工业自动化技术ppt课件.ppt

1、2020/8/22,1,工业自动化技术 授课： 博士， 教授,2020/8/22,2,工业自动控制技术的发展概况,一、工业自动控制的基本概念 自动控制：指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（机器、设备）的某一个物理量自动地按照预定的规律运行， 控制系统：为实现某一控制目标所需要的物理部件（及软件）的有机组合，通常由控制器和被控对象组成。 自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学，它包括以反馈控制理论为基础的古典控制理论（单输入、单输出），以状态空间为基础的现代控制理论（多输入、多输出）以及以模糊控制和神经网络为代表的智能控制（不需精确数学模型）。,2020/8/22,3,二、工业

2、自动控制系统基本类型： 顺序控制系统：顺序控制是按照预先规定的时间顺序（或逻辑关系），逐步对各设备或对象进行控制到方法。如电梯等。 过程控制系统：对工业生产过程中的各物理量（如温度、压力、液位等）进行闭环控制，使其按照要求的规律变化。 运动控制系统：控制运动物体的转速或位置，使其按照要求的规律变化。如调速系统，位置随动系统等。 监控系统：对生产过程中的大量运行参数进行采集、显示、记录或报警。,2020/8/22,4,三、控制系统的传统实现方法： 顺序控制系统：继电逻辑控制系统。 过程控制系统：常规仪表控制系统。 运动控制系统：拖动控制系统。 监控系统：常规显示、记录或报警仪表。,2020/8/

3、22,5,四、计算机技术对工业控制技术的影响,2020/8/22,6,五、实现计算机控制到几种尝试方案 直接数字控制系统（DDC)。 单片机控制。 总线式工控机。 可编程调节器。,2020/8/22,7,六、计算机控制的现状及发展 可编程控制器(PLC)。 集散控制系统(DCS)。 现场总线控制系统(FCS)。 工业以太网。,2020/8/22,8,七、计算机控制的设计原则 可靠性与适应性。 操作性与友好性。 灵活性与扩展性。 实时性。,2020/8/22,9,分布式控制系统的体系结构,一、分布式控制系统体系结构的形成： 集中型计算机控制系统：采用专用计算机来处理工业控制问题(如进行数据采集，

4、数据处理，过程监视等)。 多级计算机控制系统：为了计算机的处理速度和自身的可靠性问题和在计算机微型化的推动下，出现了多级计算机控制系统。 集散型计算机控制系统：将与现场设备打交道和需要进行实时处理的功能分散到前端计算机上，而中央计算机只充当后继到系统管理方面的工作，实现集中管理，分散控制，提高整个系统的可靠性。 计算机集成综合系统：将中央计算机与工厂办公室自动化系统连接起来，使工厂制造与办公室、实验室、仓库等商业和事务管理等系统构成了一体化。,2020/8/22,10,二、分布式控制系统 分层结构中各层的功能,2020/8/22,11,三、分布式控制系统系统的基本结构 现场控制器：通常带有I/

5、O部件，与生产过程相联接，实现数据采集和控制执行。 人机接口：让操作员了解生产能够过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。主要由操作站、工程师站和历史站。 通信系统：在分散过程控制装置与操作管理装置之间完成数据交换和传递。,2020/8/22,12,四、现场控制器 回路控制器：能完成以PID为基础的回路控制的数字仪表，多路数据采集器以及无纸记录仪等一系列数字仪表，在面板上仍保留棒图和手/自动切换，用数字显示代替指针显示，这些数字仪表统称为回路控制器。回路控制器内部的算法预先用程序作成功能块的形式，存在ROM中。可以按照所要求的控制策略，进行组态。 可编程控制器(PLC)：PLC是由摸仿

6、继电器控制原理发展起来的，以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。现代的也增加有一些控制回路用的算法。 运动控制器：用于控制运动部件的速度或位置，通常包括变频器和伺服系统。 现场总线：全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；用分散的虚拟控制站取代集中的控制站；改变传统的信号标准、通信标准。,2020/8/22,13,控制系统的硬件体系结构,2020/8/22,14,模块1,模块2,模块1,模块2,模块3,双模冗余 DMRDual Module Redundancy,三模冗余 TMRTriple Modu

7、le Redundancy,(1) 需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构,2020/8/22,15,模块1,模块2,模块1,模块2,表决器,选择器,状态,指令,指令,输出,输出,指令,指令,输入,输入,备用式冗余 Backup Redundancy,表决式冗余 Voting Redundancy,2020/8/22,16,模块3,模块4,表决器,B输出,模块1,模块2,表决器,A输出,输出 互锁选择器,输出,A机,B机,互锁信号,互锁信号,主,备,2020/8/22,17,tA,确定性实时,非确定实时,延迟,deadline,概率,tmin,tmax,tdl,tA,deadline,tmin

8、,tmax,tdl,无边界 !,在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率为零。,有边界 !,概率,延迟,在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率很小，但不为零。,确定性实时和非确定性实时的对比,2020/8/22,18,200 ms:,操作人员的手感（接近硬接线般的感觉）,10 ms:,流程工业中的事件分辨率（但目前很多招标书都要求2ms),1 s:,操作员站画面上的数据刷新速度,3 s:,操作员站画面翻页速度,1 s:,控制器执行一个加法运算的典型时间,10 s:,控制器执行一个PID运算的典型时间,30 s:,

