学理论与解决当前(dngqin)技术问题所需要的系统理论结合起来的学科。可以看成三个主要理论领域的交叉或会合，即： 人工智能 运筹学 控制理论第25页/共44页第二十六页，共44页。3.3.按照按照(nzho)(nzho)控制方式分类控制方式分类 按照控制方式的不同，计算机控制系统(kn zh x tn)可分为开环控制系统(kn zh x tn)和闭环控制系统(kn zh x tn)。 第26页/共44页第二十七页，共44页。1.2 工业(gngy)控制机的组成结构及特点 一一. 工业控制机的组成工业控制机的

19、组成(z chn) 1.工业控制机的硬件组成工业控制机的硬件组成(z chn) 2.工业控制机的软件组成工业控制机的软件组成(z chn) 二二. 工业控制机的总线结构工业控制机的总线结构 三三. 工业控制机的特点工业控制机的特点第27页/共44页第二十八页，共44页。工业(gngy)控制机的组成组成(z chn)原理图第28页/共44页第二十九页，共44页。1.1.工业工业(gngy)(gngy)控制机的硬件组成控制机的硬件组成（1 1）主机板）主机板:CPU:CPU、RAMRAM、ROMROM等。等。 作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。作用：进行数值计算、逻辑判断、数据处理。 （2

20、2）内部总线和外部总线）内部总线和外部总线 内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公内部总线：工业控制机内部各组成部分进行信息传送的公共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有共通道，它是一组信号线的集合。常用内部总线有IBMPCIBMPC总线和总线和STDSTD总线总线 。 外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息外部总线：工业控制机与其它计算机和智能设备进行信息传递的公共通道。传递的公共通道。RS232CRS232C和和IEEE488IEEE488通信通信(tng xn)(tng xn)总线。总线。 （3 3）人）人机接口机接口: :键盘、显示器、打印机。键盘、显示器

21、、打印机。 （4 4）磁盘系统：软盘和硬盘。）磁盘系统：软盘和硬盘。 （5 5）通信）通信(tng xn)(tng xn)接口：工业控制机和其它计算机或智能外接口：工业控制机和其它计算机或智能外设通信设通信(tng xn)(tng xn)的接口。常用的接口。常用RS232CRS232C和和IEEE488IEEE488接口。接口。第29页/共44页第三十页，共44页。(6)(6)系统支持功能系统支持功能 监控监控(jin kn)(jin kn)定时器定时器(Watchdog) (Watchdog) 电源掉电检测电源掉电检测 保护重要数据的后备存贮器体保护重要数据的后备存贮器体 实时日历时钟实时日

22、历时钟 (7)(7)输入输出通道：工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的输入输出通道：工业控制机和生产过程之间设置的信号传递和变换的连接通道。它包括模拟量输入连接通道。它包括模拟量输入(AI)(AI)通道、模拟量输出通道、模拟量输出(AO)(AO)通道、数字量通道、数字量( (或开关量或开关量) )输入输入(DI)(DI)通道、数字量通道、数字量( (或开关量或开关量) )输出输出(DO)(DO)通道。通道。 它的作用有两个：它的作用有两个： 其一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码；其一是将生产过程的信号变换成主机能够接受和识别的代码； 其二是将主机输出的控制命令和数据，

23、经变换后作为执行机构或电其二是将主机输出的控制命令和数据，经变换后作为执行机构或电气开关的控制信号。气开关的控制信号。 第30页/共44页第三十一页，共44页。2.2.工业工业(gngy)(gngy)控制机的软件组成控制机的软件组成(1)(1)系统软件系统软件 系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序，如美国行程序，如美国IntelIntel公司推出的公司推出的iRMX86iRMX86实时多任务操作系实时多任务操作系统，美国统，美国Ready System Ready System 公司推出的嵌入式实时多任务操作公司推出的嵌入式实时

24、多任务操作系统系统VRTXVRTXOSOS。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用。除了实时多任务操作系统以外，也常常使用MSDOSMSDOS和和WindowsWindows等系统软件。等系统软件。 (2)(2)支持软件支持软件 支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程支持软件包括汇编语言、高级语言、编译程序、编辑程序、调试程序、诊断程序等。序、调试程序、诊断程序等。 (3)(3)应用软件应用软件 应用软件是系统设计人员应用软件是系统设计人员(rnyun)(rnyun)针对某个生产过程针对某个生产过程而编制的控制和管理程序。它包括过程输入程序、过程控制而编制的控制和管理程序。它包括过程

25、输入程序、过程控制程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共程序、过程输出程序、人机接口程序、打印显示程序和公共子程序等。子程序等。 第31页/共44页第三十二页，共44页。二.工业(gngy)控制机的总线结构1 1内部总线内部总线 所谓内部总线，就是计算机内部功能模板之间进行通所谓内部总线，就是计算机内部功能模板之间进行通信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽信的总线，它是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽(shni)(shni)。 2 2外部总线外部总线 所谓外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与所谓外部总线，就是计算机与计算机之间或计算机与其它智能设备之间进行通信

