赵东福自动化制造系统第七章

1、 一、以自动控制形式分类 1.计算机开环控制系统 若控制系统的输出对生产过程能行使控制，但控制结果一生产过程的状态没有影响计算机控制的系统，其中计算机、控制器、生产过程等环节没有构成闭合回路，则称之为计算机开环控制系统。生产过程的状态没有反馈给计算机，而是由操作人员监视生产过程的状态并决定着控制方案，使计算机行使其控制作用，这种控制形式称之为计算机开环控制。 2.计算机闭环控制系统 计算机对生产对象或生产过程进行控制时，生产过程状态能直接影响计算机控制系统，称之为计算机闭环控制系统。控制计算机在操作人员监视下，自动接受生产过程的状态检测结果，计算并确定控制方案，直接指挥控制部件(器)的动作，行

2、使控制生产过程作用。在这样的系统中，控制部件按控制机发来的控制信息对运行设备进行控制;另一方面运行设备的运行状态作为输出，由检测部件测出后，作为输人反馈给控制计算机，从而使控制计算机、控制部件、生产过程、检测部件构成一个闭环回路，这种控制形式称之为计算机闭环控制。计算机闭环控制系统，是利用数学模型设置生产过程最佳值与检测结果反馈值之间的偏差，控制达到生产过程运行在最佳状态。 3.在线控制系统 只要计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为计算机在线控制或称联机控制系统。 4离线控制系统 计算机没有直接参与控制对象或受控生产过程，它只完成受控对象或受控过程的状态检

3、测，并对检测的数据进行处理，而后制定出控制方案，输出控制指示，然后操作人员参考控制指示，进行人工手动操作，使控制部件对受控对象或受控过程进行控制，这种控制形式称之为计算机离线控制系统。 5.实时控制系统 计算机实时控制系统是指当受控制的对象或受控过程，在请求处理或请求控制时，其控制机能及时处理并进行控制的系统通常用在生产过程是间断进行的场合，只有进人过程才要求计算机进行控制。计算机一旦进行控制，就要求计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内做出反应或控制，这种系统常使用完善的中断系统和中断处理程序来实现。二、以参与控制方式分类1.直接数字控制系统由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过

4、程进行控制的系统称为直接数字控制（DDC)系统受控的生产过程的控制部件接受的控制信号可以通过控制机的过程输入/输出通道中的数模转换器，将计算机输出的数字控制量换成模拟量 ,输人的模拟量也要经过控制机的过程的输入/输出趁道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机。.DDC使用小型计算机或微型机的分时系统来实现多个点的控制功能实际上是属于用控制机离散采样，实现离散多点控制。DDC计算机控制系统已成为当前计算机控制系统中的主要控制形式其优点是灵活性大、可靠性高和价格便宜，能用数字运算形式对若干个回路，甚至数十个回路的生产过程，进行比例一积分一微分(PID)控制.使工业受控对象的状态保持在给定值

5、上，偏差小且稳定，只要改变控制算法和应用程序便可实现较复杂的控制，如前馈控制和最佳控制等。一般清况下-DDC控制常作为更复杂的高级控制的执行级 2.计算机监督控制系统 计算机盔督控侧系统是针对某一种生产过程，依据生产过程的各种状态.按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值，并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调整或设定控制的目标值，由DDC或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制。计算机监督控制系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态下运行，因而获得最大效益。直接影响计算机监督控制效果优劣的首先是它的数学模型，为此要经常在运行过程中改进数学

6、模型，并相应修改控制算法和应用控制程序。 3.多级控制系统 在现代生产企业中.不仅需要解决生产过程的在线控制问题，而月还要求解决生产管理问题，每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排，制定长远规划、预报销售前景等，于是出现了多级控制系统。 DDC级主要用于直接控制生产过程.进行YII)或前馈控制计算机监督控制级主要用于进行最佳控制或自适应控制或自学习控制计算，并指挥DI)C:级控制同时向MIS级汇报情况DDC,级通常用微型计算机，计算机监督控制级一般用小型计算机或高档微型计算机。车间管理的MIS主要功能是根据工厂级下达的生产品种、数量命令和搜集上来的生产过程状态的信息，随时进行合理调度实现

