計算機控制技術(shù),葉春生，材料學(xué)院csyeTel:027-87557041,控制系統(tǒng)基本概念的回顧,自動控制在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象的被控量自動地按預(yù)先給定的規(guī)律去運行。自動控制系統(tǒng)指被控對象和控制裝置的總體。這里控制裝置是一個廣義的名詞，主要是指以控制器為核心的一系列附加裝置的總和。共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，對被控對象的狀態(tài)實行自動控制，有時又泛稱為控制器或調(diào)節(jié)器。自動控制系統(tǒng)被控對象和控制裝置控制裝置給定元件、測量元件、比較元件、放大元件、執(zhí)行元件、校正元件。,負反饋原理把被控量反送到系統(tǒng)的輸入端與給定量進行比較，利用偏差引起控制器產(chǎn)生控制量，以減小或消除偏差。實現(xiàn)自動控制的基本途徑：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。實現(xiàn)自動控制的主要原則：主反饋原則按被控量偏差實行控制。補償原則按給定或擾動實行硬調(diào)或補償控制。復(fù)合控制原則閉環(huán)為主開環(huán)為輔的組合控制。,控制系統(tǒng)的分類按數(shù)學(xué)模型,按應(yīng)用范圍分類：恒值系統(tǒng)與隨動系統(tǒng),對自控系統(tǒng)的要求對自控系統(tǒng)的要求用語言敘述就是兩句話：要求輸出等于給定輸入所要求的期望輸出值；要求輸出盡量不受擾動的影響。衡量一個系統(tǒng)是否完成上述任務(wù)，把要求轉(zhuǎn)化成三個性能指標來評價：穩(wěn)定系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)；快速、平穩(wěn)動態(tài)過程時間要短，振蕩要輕。準確穩(wěn)定精度要高，誤差要小甚至無差。,解決自動控制系統(tǒng)問題的主要過程,列寫系統(tǒng)的微分方程式,求取傳遞函數(shù),自控系統(tǒng)的時域分析,(1)時域分析法是通過直接求解系統(tǒng)在典型輸入信號作用下的時間響應(yīng)，來分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能。工程上常用單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)誤差等性能指標評價系統(tǒng)的優(yōu)劣。許多自動控制系統(tǒng)，經(jīng)過參數(shù)整定和調(diào)試，其動態(tài)特征往往近似于一階或二階系統(tǒng)。因此一、二階系統(tǒng)的理論分析結(jié)果，經(jīng)常是高階系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)。(2)時域分析法的基本方法是拉氏變換法：結(jié)構(gòu)圖C(s)=G(s)R(s)c(t)=L-1C(s),(3)時域分析(i)一階系統(tǒng)的時域分析一階系統(tǒng)的動態(tài)特性應(yīng)用一階微分方程描述。一階系統(tǒng)只有一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，即其時間常數(shù)T。時間常數(shù)T反應(yīng)了一階系統(tǒng)的慣性大小或阻尼程度。一階系統(tǒng)的性能由其時間常數(shù)T唯一決定。一階系統(tǒng)的時間常數(shù)T，也可由實驗曲線求出。(ii)二階系統(tǒng)的時域分析二階系統(tǒng)的性能分析，在自動控制理論中有著重要的地位。二階系統(tǒng)含有兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)，即阻尼比和無阻尼振蕩頻率n。,阻尼比決定著二階系統(tǒng)的響應(yīng)模態(tài)。=0時，系統(tǒng)的響應(yīng)為無阻尼響應(yīng)；=1時，系統(tǒng)的響應(yīng)稱為臨界阻尼響應(yīng)；>1時，系統(tǒng)的響應(yīng)是過阻尼的；0<<1時，系統(tǒng)的響應(yīng)為欠阻尼響應(yīng)。欠阻尼工作狀態(tài)下，合理選擇阻尼比的取值，可使系統(tǒng)具有令人滿意的動態(tài)性能指標。其動態(tài)性能指標有Mp、tr、td、tp，ts，一方面可以從響應(yīng)曲線上讀??；二是它們與、n有相應(yīng)的關(guān)系，只要已知、n，就能很容易求出動態(tài)性能指標。,(4)穩(wěn)定性分析控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，是決定其能否正常工作的前提條件。任何不穩(wěn)定的系統(tǒng)，在工程上都是毫無使用價值的。穩(wěn)定，是指系統(tǒng)受到擾動偏離原來的平衡狀態(tài)后，去掉擾動，系統(tǒng)仍能恢復(fù)到原工作狀態(tài)的能力。應(yīng)當(dāng)特別注意，線性系統(tǒng)的這種穩(wěn)定性只取決于系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，而與初始條件和外作用的大小及形式無關(guān)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：系統(tǒng)的所有閉環(huán)特征根都具有負的實部，或閉環(huán)特征根都分布在左半s平面。