26、的连线，常用的外部总线有其它智能设备之间进行通信的连线，常用的外部总线有IEEE488IEEE488并行总线和并行总线和RS232CRS232C串行总线。串行总线。 第32页/共44页第三十三页，共44页。三.工控机的特点(tdin)1.可靠性高和可维修性好。 2.环境适应性强。 3.控制的实时性。工业控制机应具有时间驱动和事 件驱动能力。 4.完善的输入输出通道。 5.丰富的软件(run jin)。 6.适当的计算机精度和运算速度。第33页/共44页第三十四页，共44页。1.3 1.3 计算机控制系统的发展概况计算机控制系统的发展概况(gikung)(gikung)和趋势和趋势一. 计算机控

27、制系统(kn zh x tn)的发展概况 1.计算机控制技术的发展过程 2.计算机控制理论的发展过程 二. 计算机控制系统(kn zh x tn)的发展趋势第34页/共44页第三十五页，共44页。1.1.计算机控制技术的发展计算机控制技术的发展(fzhn)(fzhn)过程过程(1)开创时期(19551962年) (2)直接数字控制(shzkngzh)时期(19621967年) (3)小型计算机时期(19671972年) (4)微型计算机时期(1972年至今) 在生产过程控制中采用数字计算机的思想出现(chxin)在五十年代中期。 第35页/共44页第三十六页，共44页。2.2.计算机控制理论计

28、算机控制理论(lln)(lln)的发展过程的发展过程 计算机控制系统与通常(tngchng)的连续控制系统的差别在于：控制规律由计算机来实现。可以实现过去的连续系统难以实现的更为复杂的控制规律，如非线性控制、自适应控制和自学习控制等。 计算机控制系统理论主要包括离散系统理论和采样系统理论。 离散系统理论主要指对离散系统进行分析和设计的各种方法的研究。包括： （1）差分方程及z变换理论； （2）常规设计方法； （3）按极点配置的设计方法； （4）最优设计方法； （5）系统辨识及自适应控制。 第36页/共44页第三十七页，共44页。采样系统理论采样系统理论(lln)采样系统理论除了包括离散系统的理

29、论外，还有以下内容： （1）采样理论。香农采样定理(dngl)。 （2）连续模型及性能指标的离散化。 （3）性能指标函数的计算。 （4）采样控制系统的仿真。 （5）采样周期的选择。 （6）数字信号整量化效应的研究。 第37页/共44页第三十八页，共44页。二二. .计算机控制系统计算机控制系统(kn zh x (kn zh x tn)tn)的发展趋势的发展趋势1 1推广应用成熟的先进技术推广应用成熟的先进技术 (1) (1)普及应用可编程序控制器普及应用可编程序控制器(PLC) (PLC) 利用具有智能利用具有智能I IO O模块的模块的PLCPLC，将顺序控制和过程控制结合起来，将顺序控制和

30、过程控制结合起来，实现对生产实现对生产(shngchn)(shngchn)过程的控制。过程的控制。 (2) (2)广泛使用智能调节器广泛使用智能调节器 智能调节器不仅可以接受智能调节器不仅可以接受4 420mA20mA电流信号，还具有电流信号，还具有RS232RS232或或RSRS422422485485异步串行通讯接口，可与上位机连成主从式测控网络。异步串行通讯接口，可与上位机连成主从式测控网络。 (3) (3)采用新型的采用新型的DCSDCS和和FCSFCS 发展以位总线发展以位总线(Bitbus)(Bitbus)、现场总线、现场总线(Fieldbus)(Fieldbus)技术等先进网络通

31、讯技术等先进网络通讯技术为基础的技术为基础的DCSDCS和和FCSFCS控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综控制结构，并采用先进的控制策略，向低成本综合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造系统合自动化系统的方向发展，实现计算机集成制造系统(CIMS)(CIMS)。 第38页/共44页第三十九页，共44页。1.4计算机控制系统(kn zh x tn)的研究内容和对系统的基本要求一.研究内容 1.系统建模：自动(zdng)控制系统研究的基本内容是对控制系统建立数学模型，简称系统建模。数学模型是描述系统变量之间关系的数学表达式，对连续系统为微分方程，对离散系统为差分方程，在现代控制理论中，要建立状态方程。 建立系统的数学模型的方法有分析方法和实验方法。 分析法是根据物理和化学定律，建立系统的动态方程。 实验法是用系统辨识方法，即对系统加入已知信号，记录系统的输出，然后用数学模型近似，从而得到系统的数学模型（著名的“黑箱”建模方法）。 第39页/共44页第四十页，共44页。 2 2大力研究和发展大力研究和发展(fzhn)(fzhn)智能控制系统智能控制系统