第5、6章工程材料

1、5.1 自动控制系统的概况5.2 单回路控制系统5.3 多回路控制系统5.4 计算机控制系统第5章 自动控制系统5.1 自动控制系统的概况自动控制系统最典型的应用对象是连续型生产过程。连续型生产过程的特征是：呈流动状的各种原材料在连续（或间歇）流动过程中，伴随着物理化学反应、生化反应、物质能量的转换与传递。连续型生产过程常常要求苛刻的工艺条件，如要求高温、高压等；现场存在易燃、易爆或有害物泄漏等危险，生产条件恶劣；需要有保护人身与生产设备安全的特别措施等。对于连续生产过程的自动控制又称过程控制（Process Control），是自动化技术最重要的内容之一。5.1.1自动控制系统的分类自动控制

2、的对象多种多样，可以是机床、加热炉、反应釜，也可以是车辆、船舶、飞行器等。控制系统的结构性能和完成的任务也多种多样，因此控制系统也有不同的形式，可以按控制系统的结构、特性、原理等不同点将控制系统分类讨论。1.按系统的结构分类1） 闭环控制系统2）开环控制系统3）复合控制系统给定值被控变量干扰控制器 测量变送器执行器被控对象 +e测量值操作变量恒温室23送风热水M回水41TCTT回风1） 闭环控制系统具有被控变量负反馈，将被控变量反馈输入到控制器。 如：2）开环控制系统没有被控变量负反馈，测干扰进行控制。如： 测量值被控变量干扰 控制器执行器被控对象测量变送器回风恒温室送风热水M回水TBTT 3

3、）复合控制系统给定值被控变量干扰 控制器1 测量变送器1执行器被控对象+e测量值操作变量 测量变送器2控制器2加法器回风恒温室送风热水M回水TBTTTCTT JB 开环与闭环相结合的控制系统。如：2.按给定值的性质分类1）定值控制系统给定量恒定不变2）伺服跟踪系统给定值随时变化3）程序控制系统给定值按确定的规律变化控制系统的任务是排除各种干扰因素的影响，保证被控量等于给定值恒定不变，或跟随着给定值的变化而变化。 给定值被控变量干扰控制器 测量变送器执行器被控对象 +e测量值操作变量3.按控制器的实现方式分类1）模拟式控制系统控制器是由模拟部件实现的。在这种系统中，所有部件的信号都是随着时间连续

4、变化的。2）计算机控制系统控制器是由计算机实现的。计算机给定值执行器被控对象被控变量控制器测量变送器A/DD/ A实测值干扰4.按系统的控制方式分类1）单回路控制系统只有一个负反馈回路的闭环控制系统。控制系统将被控变量反馈到控制器输入端，构成负反馈。2）多回路控制系统在单回路控制系统的基础上，增加各种辅助回路的控制系统。针对不同的控制条件和控制要求，分别有不同类型的多回路的控制系统。计算机给定值执行器被控对象被控变量控制器测量变送器A/DD/ A实测值干扰5.1.2自动控制系统的性能指标控制系统的性能是通过品质指标来评价的，而控制系统的品质指标是根据工艺的要求来制定的。工艺的要求可概括为三方面

5、的要求：稳定性：衰减比n，最大动态偏差y1，上升时间Tp 准确性：静差 C快速性：调节时间Ts，振荡频率x1x0 y0yy1y3tTSt0y()TpTxCy()A5.1.3自动控制系统的基本设计方法自动控制系统的设计是根据工艺要求进行的。生产过程各式各样，自动控制系统的控制目的也多种多样，设计要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。自动控制系统的设计大致可分为以下几个步骤：1掌握生产工艺的技术要求与性能指标2建立被控过程的数学模型3确定控制方案4仪器仪表选型5实验（或仿真）验证5.2 单回路控制系统在工业生产中，单回路控制系统是最基本的控制系统。组成：由一个测量变送器、一个控制器、一个

6、执行器和一个对象所构成的单闭环控制系统。如： 给定值被控变量干扰控制器 测量变送器执行器被控对象 +e测量值操作变量5.2.1 单回路控制系统的工作原理由测量变送器将被控参数的测量值送入控制系统的输入端，由控制器将设定值和测量值比较后计算出控制量送入执行器，执行器操纵控制变量，从而抵消干扰对被控变量的影响，构成了一个闭环负反馈回路。 热物料载热介质冷物料热交换器 TT TC单回路控制系统是负反馈控制结构，控制器的控制规律是根据对象的特性和工艺要求选择的。通过调整PID参数，能实现对阶跃干扰的最好控制效果是： 给定值测量变送器控制器执行器对象控制变量被控变量干扰被控变量时间5.2.2 单回路控制