,Im(s),Re(s),閉環(huán)函數(shù)極點的運動模態(tài),(5)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差是系統(tǒng)很重要的性能指標，它標志著系統(tǒng)最終可能達到的控制精度。穩(wěn)態(tài)誤差定義為穩(wěn)定系統(tǒng)誤差信號的終值。穩(wěn)態(tài)誤差既和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)有關(guān)，也取決于外作用的形式及大小。穩(wěn)態(tài)誤差可應(yīng)用拉氏變換的終值定理計算，步驟如下：(1)判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有對穩(wěn)定的系統(tǒng)計算其穩(wěn)態(tài)誤差才有意義。(2)根據(jù)誤差的定義求出系統(tǒng)誤差的傳遞函數(shù)。(3)分別求出系統(tǒng)對給定和對擾動的誤差函數(shù)。(4)用拉氏變換的終值定理計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。,1.1.1計算機控制系統(tǒng)概述1、計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)就是利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。目的：實時、高效、安全、低成本、高質(zhì)量地完成生產(chǎn)過程。計算機控制系統(tǒng)工業(yè)控制計算機生產(chǎn)過程。,計算機控制系統(tǒng),2、計算機控制系統(tǒng)組成,工業(yè)控制計算機,生產(chǎn)過程,生產(chǎn)過程中的各種信號，通過各類、傳感器、變送器將其轉(zhuǎn)換成點信號進入對應(yīng)通道送入控制計算機；控制計算機將各類控制量通過對應(yīng)通道輸出驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，控制生產(chǎn)過程。,各類傳感器、變送器,傾角傳感器,加速度傳感器,質(zhì)量流量傳感器,電阻溫度傳感器,激光定位傳感器,磁傳感器,紅外溫度傳感器,真空度變送器,流量變送器,霍爾電壓傳感器,瞬態(tài)電流傳感器,拉壓力傳感器,CCD傳感器,各類光柵編碼器,氣體流量傳感器,各類執(zhí)行機構(gòu),伺服閥,伺服電機,壓力流量控制泵,伺服液壓缸,雙向液壓缸,屬開環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)根據(jù)來自生產(chǎn)過程的各種信息，在計算機內(nèi)進行分析和綜合，給出最優(yōu)決策，操作人員根據(jù)決策結(jié)果，執(zhí)行相關(guān)的操作，控制生產(chǎn)過程。缺點：速度慢、實時性差。,1.1.2計算機控制系統(tǒng)的典型形式1操作指導(dǎo)控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)采集來自生產(chǎn)過程的各種信息，在計算機內(nèi)進行分析和綜合，給出最優(yōu)決策，通過輸出通道輸出控制信號，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相關(guān)的操作，控制生產(chǎn)過程。優(yōu)點：速度快、實時性強、可靈活改變算法。,2直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC),3計算機監(jiān)督系統(tǒng)(SCC),SCC模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)計算機根據(jù)原始工藝信息，按照規(guī)定的算法提供最佳決策，自動改變模擬調(diào)節(jié)器的給定。,優(yōu)點：不破壞原有系統(tǒng)，成本低，是一種有效的設(shè)備改造方案。,SCC數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)計算機根據(jù)不同的工藝要求信息，按照規(guī)定的算法提供最佳決策，自動改變DDC的給定。,優(yōu)點：可以方便地根據(jù)不同產(chǎn)品工藝流程的要求修改計算機控制參數(shù)。如各類油品的生產(chǎn)。,4分散形控制系統(tǒng)(DCS),大型分散形控制系統(tǒng)往往構(gòu)成一個四級系統(tǒng)。裝置控制級(DDC級)DDC裝置、PLC裝置、工控機車間監(jiān)督級(SCC級)工業(yè)控制機工廠集中控制級(MIS)管理用PC機企業(yè)管理級(MIS)管理用PC機,5.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS),DCS的缺點是成本高，標準不統(tǒng)一，互連困難。FCS為二層結(jié)構(gòu)工作站現(xiàn)場總線智能儀表。總線標準逐漸統(tǒng)一，實現(xiàn)真正的開放式系統(tǒng)互連。另外，F(xiàn)CS在信號的傳輸方面，從最低層的傳感器開始實現(xiàn)了全數(shù)字化信號傳輸。,1.2工業(yè)控制機的組成及特點,1.2.1工業(yè)控制機的組成1.硬件組成微型計算機控制系統(tǒng)的硬件一般是由工業(yè)控制機、外部設(shè)備、輸入輸出通道和操作臺等組成。