燕山大学自动化系

1、第一章 绪论Introduction燕山大学自动化系10/14/20221第一章 绪 论本章主要要内容计算机控控制系统统的一般般概念计算机控控制系统统的组成成及特点点计算机控控制系统统的分类类计算机控控制系统统的发展展概况与与趋势2/11/20202第一章绪绪论论第一节Unit 1计算机控控制概述述IntroductionofComputerControlSystem燕山大学学自动化化系2/11/20203第一章绪绪论论本节主要要内容计算机控控制系统统的一般般概念计算机控控制系统统的组成成2/11/20204第一章绪绪论论1-1-1概述（1）常规控制制系统的的工作原原理模拟调节器执行机构被控对

2、象测量变送器设定值reu被调参数 y图a 单回路常规控制系统示意图ym按偏差e进行控制制，目的的是减少少或消除除偏差。2/11/20205第一章绪绪论论1-1-1概述（2）计算机控控制系统统的工作作原理u计算机保持器广义对象测量变送器e(kT)u(kT)被调参数 y图b 单回路计算机控制系统示意图ym采样器A/DD/A计算机系统设定值r2/11/20206第一章绪绪论论1）在线方方式和离离线方式式在线方式或联联机方式式：生产产过程和和计算机机直接连连接，并并受计算算机控制制的方式式。离线方式式或脱机机方式：生产过程程不和计计算机相相连，且且不受计计算机控控制，而而是靠人人进行联联系并作作相应操

3、作作的方式式。2）实时的的含义实时：是是指信号号的输入入、计算算和输出出都要在在一定的的时间范范围内完完成。实时控制制系统必必定是在在线系统统。2/11/20207第一章绪绪论论1-1-2信号特点点（1）计算机控控制系统统的信号号形式连续模拟拟信号:时间与幅幅值上均均连续，如y(t)、u(t)离散模拟拟信号:时间是离离散的，幅值上上连续，如y*(t)、u*(t)离散数字字信号:时间离散散的，幅幅值为数数字量，如y(kT)、u(kT)采样器 A/D计算机 A/D保持器y(t)y*(t) y(kT) u(kT) u*(kT) u(t)2/11/20208第一章绪绪论论1-1-2信号特点点（2）计算

4、机控控制系统统的采样样过程y(t)t采样器y(t)y*(t)y*(t)2T4Tt原始过程信号信号通过采样器采样后的信号过程信号采样过程示意图2/11/20209第一章绪绪论论1-1-2信号特点点（3）信号的保保持目的：是是将离散散采样信信号恢复复为被控控对象能能够感知知的连续续模拟信信号方法：采采用保持持器常用的保保持器：零阶、一阶及及高阶2/11/202010第一章绪绪论论1-1-2信号特点点（4）零阶保持持器恢复复信号的的示意图图 6T 4T 2Tt y采样信号y(kT)原信号y(t)恢复信号yh(t)零阶保持持器算式式yh(kT+t)=y(kT)0tT,k=0,1, 2,由于它只只是简单

5、单地外推推，故只只有当T足够小时时，零阶阶保持器器才能较较好地恢恢复原信信号。2/11/202011第一章绪绪论论1-1-3计算机控控制系统统的组成成及作用用软件部分计算机控制系统 硬件部分控制计算机主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道人机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机构等） 操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等 系统软件 应用软件 过程输入/输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印显示程序、各种公共子程序、历史数据库、实时数据库计算机控控制系统统的组成成示意图图2/11/202012第一章绪绪论论图1-4微微型计算算机控制制系统原原理图2/

6、11/202013第一章绪绪论论主机中央处理理器（CPU）内存储器器(RAM和ROM)接口电路路:主机与外外部设备备、输入入输出通通道进行行信息交交换的桥桥梁过程输入入/输出出通道模拟量输输入通道道模拟量输输出通道道开关量输输入通道道开关量输输出通道道外部设备备操作台输入设备备输出设备备外存储器器（CRT）显示示器或(LED)数码码显示器器键盘（功功能键和和数字键键）2/11/202014第一章绪绪论论高可靠性性和可维维护性环境的适适应性强强控制的实实时性较完善的的输入输输出通道道较丰富的的软件1-1-4工业控制制机的特特点2/11/202015第一章绪绪论论第二节Unit 2计算机控控制系统

7、统的分类类及典型型系统简简介浙江大学学控制科科学与工工程学系系2/11/202016第一章绪绪论论本节主要要内容操作指导导系统直接数字字控制系系统监督控制制系统分级计算算机控制制系统典型的计计算机控控制系统统2/11/202017第一章绪绪论论操作指导导系统1-2-1计算机控控制系统统的分类类优点:控控制安全全,具有有一定智智能.缺点:速速度慢,误差大大.适用:新新的算法法的设计计2/11/202018第一章绪绪论论直接数字字控制（DDC）系统1-2-2计算机控控制系统统的分类类直接数字控制(DDC)计算机CRT打印机报 警操作台过程输入通道 测量变送 测量变送被 控 生 产 过 程过程输出通