7、系统的设计步骤控制系统的设计中，最为关键的是方案设计。在掌握了被控对象的特性和工艺控制目标要求后，单回路控制系统的方案设计的步骤如下：1、被控参数的选择2、控制变量选择3、传感器、变送器选择4、执行器的选择5、控制器规律的选择6、控制器参数的确定 5.3 多回路控制系统有些工艺过程条件复杂或控制关系特殊，单回路控制系统不能很好地满足要求。人们通过长期的实践探索，在单回路控制系统的基础上，针对各种实际情况，形成不同的多回路（复杂）控制系统。5.3.1 串级控制系统当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用单回路控制系统控制质量较差，满足不了工艺上的要求，采用串级控制系统可以提高控制质量。例 管

8、式加热炉是炼油、化工生产中重要装置，工艺要求控制加热炉出口温度。由于控制通道时间常数很大，单回路控制效果不好；而串级控制可缩短控制滞后。单回路调节串级调节原料出口原料入口T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T2(t)1(t)5.3.2 前馈-反馈控制系统反馈控制的特点是事后控制。不论什么干扰，只有引起被控变量发生变化后才进行控制。前馈控制则直接测量干扰量，干扰一出现，控制器就能发出控制信号，在被控变量发生变化前就进行控制。如果控制精确，被控变量可以不受干扰影响。测量值被控量干扰f 控制器执行器被控对象前馈控制系统框图测量变送器MJTFBFTTTTC蒸汽进水冷凝水换热器出水由于前馈控制只对特定的

9、干扰有控制作用，而反馈控制对所有的干扰有控制作用，所以前馈和反馈结合使用。如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统：5.3.3 比值控制系统 生产过程中，经常需要使两种或两种以上物料的流量保持严格的比例关系。例如，在锅炉的燃烧系统中，要保持燃料和空气量的一定比例，以保证燃烧的经济性。定义：实现两个或多个参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。比值控制系统有多种结构类型，如单闭环、双闭环等。如单闭环比值控制系统：对Q2进行闭环控制，控制目标：Q2=K Q1对Q1只测量、不控制。Q1变化，Q2跟着变化。F1TQ1Q2 KF2TF2C此外还有分程控制系统、选择性控制系统等。5.4 计算机控制系

10、统计算机技术的发展对测控技术起到了极大的推动作用。它使计算、显示、记录、控制一体化。尤其是现代控制和智能控制只能靠计算机实现。 一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图，A/D和D/A构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁。通过采样器将时间连续信号变换为离散信号： 5.4.1 模拟量与数字量的转换通过零阶保持器使离散信号能保持连续输出： 5.4.2 计算机控制系统的组成数字计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件，其组成包括硬件和软件两部分。1. 硬件组成 2、软件组成软件是计算机控制系统的神经中枢，负责指挥计算机控制系统的活动。软件主要有系统软件和应用软件两部分。系统软件 指为

11、用户使用、管理、维护计算机所提供的计算机程序，一般包括操作系统、算法语言、数据库、诊断程序等。应用软件 指为完成具体对象自动控制任务而编制的专用软件，通常包括数据采集及处理程序、控制程序、过程监视程序、打印制表程序等。 与模拟式控制系统比较，计算机控制的优点：1）计算机控制算法由软件实现，使用灵活。2）消除了模拟电路的漂移、噪声干扰等缺点。3）一台计算机可以分时控制若干个回路，大大减少了模拟仪表的数量,增加控制回路不增加费用。4）显示界面丰富，可以用数字、光柱、曲线、图形、图像等各种方式显示测控信息。5）控制与管理结合，实现企业综合自动化。 5.4.3 计算机控制系统的主要特点80年代后期，计

12、算机控制开始采用开放式通讯系统，可以和以太网接口，图示功能增强，组态更加直观、灵活，基于计算机的网络控制系统性能日益完善、应用逐渐普及。1. 计算机集散控制系统DCSDCS(Distributed Control System)是以多个微处理机为基础，利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散工艺对象的控制、监视管理的控制系统。5.4.4 基于计算机的网络控制集散控制系统的结构是管理集中、控制分散。一个典型的DCS结构如图所示，由分散执行控制功能的现场控制站（Field Control Station）和进行集中监视、操作的操作站（Operator Station）以及