與一般的計算機相比，具有：可擴充性、高抗干擾性、寬廣的環(huán)境適應(yīng)性、良好的人機對話功能。,通訊總線,內(nèi)部總線,2軟件組成,軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和。它是微型計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為三大類：一類是系統(tǒng)軟件：多任務(wù)實時操作系統(tǒng)；一類是支持軟件：各類語言的編輯、編譯、調(diào)試程序、診斷程序、控制類組態(tài)軟件；一類是應(yīng)用軟件：針對某個或某幾類生產(chǎn)過程而編制的控制和管理程序。,1.2.2工業(yè)控制機的總線結(jié)構(gòu),總線：一組信號線的集合，定義了各引線的信號功能數(shù)據(jù)、地址、控制；電氣特性信號的延滯、形變、驅(qū)動能力；機械特性信號線之間的間距、機械強度、信號線布局、接插件標準。1、內(nèi)部總線每種計算機都有自身的內(nèi)部總線，由總線完成系統(tǒng)內(nèi)各模板之間的信息傳遞。內(nèi)部總線包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源總線。常見的工業(yè)控制機總線標準有：PC總線、PCI總線、STD總線、CAN總線、I2c總線、位總線等。,工業(yè)控制計算機,工業(yè)控制計算機,工業(yè)控制計算機主機板,工業(yè)控制計算機,模塊,8串口擴展卡,PC應(yīng)用板卡,STD應(yīng)用板卡,PLC,PC104總線板卡,PCI總線插口,PC總線插口,多總線主板,RS-232接口USB接口,CAN總線單片機P8xC592內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形圖,2.外部總線,所謂外部總線，就是計算機與計算機之間或計算機與其它智能設(shè)備之間進行通訊的連線。常見的工業(yè)控制機通訊總線標準有：RS-232、RS-422/485、USB等串行通訊總線；也有GPIB(IEEE-488)并行通訊總線。各種總線有各自的特點：RS-232：RS-232電平，通訊距離不大于15米，傳送速率不大于20kbps，采用25芯插頭連接；GPIB：TTL電平，通訊距離不大于20米，傳送速率不大于1Mbps，采用24芯插頭連接；RS-422/485：通訊距離1200m；USB：通訊距離在5米內(nèi)，傳輸速度率可達到12Mbps。,美國InTouch,中國昆侖通態(tài),中國組態(tài)王,組態(tài)(Configuration)為模塊化任意組合。(1)延續(xù)性和可擴充性，用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu))或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級；,工控軟件,(2)封裝性(易學(xué)易用)，通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)(甚至不需要編程技術(shù))，就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能；(3)通用性，每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備(PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等)的I/ODriver、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之一正在組態(tài)過程,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之二系統(tǒng)1,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之三系統(tǒng)2,商品化的工業(yè)控制組態(tài)軟件示例之四異地系統(tǒng)監(jiān)控,實際運行的工控軟件示例之一多效蒸發(fā)工藝流程圖,實際運行的工控軟件示例之二發(fā)酵蒸發(fā)器工藝流程詳圖,實際運行的工控軟件示例之三四條參數(shù)趨勢圖,實際運行的工控軟件示例之四主參數(shù)趨勢詳圖,1.2.3工業(yè)控制機的特點,1.可靠性和可維修性好；可靠性好：在規(guī)定的時間內(nèi)運行不發(fā)生故障?？删S修性好：一旦出現(xiàn)故障，維修快速、簡單、方便。2.環(huán)境適應(yīng)性強；能夠適應(yīng)現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境而不會因此而出現(xiàn)故障。如：高溫、低溫、灰塵、振動、高濕、腐蝕、強電磁干擾、供電電源的大幅度波動等。3.工作具有實時性；4.完善的輸入輸出通道；5.豐富的軟件。6.適當(dāng)?shù)挠嬎闼俣群途取?1.3計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢,1.3.1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況1計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展過程開創(chuàng)時期(1955-1962)電子管計算機，可靠性差，僅從事一些操作指導(dǎo)和設(shè)定值的控制工作。