計算機控制技術概述.ppt

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計算機控制技術,,葉春生，材料學院csye@Tel: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生控制量，以減小或消除偏差。實現自動控制的基本途徑：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。實現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或補償控制。復合控制原則——閉環(huán)為主開環(huán)為輔的組合控制。,控制系統(tǒng)的分類——按數學模型,按應用范圍分類：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，把要求轉化成三個性能指標來評價：穩(wěn)定——系統(tǒng)的工作基礎；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,,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，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的超調量、調節(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)，經過參數整定和調試，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)的理論分析結果，經常是高階系統(tǒng)分析的基礎。(2)時域分析法的基本方法是拉氏變換法：結構圖→C(s)=G(s)R(s)→c(t)=L-1[C(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)特性應用一階微分方程描述。一階系統(tǒng)只有一個結構參數，即其時間常數T。時間常數T反應了一階系統(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T唯一決定。一階系統(tǒng)的時間常數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)含有兩個結構參數，即阻尼比ξ和無阻尼振蕩頻率ωn。,阻尼比ξ決定著二階系統(tǒng)的響應模態(tài)。ξ=0時，系統(tǒng)的響應為無阻尼響應；ξ=1時，系統(tǒng)的響應稱為臨界阻尼響應；ξ>1時，系統(tǒng)的響應是過阻尼的；0<ξ<1時，系統(tǒng)的響應為欠阻尼響應。欠阻尼工作狀態(tài)下，合理選擇阻尼比ξ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，一方面可以從響應曲線上讀取；二是它們與ξ、ωn有相應的關系，只要已知ξ、ωn，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)仍能恢復到原工作狀態(tài)的能力。應當特別注意，線性系統(tǒng)的這種穩(wěn)定性只取決于系統(tǒng)內部的結構及參數，而與初始條件和外作用的大小及形式無關。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)的結構及參數有關，也取決于外作用的形式及大小。穩(wěn)態(tài)誤差可應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)根據誤差的定義求出系統(tǒng)誤差的傳遞函數。(3)分別求出系統(tǒng)對給定和對擾動的誤差函數。(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生產過程的自動化。目的：實時、高效、安全、低成本、高質量地完成生產過程。計算機控制系統(tǒng)＝工業(yè)控制計算機＋生產過程。,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,生產過程,生產過程中的各種信號，通過各類、傳感器、變送器將其轉換成點信號進入對應通道送入控制計算機；控制計算機將各類控制量通過對應通道輸出驅動執(zhí)行機構，控制生產過程。,各類傳感器、變送器,傾角傳感器,加速度傳感器,質量流量傳感器,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,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)根據來自生產過程的各種信息，在計算機內進行分析和綜合，給出最優(yōu)決策，操作人員根據決策結果，執(zhí)行相關的操作，控制生產過程。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．操作指導控制系統(tǒng),閉環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)采集來自生產過程的各種信息，在計算機內進行分析和綜合，給出最優(yōu)決策，通過輸出通道輸出控制信號，驅動執(zhí)行機構執(zhí)行相關的操作，控制生產過程。優(yōu)點：速度快、實時性強、可靈活改變算法……。,2．直接數字控制系統(tǒng)(DDC),3．計算機監(jiān)督系統(tǒng)(SCC),SCC＋模擬調節(jié)器系統(tǒng)計算機根據原始工藝信息，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，是一種有效的設備改造方案。,SCC＋數字調節(jié)器系統(tǒng)計算機根據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：可以方便地根據不同產品工藝流程的要求修改計算機控制參數。如各類油品的生產。,4．分散形控制系統(tǒng)(DCS),大型分散形控制系統(tǒng)往往構成一個四級系統(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為二層結構——工作站＋現場總線智能儀表。總線標準逐漸統(tǒng)一，實現真正的開放式系統(tǒng)互連。另外，FCS在信號的傳輸方面，從最低層的傳感器開始實現了全數字化信號傳輸。,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)境適應性、良好的人機對話功能……。,通訊總線,內部總線,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)的神經中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進行協調工作的。軟件通常分為三大類：一類是系統(tǒng)軟件：多任務實時操作系統(tǒng)；一類是支持軟件：各類語言的編輯、編譯、調試程序、診斷程序、控制類組態(tài)軟件；一類是應用軟件：針對某個或某幾類生產過程而編制的控制和管理程序。,1.2.2工業(yè)控制機的總線結構,總線：一組信號線的集合，定義了各引線的信號功能——數據、地址、控制……；電氣特性——信號的延滯、形變、驅動能力……；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、內部總線每種計算機都有自身的內部總線，由總線完成系統(tǒng)內各模板之間的信息傳遞。內部總線包括：數據總線、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應用板卡,STD應用板卡,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內部結構及外形圖,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，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)的應用程序，當現場(包括硬件設備或系統(tǒng)結構)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(甚至不需要編程技術)，就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能；(3)通用性，每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設備(PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等)的I/ODriver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，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——四條參數趨勢圖,實際運行的工控軟件示例之四——主參數趨勢詳圖,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)定的時間內運行不發(fā)生故障?？删S修性好：一旦出現故障，維修快速、簡單、方便。2.環(huán)境適應性強；能夠適應現場工業(yè)環(huán)境而不會因此而出現故障。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.適當的計算速度和精度。,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和設定值的控制工作。直接數字控制時期(1962-1967)使用計算機完全取代模擬控制，由計算機構成數字調節(jié)器，實現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的不斷發(fā)展，相應的控制軟件技術也隨之發(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-香農的采樣定理為計算機控制奠定了基礎。,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、神經網絡控制、專家系統(tǒng)控制、自學習控制系統(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備進行改造。2.廣泛使用智能調節(jié)器廣泛使用智能調節(jié)器對生產過程的各個環(huán)節(jié)進行自動化控制，并形成網絡。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、數據通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機地結合起來，采用組合組裝式結構組成系統(tǒng)，實現生產全過程的自動化。,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)將不同領域專家的知識，以適當的形式存放于計算機中。根據這些專家知識，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)神經網絡控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng),國外在20世紀80年代掀起了神經網絡控制系統(tǒng)的研究和應用熱潮，我國在90年代也開始了這方面的研究。由于神經網絡的特點(大規(guī)模的并行處理和分布式的信息存儲，良好的自適應性、和很強的學習功能、聯想功能及容錯功能)，使它的應用越來越廣泛。1965年，美國加州大學教授L.A.Zadeh提出了模糊集合論；1974年，英國科學家Mamdani首次運用模糊控制理論實現了對蒸汽機的自動控制，并取得了比DDC更好的控制結果。1979年，中國的研究人員開始對模糊控制器進行研究?，F在模糊控制已廣泛應用于各個控制領域。,水處理生產線模擬裝置,填料塔換熱裝置,國內高速紙機示意圖,對主要參考源的建議,有關書籍比較慢，但理論相對成熟一些有關會議論文集快，新思想與新方法多，但較為粗糙有關期刊、報紙期刊論文要慢一些，相對成熟報紙快,但不易保存有關自動化類、IT類、綜合及相關行業(yè)類的書報雜志，以及相關網站,主要參考源,常見的國內自動化類雜志理論性較強的雜志：自動化學報、控制理論與應用、系統(tǒng)工程理論與實踐、儀器儀表學報、模式識別與人工智能、電子學報等介于理論與應用之間的雜志：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性或應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,