13、高速通信总线组成。操作员站操作员站工程师站生 产 过 程通信总线操作站现场控制站现场控制站主CPUI/OOI/OO现场控制站主CPUI/OOI/OO现场控制站主CPUI/OOI/OO2.现场总线控制系统(FCS)现场总线的思想形成于20世纪80年代，目标是通讯总线直达现场设备，以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信直达现场仪表，实现全数字化控制。采用现场总线技术构成的控制系统称为现场总线控制系统（Field Bus Control System） 。3.可编程逻辑控制系统工业过程中有很多工艺操作是按工艺条件顺序进行的逻辑控制，日常生活中也常见逻辑控制的应用，如电子广告牌图案变化就是逻辑控制

14、的结果。可编程逻辑控制器PLC (Programmable Logic Controller)是专为逻辑控制开发的一种工业计算机，就是用软件代替硬件（继电器）完成逻辑控制。可编程逻辑控制系统主要由可编程逻辑控制器、现场输入设备和现场输出设备组成。可编程逻辑控制器内部包括中央处理器CPU、存储器和输入输出接口电路等，用总线进行数据传输。 本章小结本章简要介绍了自动控制系统的基本概念和工业中常用的单回路和多回路负反馈PID控制系统。自动控制系统是指为完成预期的控制目标，将测量变送器、控制器、执行器和被控对象按一定方式联系在一起的整体。评价一个控制系统的性能，主要从快速性、准确性和平稳性三个方面考核

15、。计算机控制是当今控制系统的重要形式，特别是计算机以其强大的计算和通讯功能，成为各种先进控制方法得以实现的技术保证。第6章 现代测控技术6.1现代测控技术概述6.2现代传感器技术6.3 现代仪器仪表技术6.4 计算机监控系统6.5嵌入式系统6.1现代测控技术概述随着电子技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，测控技术中的新技术元素迅速增多、涉及的领域不断扩大。测控技术朝微型化、集成化、网络化、虚拟化方向发展，形成了现代测控技术。现代测控系统大多以微型计算机为核心，能完成较高层次的自动化检测和控制，在不同程度上具有“智能”技术。如基于网络的测控技术、基于虚拟仪器(VI) 的测控技术、基于雷达与无线

16、通信的测控技术，以及基于全球卫星定位系统 (GPS) 的测控技术等。6.1.1 现代测控技术的定义现代测控技术隶属于现代信息技术，是以电子、测量及控制等学科为基础，融合了电子技术、计算机技术、网络技术、信息处理技术、测试测量技术、自动控制技术、仪器仪表技术等多门技术，利用现代最新科学研究方法和成果，对测控系统进行设计和实现的综合性技术。现代测控系统中的每一个环节都有新技术的影子，如：新型传感器；专用集成芯片；以计算机为核心；构建网络等。6.1.2 现代测控技术的特点现代测控技术呈现微型化、集成化、远程化、网络化和虚拟化特点：1测控设备软件化：软件代替了很多硬件功能。2测控过程智能化：自诊断、自

17、屏蔽、自学习等功能。3高度的灵活性：以软件为核心，功能实现方便。4实时性强：CPU运算速度快。5可视性好：具有友好的人机交互界面。6立体化：全球卫星定位、无线通信、雷达探测等。6.1.3 现代测控技术的应用1现代工业 现代测控技术是现代工业的核心技术。2国防安全现代武器系统离不开现代测控技术的支持。3航空航天测控系统是航天发射和飞行的重要支持系统。4医药医疗现代医药医疗业越来越依赖于现代测控技术。6.1.4 现代测控系统的设计方法设计现代测控系统要遵循的原则：1硬件设计原则： 1）约束条件，2）模块化设计2软件设计原则：1）软件开发平台，2）软件代替硬件，3）人机交互界面。3网络互联规范4抗干

18、扰设计 1）隔离屏蔽，2）软件补偿，3）接地布线。6.2现代传感器技术微电子技术、计算机技术和网络技术的快速发展，推动了新型传感器技术的发展。6.2.1新型传感器1集成传感器利用微电子技术可将几种不同的敏感元件与放大器、补偿电路等集成在同一芯片上，可以同时测量多种参数。或者将同一类敏感元件集成在一个芯片上，构成二维阵列式传感器（又称面型固态图像传感器），可以测量物体的二维平面数据。 2智能传感器 智能传感器带有微处理器，是具有信息处理功能和通讯功能的传感器。表现在：1）能对信息进行处理、分析和判断、调节。2）具有自诊断和自校准功能。3）能完成多传感器多参数混合测量。4）能实时处理大量数据。5）