7、最优控制，指挥计算机监督控制级监督控制。工厂管理级的 MIS主要功能是接受公司下达的生产任务和本厂的实际情况，进行最优化计算，制订本厂生产计计划和短期(旬或周或日)安排，然后给车间级下达生产任务公司管理级的MIS主要功能是对市场需求预测计算，制订战略上的长期发展规划，并对订货合同，原料供应情况和企业的生产状况，进行最优生产方案的比较选择计算制订出整个公司企业较长期(月或旬)的生产计划、销售计划，并向各工厂管理级下达任务。MIS级主要功能是实现信息实时处理.为各级决策者提供有用的信息做出关于生产计烟一调度和管理方案，使计划协调和经营管理处于最优状态.MTS级可根据企业的规模和管理范围的大小分成若

8、干级，每级又依据要处理的信息t的大小确定采用的计算机类型一般情况车间级MIS用小型计算机成离传徽公什算机，工厂管理级的MIS用中型计算机而公司管理级的MIS则用大型计算机，或用超大型计算机。4.分布式控制或分散控制系统分散控制或分布控制，是将控制系统分成若干个独立的局部控制子系统，用以完成受控生产过程启动控制任务。由于微型计算机的出现与迅速发展，为实现分散控制提供了物质和技术基础。近年来分散控制得到异乎寻常的发展，且已成为计算机控制发展的重要趋势。 自20世纪70年代起，又出现集中分散式的控制系统，简称集散系统，它是采用分散局部控制新型计算机控制系统 三、以调节规律分类 1释序控制 如果计算机

9、控制系统是按照预先编制的固定程序进行自动控制，则这种控制称之为程序控制。如炉温按照一定的时间曲线进行书;制就为程序控制 2.顺序控制 在程序控制的基础上产生了顺序控制，计算机如能根据随时间推移所确定的对应值和此刻以前的控制结果两方面情况行使对生产过程控制的系统，称之为计算机的顺序控制。 3.比例一积分微分PID控制 常规的模拟调节仪表叮以完成PID朴制，用微型计算机也，!以实现PIh控制。 4.前馈控制 通常的反馈控制系统中，由于扰造成了一定后果.才能反馈过来产生抑制干扰的控制作用，因而产生滞后控制的不良后果。为了克服这种滞后的不良控制，用计算机接受干扰信号后，在还没有产生后果之前插人一个前馈

10、控制作用.使其刚好在干扰点上完全抵消干扰对控制变量的影响，这种控制称为前馈控制，又称为扰动补偿控制。; 最优控制(最佳控制)系统 控制计算机如有使受控对象处于最佳状态运行的控制系统称之为最佳控制系统。此时计算机控制系统在现有的限定条件下，恰当选择控制规律(数学模型)，使受控对象运行指标处于最优状态，如产量最大、消耗最少、质量合格率最高、废品率最少等。最佳状态是由定出的数学模型确定的，有时是在限定的某儿种范围内追求单项最好指标，有时是要求综合性最优指标。 6.自适应控制系统 上述的最佳控制，当工作条件或限定条件改变时，就不能获得最佳的控制效果了。如果在工作条件改变的情况下，仍然能使控制系统对受控

11、对象进行控制而处于最佳状态，这样的控制系统称之为自适应系统。这就要求数学模型体现出在条件改变的情况下，如何达到最佳状态，控制计算机检测到条件改变的信息，按数学模型给出的规律进行计算，用以改变控制变量，使受控对象仍能处在最好状态。7.自学习控制系统 如果用计算机能够不断地根据受控对象运行结果积累经验，自行改变和完善控制规律，使控制效果愈来愈好，这样的控制系统称之为自学习控制系统。 最优控制、自适应控制和自学习控制都涉及到多参数、多变量的复杂控制系统，都属于近代控制理论研究的问题。系统的稳定性的判断，多种因素影响控制的复杂数学模型研究等、都必须有生产管理、生产工艺、自动控制、检测仪表、程序设计、计