9、通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）,100 s:,多任务实时系统任务切换时间,200 s:,从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间,1 ms:,在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间,2 ms:,在局域网中发送一个报文的时间,50 ms:,控制器中通讯任务的执行时间,实时性：典型任务的响应时间要求,2020/8/22,19,主控制器应用设计：工艺过程划分,2020/8/22,20,AI信号的输入处理过程,Analog Input-AI,2020/8/22,21,双积分型A/D转换器,2020/8/22,22,逐次比较型A/D转换器,2020/8/22,23,2020

10、/8/22,24,变压器隔离型放大器,2020/8/22,25,电容隔离型放大器,2020/8/22,26,线性光偶隔离型放大器,2020/8/22,27,三种模拟信号隔离放大器比较,2020/8/22,28,模拟量输出,2020/8/22,29,开关量输入（DI：Digital Input),2020/8/22,30,开关量输出（DO：Digital Output),2020/8/22,31,常见计算机控制算法、 PID控制算法：形成一个闭环的控制回路，对被控变量产生的一切扰动都进行响应。 选择性控制系统：对两个或多个控制器的输出端的信号进行选择。 前馈控制：按扰控量进行补偿的开环控制，即当

11、影响系统的扰动出现是（被控变量还未显示变化以前），按扰动量大小直接产生校正作用，以抵消扰动的影响。 顺序控制：顺序控制是按照预先规定的顺序（逻辑关系），逐步对各阶段进行信息处理的控制方法. 计算机优化控制,控制系统的控制算法,2020/8/22,32,2020/8/22,33,控制作用： 比例控制：比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。 积分控制：积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分

12、作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。 微分控制：微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。,2020/8/22,34,2020/8/22,35,2020/8/22,36,为了求和，必须将系统的偏差的全部过去值都储存起来，这种算法得出的全量U(K)是控制量的绝对值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，是一一对应的。缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置，必须把偏差的全部过去数据都积累起来，容

13、易产生积分饱和,2020/8/22,37,2020/8/22,38,2020/8/22,39,采样周期选择： 根据香农采样定理，系统采样频率为 ： fs 2fmax（ max 被采样信号的最高） 满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢 复为原模拟信号，而不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连续-时间控制系统。,三、采样周期,2020/8/22,40, 从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，采样周期必须大于这一时间 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些 从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些

14、从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的 实际选择采样周期时，必须综合考虑 采用周期要比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映瞬变过程 采用周期应远小于对象的扰动信号的周期 考虑执行器的响应速度 当系统纯滞后占主导地位时，应按纯滞后大小选取，并尽可能使纯滞后时间接近或等于采用周期的整数倍 考虑对象所要求的控制质量，精度越高，采样周期越短，以减小系统的纯滞后,2020/8/22,41, 常见被控量的经验采样周期,2020/8/22,42,四、参数整定 实验凑试法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分。 1 整定比例控制 预选择一个足够短的采样周期TS。一般说TS应小于受控对象纯延迟时间的十

15、分之一。用选定的TS使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐加大比例放大系数KP，即将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线，即系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘）。 2 整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。 先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。,2020/8/22,43,3整定微分环节 若经过步骤（2），PI控制只能消

16、除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。 先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 参数整定法：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低,2020/8/22,44,五、离散PID控制算法的优缺点 优点：离散PID的P、I、D三个作用是

17、独立的，可以分别整定，计算机实施时，等效的Ti Td可以在更大范围内自由选择；积分微分作用的某些改进更为灵活多变。 缺点：如果采用等效的PID参数，离散PID控制往往差于连续的控制，滞后1/2Ts（画图展示） PID控制算法的改进 积分分离：积分分离法是在误差量较大时，不进行积分，直至误差达到一定值之后，才在控制量的计算中加入积分累积。 带不灵敏区：对控制作用尽量少变得场合，在偏差小于某一值时，没有控制作用，偏差大于某一值时，有控制作用。,2020/8/22,45,分布式控制系统的数据通信,一、网络和数据通信的基本概念 1. 数据信息：具有一定编码、格式和字长的数字信息被称为数据信息。 2.

18、传输速率：传输速率是指信道在单位时间内传输的信息量。一般以每秒 所能够传输的比特(bit)数来表示。 3. 传输方式：通信方式按照信息的传输方向分为单工、半双工和全双工三种方式。 单工方式：信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式。 半双工方式：信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输。 全双工方式：信息可以同时沿着两个方向传输的通信方式。,2020/8/22,46,4. 基带传输、载带传输与宽带传输 基带传输：直接将数字数据信号通过信道进行传输。 载带传输：用基带信号调制载波后，在信道上传输调制后的载波信号。 宽带传输：在一条信道上同时传送不同的载波频率的多路信号，实现多路信号同时传输。 5. 异步传输与同步传输 异步传输：字符的传输是同步的，但字符与字符之间的时间间隔是不确定的。 同步传输：用同步的时钟脉冲，使发送装置和接收装置保持同步以获得较高的传输速率。 6. 串行传输与并行传输 串行传输：数据的各个二进制位依次在信道上进行传输的方式。 并行传输：把构成数据的各个二进制位同时在信道上进行传输的方式。,2020/8/22,47,二、数据通信的编码与调制 1. 平衡、归零、双极性。用正极性脉冲表示1，用负极性脉冲表示0，在相邻脉冲之间保留一定的