19、有数字式通信接口，可以直接与计算机进行通信联络和交换信息。6.2.2 传感器技术发展方向对传感器的要求主要体现在体积、精度、可靠性、响应速度、处理信息的能力等方面。因此，传感器的发展主要集中在以下方向：1.发现新现象2.利用新材料3.发明新工艺4.传感器微型化5.多功能集成化6.传感器网络化a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出新型传感器。光纤传感器光纤传感器生物传感器的电极如：b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器 智能振动传感器智能压力传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器c)多个传感器信息的融合处理如机器人中设置的传感器有：转动/移动位置传感器、力传感器、视

20、觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器等，这些信号如何融合处理体现了机器人的智能水平。 广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器手6.3 现代仪器仪表技术6.3.1新型仪器仪表的特点新型仪器仪表都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，根据测控的实际需求，不断挖掘仪器仪表智能化、网络化和虚拟化的特点。由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算机来完成，很自然地使人们模糊了仪器与计算机之间的界限，形成了 “计算机就是仪器”的概念。6.3.2 虚拟仪器虚拟仪器是测试技术和计算机技术结合的产物。1. 虚拟仪器的基本概念所谓虚拟仪器（VI，Virtual

21、 Instrument），就是在以计算机为核心的测控硬件和专用软件的平台上，由用户设计定义测控功能、虚拟面板，由测控软件实现的一种计算机仪器系统。2.虚拟仪器技术的特点虚拟仪器融合了仪器仪表技术、计算机技术、高速总线技术以及图形软件编程等技术。计算机在显示方式、存储能力、处理器性能、网络等方面的优势，使虚拟仪器具有多种优势。如：性能高、扩展性强、便于集成、灵活性好。3. 虚拟仪器系统的分类根据通讯方式不同虚拟仪器可分为五种类型：PCI总线方式虚拟仪器；并行口式虚拟仪器；GPIB总线方式虚拟仪器；VXI总线方式虚拟仪器；PXI总线方式虚拟仪器。4虚拟仪器的应用1）电量测量在电量测量方面，虚拟仪器

22、功能强大，可实现示波器、频率计、数字万用表等多种仪器的功能。2）非电量测量配以传感器和软件可检测各种非电量参数。3）自动控制适合测控一体化的设计。4）自动测绘虚拟示波器各种仪器功能集成，可实现多种参数同时测绘1. 仪器仪表智能化2. 仪器仪表网络化3测控管一体化6.3.3 仪器仪表技术发展方向 6.4 计算机监控系统 计算机监控系统是指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统。在这个系统中，计算机直接参与被监控对象的检测、监督和控制。 6.4.1计算机监控系统的组成6.4.2计算机监控系统的特点1）数据采集处理 2）人机交互3）网络开放 4）可维护性6.4.3计算机监控系统的应用1）电力系统

23、2）交通系统3）消防系统 4）城市治安系统计算机监控系统和计算机控制系统的区别：一般的计算机控制系统中，计算机的主要作用就是实现控制算法；而计算机监控系统着重强调数据的采集处理、网络化，及可视化的人机界面。6.4.4 监控组态软件监控组态软件（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）简称组态软件，是指在自动监控系统的系统软件平台上预先设置一些数据采集与过程控制的功能软件模块，用户能根据需要组态使用。1.监控组态软件的组成1）图形界面组件2）控制功能组件3）实时数据库4）通信接口组件3. 监控组态软件的应用除了自动控制领域，组态软件的应用已经

24、拓展到社会生活的方方面面。只要同时涉及实时数据通讯、实时动态图形界面显示、数据处理、历史数据存储及显示，就存在对组态软件的需求。2. 监控组态软件的特点1）封装性 2）通用性3）延续性和可扩充性4）强大的图形设计工具4. 监控组态软件的应用举例用监控组态软件设计一个水位控制系统。人机界面由五大窗口组成。其中有两个用户窗口，四个主菜单，分别作为水位控制、报警显示、曲线显示、数据显示。用户窗口1：用户窗口2：6.5嵌入式系统一些应用场合要求计算机系统能嵌入到应用设备之中。最早提出嵌入式的概念源于20世纪60年代的武器制造，后来用于军事指挥控制和通信系统。微处理芯片、液晶显示器、大容量电子存储器件技术的发展为计算机控制系统的微型化提供了基础条件。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，包括工业、服务业、消费电子等。6.5.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统 ( Embedded Systems ) 是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。是将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的嵌入在宿主设备中的控制系统。嵌入式计算机6.5.2 嵌入式系统的组成一般而言，嵌