12、算机硬件各方面人员相互配合才能得以实现。应根据受控对象要求反应时间的长短、控制点数多少和数学模型复杂程度来决定选用计算机规模，一般来说需要功能很强(速度与计算功能)的计算机才能实现。 上述诸种控制，既可以是单一的，也可以是几种形式结合的，并对，仁产过程实现控制。这要针对受控对象的实际情况，在系统分析、系统设计时确定。第二节顺序控制系统 顺序控制是指按预先设定好的顺序使控制动作逐次进行的控制，可用成熟的可编程序控制器来完成顺序控制。图7-1是反馈控制系统原理框图，图-2是顺序控制系统原理框图。 比较图7-1和图7-2可看出，反馈控制系统与顺序控制系统的区别是，在反馈系统中有调节盒，而顺序控制系统

13、中没有调节盒。 图7-4所示为顺序控制的计量槽系统。槽内的液面在下限时(限位开关1闭2开)，电磁阀1和2都关闭，处于停止状态，指示灯亮表示计量结束，并准备下一次的计量。此时，如果按下按钮开关，电磁阀1开，进人计量状态。原料装满时限位开关1开，电磁阀1闭，电磁阀2开，进人排出状态。液面到达下限时，限位开关2开，电磁阀2闭，又返回停止状态第三节计算机数字控制系统 一、数字控制系统简述 随着计算机技术的迅速发展，以及数字信号的特点，数字控制系统在工业控制中得到了广泛的应用。 离散系统、采样系统和数字控制系统的共同特点为系统的一部分或几部分是以离散信号的形式出现的。所谓离散信号是指只有在离散时刻出现和

14、变化的信号;一个系统只包含离散。如果既包含离散信号又包含连续信号就叫做采样系统，而数字系统指信号就叫做离散系统。如果既包含离散信号又包含连续信号叫采样系统。而数字系统指的是系统中的某些信号是由数字计算机或者数字转换器产生的，并且呈现数码形式。可以这样说，数字系统既包含了离散系统和采样系统的特点和内容，又有它自己的特殊内容，即信号的数字表现形式.第四节自适应控制系统 一、自适应控制的含义 在对象参数和扰动为未知或者随时间变化的条件如何设计一个控制器，使得系统运行在某种意义下的最优或近似最优状态，这就是自适应控制所要解决的问题。如果把系统未知参数作为附加的状态变量，则状态后的系统方程就总是非线性的

15、。因此，自适应控制所要解决的问题，实际上可表述为一个特殊的非线性随机控制问题。非线性随机控制的解法是极其复杂的，为了获得某种实用解法必须对它做出近似。自适应控制技术即是这种近似的设计方法.具体的方法可不相同，但其设计思想均有下述共同特点: 1;必须不断地在线观测被控系统的状态、性能或参数，进行信息积累。 2根据积累的的信息，做出使系统趋向期望性能的控制决策。 3)在决策的基础上，对控制器进行修正以达到使系统运行在某种意义下的最优或近似最优状态.二、自适应控制系统的现状 在制造业中所谓自适应性控制就是为使加工系统顺应客观条件的变化而进行的自动调节控制从广义上讲，任何一种加工系统都在某种程度上具有

16、适应性控制的功能，只是实现调节所采用的方式或调节的内容不同而已。现讨论的是以数控技术、传感器技术和计算机控制技术等为基础的适应性控制图7-8为具有这种适应性控制功能的加工系统框图。 由图7-8可知，这种系统中包括两种反馈系统:一种是闭环控制数控机床本身带有的位置环控制回路;另一种则是根据需要在加工过程中检测某些反映加工状态的过程变量信息，并将这种信息反馈给适应性控制装置.由其产生调节指令.以改变系统的某些功能与切削参数而NC系统不需要进行任何人工干预，使切削加工在合理状态下进行，不仅保证了较高的加工精度和产品质量并性最大限度地发挥了机床的效能，降低了生产成本。 加工过程的适应性控制实际上是一种

