计算机控制技术概述.ppt

计算机控制技术 叶春生 材料学院csye Tel 027 87557041 控制系统基本概念的回顾 自动控制在没有人直接参与的情况下 利用控制器使被控对象的被控量自动地按预先给定的规律去运行 自动控制系统指被控对象和控制装置的总体 这里控制装置是一个广义的名词 主要是指以控制器为核心的一系列附加装置的总和 共同构成控制系统 对被控对象的状态实行自动控制 有时又泛称为控制器或调节器 自动控制系统 被控对象和控制装置控制装置 给定元件 测量元件 比较元件 放大元件 执行元件 校正元件 负反馈原理把被控量反送到系统的输入端与给定量进行比较 利用偏差引起控制器产生控制量 以减小或消除偏差 实现自动控制的基本途径 开环控制和闭环控制 实现自动控制的主要原则 主反馈原则 按被控量偏差实行控制 补偿原则 按给定或扰动实行硬调或补偿控制 复合控制原则 闭环为主开环为辅的组合控制 控制系统的分类 按数学模型 按应用范围分类 恒值系统与随动系统 对自控系统的要求对自控系统的要求用语言叙述就是两句话 要求输出等于给定输入所要求的期望输出值 要求输出尽量不受扰动的影响 衡量一个系统是否完成上述任务 把要求转化成三个性能指标来评价 稳定 系统的工作基础 快速 平稳 动态过程时间要短 振荡要轻 准确 稳定精度要高 误差要小甚至无差 解决自动控制系统问题的主要过程 列写系统的微分方程式 求取传递函数 自控系统的时域分析 1 时域分析法是通过直接求解系统在典型输入信号作用下的时间响应 来分析控制系统的稳定性和控制系统的动态性能及稳态性能 工程上常用单位阶跃响应的超调量 调节时间和稳态误差等性能指标评价系统的优劣 许多自动控制系统 经过参数整定和调试 其动态特征往往近似于一阶或二阶系统 因此一 二阶系统的理论分析结果 经常是高阶系统分析的基础 2 时域分析法的基本方法是拉氏变换法 结构图 C s G s R s c t L 1 C s 3 时域分析 i 一阶系统的时域分析一阶系统的动态特性应用一阶微分方程描述 一阶系统只有一个结构参数 即其时间常数T 时间常数T反应了一阶系统的惯性大小或阻尼程度 一阶系统的性能由其时间常数T唯一决定 一阶系统的时间常数T 也可由实验曲线求出 ii 二阶系统的时域分析二阶系统的性能分析 在自动控制理论中有着重要的地位 二阶系统含有两个结构参数 即阻尼比 和无阻尼振荡频率 n 阻尼比 决定着二阶系统的响应模态 0时 系统的响应为无阻尼响应 1时 系统的响应称为临界阻尼响应 1时 系统的响应是过阻尼的 0 1时 系统的响应为欠阻尼响应 欠阻尼工作状态下 合理选择阻尼比 的取值 可使系统具有令人满意的动态性能指标 其动态性能指标有Mp tr td tp ts 一方面可以从响应曲线上读取 二是它们与 n有相应的关系 只要已知 n 就能很容易求出动态性能指标 4 稳定性分析控制系统是否稳定 是决定其能否正常工作的前提条件 任何不稳定的系统 在工程上都是毫无使用价值的 稳定 是指系统受到扰动偏离原来的平衡状态后 去掉扰动 系统仍能恢复到原工作状态的能力 应当特别注意 线性系统的这种稳定性只取决于系统内部的结构及参数 而与初始条件和外作用的大小及形式无关 线性系统稳定的充分必要条件是 系统的所有闭环特征根都具有负的实部 或闭环特征根都分布在左半s平面 Im s Re s 闭环函数极点的运动模态 5 稳态误差稳态误差是系统很重要的性能指标 它标志着系统最终可能达到的控制精度 稳态误差定义为稳定系统误差信号的终值 稳态误差既和系统的结构及参数有关 也取决于外作用的形式及大小 稳态误差可应用拉氏变换的终值定理计算 步骤如下 1 判别系统的稳定性 只有对稳定的系统计算其稳态误差才有意义 2 根据误差的定义求出系统误差的传递函数 3 分别求出系统对给定和对扰动的误差函数 4 用拉氏变换的终值定理计算系统的稳态误差 1 1 1计算机控制系统概述1 计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程的自动化 目的 实时 高效 安全 低成本 高质量地完成生产过程 计算机控制系统 工业控制计算机 生产过程 计算机控制系统 2 计算机控制系统组成 工业控制计算机 生产过程 生产过程中的各种信号 通过各类 传感器 变送器将其转换成点信号进入对应通道送入控制计算机 控制计算机将各类控制量通过对应通道输出驱动执行机构 控制生产过程 各类传感器 变送器 倾角传感器 加速度传感器 质量流量传感器 