直接數(shù)字控制時期(1962-1967)使用計算機完全取代模擬控制，由計算機構(gòu)成數(shù)字調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了多路控制小型工業(yè)控制計算機時期(1967-1972)使用小型工業(yè)控制計算機，來完成生產(chǎn)過程的控制。,微型計算機時期(1972-至今)微型計算機、單片機、專用控制芯片的大量使用，可靠性的大幅提高；各類算法的日趨成熟。隨著計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的控制軟件技術(shù)也隨之發(fā)展。70年代末以前，控制軟件主要使用的是匯編語言；后來發(fā)展成為用高級語言；目前，廣泛使用專用的組態(tài)軟件作為工業(yè)控制軟件的操作平臺。2.計算機控制理論(采樣理論)的發(fā)展過程1948年任意一個線性系統(tǒng)，都可以用一個線性時不變的差分方程來描述。1949年乃奎斯特-香農(nóng)的采樣定理為計算機控制奠定了基礎(chǔ)。,1952年一個線性時不變的差分方程可以通過將其進行Z變換，在Z域解代數(shù)方程來求解。1957年狀態(tài)空間理論的提出1962年最優(yōu)控制和隨機控制理論的提出60年代末系統(tǒng)辨識理論和自適應(yīng)理論的提出70年代至今各類控制思想的融入：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制、自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)、黑箱理論、灰箱理論。,1.3.2計算機控制系統(tǒng)的在我國的發(fā)展趨勢,1可編程控制器(PLC)用可編程控制器對舊有的繼電器設(shè)備進行改造。2.廣泛使用智能調(diào)節(jié)器廣泛使用智能調(diào)節(jié)器對生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)進行自動化控制，并形成網(wǎng)絡(luò)。3.采用新型的DCS和FCS采用新型的DCS和FCS，把微型機、工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機地結(jié)合起來，采用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的自動化。,4大力研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng),(1)人工智能控制系統(tǒng)和專家控制系統(tǒng)人工智能是用計算機模擬人類大腦的邏輯判斷功能，其中具有代表性的兩個尖端領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機器人。專家系統(tǒng)即計算機專家咨詢系統(tǒng)，是一個存儲了大量專門知識的計算機程序系統(tǒng)。不同的專家系統(tǒng)將不同領(lǐng)域?qū)＜业闹R，以適當(dāng)?shù)男问酱娣庞谟嬎銠C中。根據(jù)這些專家知識，專家系統(tǒng)可以對用戶提出的問題做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢。將人工智能系統(tǒng)和專家系統(tǒng)融入控制系統(tǒng)是發(fā)展的重要方向。,(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng),國外在20世紀80年代掀起了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用熱潮，我國在90年代也開始了這方面的研究。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(大規(guī)模的并行處理和分布式的信息存儲，良好的自適應(yīng)性、和很強的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想功能及容錯功能)，使它的應(yīng)用越來越廣泛。1965年，美國加州大學(xué)教授L.A.Zadeh提出了模糊集合論；1974年，英國科學(xué)家Mamdani首次運用模糊控制理論實現(xiàn)了對蒸汽機的自動控制，并取得了比DDC更好的控制結(jié)果。1979年，中國的研究人員開始對模糊控制器進行研究?，F(xiàn)在模糊控制已廣泛應(yīng)用于各個控制領(lǐng)域。,水處理生產(chǎn)線模擬裝置,填料塔換熱裝置,國內(nèi)高速紙機示意圖,對主要參考源的建議,有關(guān)書籍比較慢，但理論相對成熟一些有關(guān)會議論文集快，新思想與新方法多，但較為粗糙有關(guān)期刊、報紙期刊論文要慢一些，相對成熟報紙快,但不易保存有關(guān)自動化類、IT類、綜合及相關(guān)行業(yè)類的書報雜志，以及相關(guān)網(wǎng)站,主要參考源,常見的國內(nèi)自動化類雜志理論性較強的雜志：自動化學(xué)報、控制理論與應(yīng)用、系統(tǒng)工程理論與實踐、儀器儀表學(xué)報、模式識別與人工智能、電子學(xué)報等介于理論與應(yīng)用之間的雜志：信息與控制、控制與決策、自動化儀表、工業(yè)自動化及儀表等技術(shù)性或應(yīng)用性文章較多一點的雜志：化工自動化及儀表、冶金自動化、工業(yè)控制計算機等等,