17、自适应控制自适应控制是动物的一种本能，其控制机理是相当复杂的。究其原因在于自适应控制是一种非线性系统，对于加工过程这样一个复杂的非线性系统，要求其能正常工作的本质问题就是稳定。而目前尚不能设计出一个非线性系统对多变的加工过程的设计解始终是稳定的。反之，系统行为非常紧密地与参考信号及干扰相关，不同的参考信号有时可能获得截然不同的解。由此看来，能否建立一个一般的非线性稳定系统，需要继续深人研究。这是一个理论问题，也是一个实际问题。目前，人们的研究大多是在现有的适应性控制发展的基础上加上专家系统的人工智能手段，使自适应控制有个较好的基础。然而，或许只有从根本上改进自适应的机制(从仅有递推估计作为适应

18、机制的初级状况中走出来)，才能使适应性控制的发展跃上一个新的台阶。适应性控制的应用范围非常广泛，尤其适用于大型数控机床、IMS进行加工的场合及加工复杂的难切削材料的零件和加工切削条件不稳定的零件。因而，适应性控制始终是先进制造技术研究的一个重要分支。尽管它尚处于初级阶段，随着研究的深人，一定会有光明的前景。第五节DNC控制系统 DNC指的是用一台计算机对多台数控机床实施综合数字控制的一种方式，是车间自动化的重要组成形式。DNC的研究始于20世纪60年代，但因后来CNC和FMS技术的发展，人们更加注意对单台数控系统和FMS的研究近年来，随着计算机网络和通信技术的发展以及工厂自动化的需要，单台数控

19、设备咆括加工中心)联网运行的要求越来越迫切，同时FMS由于投资风险大，囚而国内外关于DNC的研究又重新活跃起来。DNC最早的含义是直接数字控制(Direct Numerical Control)指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责Nc程序的管理和传送它解决了早期数控设备因使用纸带而带来的一系列问题.随着数控技术、通信技术、控制技术、计算机技术网络技术的发展，显然，“集成”的思想和方法在DNc中占有越来越重要的地位，集成已成为现代DNC的核心鉴于此，提出了集成DNC(简称IDNC )的概念(见图7-9) 集成DNC是现代化机械加工车间控制管理的一种模式，它以数控技术

20、、通信技术、控制技术、计算机技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备(如数控机床等)与上层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造设备的集中控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换。可以说集成DNC是现代化机械加工车间实现设备集成、信息集成和功能集成的一种方法和手段，是未来车间自动化的重要模式，也是CIMS实现设备集成和信息集成的重要组成部分。集成DNC的内涵还可以从结构持征、功能铸征和过程特征等几方面进一步描述: 1结构特征:集成DNc.系统是把与制造过程有关的设备(如数控机床等)、主控计算机和通信设施等按一定的结构和层次组合起来的一个整体 2)功能特征:集

21、成DNC系统通过集成DNC主机实现对制造车间的数控机床等制造设备的集中控制管理，并可实现与上层计算机的信息集成，具有与CAD, CAPP, CAM, MPRII等系统信息接口。 3）过程特征：集成DC系统只涉及与产品制造有关的活动，不包括市场分析、产品设计、工艺规划、检验出厂和销售服务等环节。第六节多级分布式计算机控制系统一、多计算机控制系统与分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统有集中式和分散式之分。在计算机控制与管理系统发展的初期，几乎全是集中式系统。这是因为当时计算机的价格比较昂贵，购置一台要较多的投资，人们总希望一台计算机能承担较多的任务尤其是当时一些大型生产装置或过程的测量控制点比