电阻温度传感器 激光定位传感器 磁传感器 红外温度传感器 真空度变送器 流量变送器 霍尔电压传感器 瞬态电流传感器 拉压力传感器 CCD传感器 各类光栅编码器 气体流量传感器 各类执行机构 伺服阀 伺服电机 压力流量控制泵 伺服液压缸 双向液压缸 属开环控制系统 系统根据来自生产过程的各种信息 在计算机内进行分析和综合 给出最优决策 操作人员根据决策结果 执行相关的操作 控制生产过程 缺点 速度慢 实时性差 1 1 2计算机控制系统的典型形式1 操作指导控制系统 闭环控制系统 系统采集来自生产过程的各种信息 在计算机内进行分析和综合 给出最优决策 通过输出通道输出控制信号 驱动执行机构执行相关的操作 控制生产过程 优点 速度快 实时性强 可灵活改变算法 2 直接数字控制系统 DDC 3 计算机监督系统 SCC SCC 模拟调节器系统计算机根据原始工艺信息 按照规定的算法提供最佳决策 自动改变模拟调节器的给定 优点 不破坏原有系统 成本低 是一种有效的设备改造方案 SCC 数字调节器系统计算机根据不同的工艺要求信息 按照规定的算法提供最佳决策 自动改变DDC的给定 优点 可以方便地根据不同产品工艺流程的要求修改计算机控制参数 如各类油品的生产 4 分散形控制系统 DCS 大型分散形控制系统往往构成一个四级系统 装置控制级 DDC级 DDC装置 PLC装置 工控机车间监督级 SCC级 工业控制机工厂集中控制级 MIS 管理用PC机企业管理级 MIS 管理用PC机 5 现场总线控制系统 FCS DCS的缺点是成本高 标准不统一 互连困难 FCS为二层结构 工作站 现场总线智能仪表 总线标准逐渐统一 实现真正的开放式系统互连 另外 FCS在信号的传输方面 从最低层的传感器开始实现了全数字化信号传输 1 2工业控制机的组成及特点 1 2 1工业控制机的组成1 硬件组成微型计算机控制系统的硬件一般是由工业控制机 外部设备 输入输出通道和操作台等组成 与一般的计算机相比 具有 可扩充性 高抗干扰性 宽广的环境适应性 良好的人机对话功能 通讯总线 内部总线 2 软件组成 软件是指能完成各种功能的计算机程序的总和 它是微型计算机控制系统的神经中枢 整个系统的工作都是在程序的指挥下进行协调工作的 软件通常分为三大类 一类是系统软件 多任务实时操作系统 一类是支持软件 各类语言的编辑 编译 调试程序 诊断程序 控制类组态软件 一类是应用软件 针对某个或某几类生产过程而编制的控制和管理程序 1 2 2工业控制机的总线结构 总线 一组信号线的集合 定义了各引线的信号功能 数据 地址 控制 电气特性 信号的延滞 形变 驱动能力 机械特性 信号线之间的间距 机械强度 信号线布局 接插件标准 1 内部总线每种计算机都有自身的内部总线 由总线完成系统内各模板之间的信息传递 内部总线包括 数据总线 地址总线 控制总线 电源总线 常见的工业控制机总线标准有 PC总线 PCI总线 STD总线 CAN总线 I2c总线 位总线等 工业控制计算机 工业控制计算机 工业控制计算机主机板 工业控制计算机 模块 8串口扩展卡 PC应用板卡 STD应用板卡 PLC PC104总线板卡 PCI总线插口 PC总线插口 多总线主板 RS 232接口 USB接口 CAN总线单片机P8xC592内部结构及外形图 2 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其它智能设备之间进行通讯的连线 常见的工业控制机通讯总线标准有 RS 232 RS 422 485 USB等串行通讯总线 也有GPIB IEEE 488 并行通讯总线 各种总线有各自的特点 RS 232 RS 232电平 通讯距离不大于15米 传送速率不大于20kbps 采用25芯插头连接 GPIB TTL电平 通讯距离不大于20米 传送速率不大于1Mbps 采用24芯插头连接 RS 422 485 通讯距离1200m USB 通讯距离在5米内 传输速度率可达到12Mbps 美国InTouch 中国昆仑通态 中国组态王 组态 Configuration 为模块化任意组合 1 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序 当现场 包括硬件设备或系统结构 或用户需求发生改变时 不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级 工控软件 2 