22、较多，需要集中在操作室由一两个人全面监视这样集中式控制就显出一定的优越性，在管理方面也有需要集中、汇总的情况。但是在使用了一段时问后，发现有许多缺点，一是由于集中式系统主机过于庞大，所以可靠性较差而一旦失效影响全局，将造成很大损失;二是在同一台计算机上完成不同的任务，无效开销太大反应不及时;三是缺乏扩展的灵活性;四是如果被控设备或信息源距主机过远，所用线缆过多、过长，将会造成投资的大量增加。后来，由于小型机特别是微型机的出现，使得系统总成本中主机所占比重降低了很多,这样就可对一些控制对象或管理对象分处各地的系统采取了分散式的的结构。这种分散式系统比集中式系统或“群控”系统要优越得多，在分散式系

23、统中，每一台计算机只控制或管理一个子系统，都有各自的目标与运行方式，整个系统的可靠性得到了很大的提高这是因为:子系统规模小，所用计算机也较少，涉及的电子器件与装置较少，可靠性就相对较高;即使一个子系统失效，也只影响局部;不会波及全局; 反应也比较及时;因为计算机分处各地，不需要像集中式那样，用过多的通信线缆;系统的扩展也比较容易。但是对一个系统整体来说，各子系统之间总要有联系，系统要有总的目标，各子系统要按总目标加以协调。为了完成这一任务就产生了所谓分布式系统。所谓分布式系统，也和分散式系统一样，各个子系统都由各自的计算机来控制或管理，但它和分散式系统不同的地方是整个系统的目标和任务事先按一定

24、方式分配给子系统，而了系统之间必然有较多的信息交换。所有计算机可能处于平等地位，也可能有主从之分这样就形成了三种控制系统:集中式控制系统;分散式控制系统;3.分布式控制系统(Distributed Control System)，也是多机系统，是分散式控制系统中的一种二、分布式控制系统的分类 分布式控制系统可分为平等式、分级式与混合式。分级式系统广泛采用的原因是许多现实生产系统的结构、组织机构等本身就是分级的按照系统的层次性原则，对干大型的复杂系统，很难由一个上级部门(对计算机系统来说是一台土机)全部负责、统一管理，而是应该分层负责，各司其职。从图7-11中可以看出，最底层是检测层，它所检测的

25、内容有:工艺过程的状态，原料、半成品的成分和性能，成品质量，设备状况.库存备件等。第二层是监控层，它要控制状态参数、半成品的成分和性能以及加工时间，并保持其稳定。第三层是调度层，它负责设备的起停、工一作状态的改变、事故的发现和消除。第四层是优化层，它保证生产过程静态与动态的优化。第五层是输出信息形成层，它形成提供给生产人员的信息和上报给上一级的信息。由此可见，分级式系统中各子系统问有上、下级的主从关系，一般与实际系统中的上、下级分层控制和管理的关系相对应。而平等式系统间没有主从关系完全是平等的并行关系。混合式系统则是两者的结合.整个系统中既有主从关系.也有并行关系三、分布式计算机控制系统的优缺

26、点1.分布式计算机控制系统的优点1.性能价格比高采用低价的微机构成高性能的系统.与同样功能的大、中型计算机相比，分布式多微机系统的价格仅为1/301/40(2)资源共享系统中的数据、程序、外设等资源都可由各子户系统共享，这也是提高性能价格比的重要方面.同时也增加了系统的适应性与灵活性(3)采用模块化结构使系统容易实现通用化j系列化，系统的扩充也很方住。还可以对系统进行重构，实时地动态分配r管理系统.以适应不同环境和用户的要求.(4)可靠性高子系统故障般不会影响全局，可由其他子系统以“容错”方式带故障运行，或称“优美降级运行”。各子系统问还可互相诊断、检测和保护，从而提高了整个系统的可靠性。系统对故障的处理能力或带故障运行的能力也称为坚定性或坚强性，即系统的容错运行能力，它是可靠性指标的重要组成部分。分布式多机系统的坚定性大大优于集中式的单机系统。(5)响应速度快可通过并行处理或各子系统分别处理来实现快速响应。集中式控制则采用分时处理方式对多个对象的申请按优先级排队响应，往往滞后与等待时间较长。2.分布式控制系统的缺点 技术要求较高多机系统中的硬件与软件