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来 对于用户 不需掌握太多的编程语言技术 甚至不需要编程技术 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能 3 通用性 每个用户根据工程实际情况 利用通用组态软件提供的底层设备 PLC 智能仪表 智能模块 板卡 变频器等 的I ODriver 开放式的数据库和画面制作工具 就能完成一个具有动画效果 实时数据处理 历史数据和曲线并存 具有多媒体功能和网络功能的工程 不受行业限制 商品化的工业控制组态软件示例之一 正在组态过程 商品化的工业控制组态软件示例之二 系统1 商品化的工业控制组态软件示例之三 系统2 商品化的工业控制组态软件示例之四 异地系统监控 实际运行的工控软件示例之一 多效蒸发工艺流程图 实际运行的工控软件示例之二 发酵蒸发器工艺流程详图 实际运行的工控软件示例之三 四条参数趋势图 实际运行的工控软件示例之四 主参数趋势详图 1 2 3工业控制机的特点 1 可靠性和可维修性好 可靠性好 在规定的时间内运行不发生故障 可维修性好 一旦出现故障 维修快速 简单 方便 2 环境适应性强 能够适应现场工业环境而不会因此而出现故障 如 高温 低温 灰尘 振动 高湿 腐蚀 强电磁干扰 供电电源的大幅度波动等 3 工作具有实时性 4 完善的输入输出通道 5 丰富的软件 6 适当的计算速度和精度 1 3计算机控制系统的发展概况及趋势 1 3 1计算机控制系统的发展概况1计算机控制系统的发展过程开创时期 1955 1962 电子管计算机 可靠性差 仅从事一些操作指导和设定值的控制工作 直接数字控制时期 1962 1967 使用计算机完全取代模拟控制 由计算机构成数字调节器 实现了多路控制小型工业控制计算机时期 1967 1972 使用小型工业控制计算机 来完成生产过程的控制 微型计算机时期 1972 至今 微型计算机 单片机 专用控制芯片的大量使用 可靠性的大幅提高 各类算法的日趋成熟 随着计算机控制技术的不断发展 相应的控制软件技术也随之发展 70年代末以前 控制软件主要使用的是汇编语言 后来发展成为用高级语言 目前 广泛使用专用的组态软件作为工业控制软件的操作平台 2 计算机控制理论 采样理论 的发展过程1948年 任意一个线性系统 都可以用一个线性时不变的差分方程来描述 1949年 乃奎斯特 香农的采样定理为计算机控制奠定了基础 1952年 一个线性时不变的差分方程可以通过将其进行Z变换 在Z域解代数方程来求解 1957年 状态空间理论的提出1962年 最优控制和随机控制理论的提出60年代末 系统辨识理论和自适应理论的提出70年代至今 各类控制思想的融入 模糊控制 神经网络控制 专家系统控制 自学习控制系统 黑箱理论 灰箱理论 1 3 2计算机控制系统的在我国的发展趋势 1 可编程控制器 PLC 用可编程控制器对旧有的继电器设备进行改造 2 广泛使用智能调节器广泛使用智能调节器对生产过程的各个环节进行自动化控制 并形成网络 3 采用新型的DCS和FCS采用新型的DCS和FCS 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 实现生产全过程的自动化 4 大力研究和发展智能控制系统 1 人工智能控制系统和专家控制系统人工智能是用计算机模拟人类大脑的逻辑判断功能 其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人 专家系统即计算机专家咨询系统 是一个存储了大量专门知识的计算机程序系统 不同的专家系统将不同领域专家的知识 以适当的形式存放于计算机中 根据这些专家知识 专家系统可以对用户提出的问题做出判断和决策 以回答用户的咨询 将人工智能系统和专家系统融入控制系统是发展的重要方向 2 神经网络控制系统和模糊控制系统 国外在20世纪80年代掀起了神经网络控制系统的研究和应用热潮 我国在90年代也开始了这方面的研究 由于神经网络的特点 大规模的并行处理和分布式的信息存储 良好的自适应性 和很强的学习功能 联想功能及容错功能 使它的应用越来越广泛 1965年 美国加州大学教授L A Zadeh提出了模糊集合论 1974年 英国科学家Mamdani首次运用模糊控制理论实现了对蒸汽机的自动控制 并取得了比DDC更好的控制结果 1979年 中国的研究人员开始对模糊控制器进行研究 现在模糊控制已广泛应用于各个控制领域 水处理