8、道 执行机构 执行机构 特点:取取代模拟拟器,使使用复杂杂的控制制规律要求:计计算机实实时性好好,可靠靠性高,适应性性强2/11/202019第一章绪绪论论1-2-3计算机监监督系统统（SCC）计算机监监督系统统（Supervisory Computer Control）简称SCC系系统。SCC系统有有两种不不同的结结构形式式。一种种是SCC+模模拟调节节器，另另一种是是SCC+DDC控制制系统。（1）SCC+模拟调调节器控控制系统统（2）SCC+DDC控制系系统2/11/202020第一章绪绪论论监督控制制（SCC）系统计算机控控制系统统的分类类监督控制计算机(SCC)CRT打印机报警DDC

9、计算机或调节器输入通道 输出通道被 控 生 产 过 程操作台输入通道2/11/202021第一章绪绪论论3监督控控制系统统（SupervisoryComputerControlSCC ） DDC计算机生 产 过 程SSC 计 算 机记录显示打印调节测量设定值(b)工艺数据模 拟调节器生 产 过 程SSC 计 算 机记录显示打印调节测量设定值(a)工艺数据2/11/202022第一章绪绪论论操作指导导控制系系统、DDC、SCC比较系统类别 结构特点 计算机功能 给定值 系统状态 操作指导控制系统 输入通道 处理数据 DDC 输入/输出通道 直接参与控制预先设定 不在最优工况 SCC 两级计算机

10、直接参与控制 在线修改最优工况 2/11/202023第一章绪绪论论1-2-4分级计算算机控制制系统分级计算算机控制制系统是是一个四四级系统统，各级级计算机机的功能能如图所所示。装置控制制级（DDC级级）车间监督督级（SCC级级）工厂集中中控制级级（MIS）企业管理理级（MIS）2/11/202024第一章绪绪论论图分分级计计算机控控制系统统返回本节节2/11/202025第一章绪绪论论1-2-5典型的计计算机控控制系统统1.计算机过过程控制制系统对温度,压力,质量,液面,速度等等生产过过程参数数进行测测量与控控制的,这种系系统称为为过程控控制系统统,主控控设备采采用计算算机则为为计算机机过程

11、系系统.大大多数的的化工生生产过程程均属于于这类系系统.2/11/202026第一章绪绪论论2.微机控制制的电动动机调速速系统3.采采用微微机的顺顺序控制制系统顺序控制制是使生生产机械械或生产产过程按按预先规定的时时序或事事序,而而顺序进进行控制制的自动动控制系统统.如:PLC控制系系统4.计计算机机数字程程序控制制系统常用的数数控机床床:点控控和线控控5.工工业机机器人 2/11/202027第一章绪绪论论现代所说说的机器器人大多多指的是是工业机机器人，是一种能自动动定位控控制，可可重复编编程、多多功能、多自由度的操操作机。1954年美国的的Devol最早提出出了工业机器人人思想，并申请请了

12、专利利，该专专利的要要点是借助伺服服技术控控制机器器人的关关节，利利用人手手对机器人实行行动作示示教，机机器人能能实现动动作的记记录和再现，这这就是所所谓的示示教再现现机器人人。在此此基础上，1958年美国Consolidated公司制作作了第一一台工业机器人人，作为为机器人人产品出出售的最最早的实实用机型是1962年美国的的AMF公司推出出的Verstran和Unimation公司推出出的UNIMATE（如图所示示）。2/11/202028第一章绪绪论论第一台工工业机器器人UNIMATE2/11/202029第一章绪绪论论1970年以后机机器人的的研究得得到了迅迅速广泛泛的普及及，1970年

13、在美国国召开了了第一届届国际工工业机器器人学术术会议，1973年在意大大利召开开了第一一届RMS，辛辛那提提.米拉克隆隆公司于于1973年制成了了第一台台由小型型计算机机控制的的工业机机器人T3，它是液压压驱动的的，能提提升的有有效负载载达45Kg。2/11/202030第一章绪绪论论工业机器器人T32/11/202031第一章绪绪论论1979年Unimation公司推出出了Puma系列工业业机器人人，它是是全电驱驱动关节节式结构构，多CPU两级微机机控制，采用VAL专用语言言并可配配置视觉觉、触觉觉、力觉觉传感器器，是技技术较为为先进的的机器人人.2/11/202032第一章绪绪论论工业机器

14、器人Puma2/11/202033第一章绪绪论论同年日本本山梨大大学的牧牧野洋研研制成具具有平面面关节的的SCARA型机器人人，由于于简单、精确，在插装装电子元元器件等等许多工工作上得得到了广广泛的应应用。2/11/202034第一章绪绪论论SCARA型机器人人2/11/202035第一章绪绪论论计算机技技术和人人工智能能技术的的迅速发发展使机机器人在功能和和技术层层次上有有了很大大提高。到目前前为止，机器人人已进入入了第三三代：智智能化的的高级机机器人，具有感感觉、思思考、决决策和动动作能力力的机器器人系统，这类类机器人人目前还还处于研研究开发发阶段；第一代工业机机器人主主要是指指示教再再现

15、控制制的操作作机器人，目前前国内外外工业应应用中的的机器人人绝大多多数都是这一类类；第二二代工业业机器人人具有感感受功能能，是具有光觉觉、视觉觉、力觉觉、触觉觉、声觉觉、语音音识别等功能的的工业机机器人，2/11/202036第一章绪绪论论此时工业业机器人人可以根根据感受受信息调调整控制算法，这类工工业机器器人已经经在实验验室内研制成功功并开始始得到试试用，但但由于成成本较高，其工工业应用用的普及及还要有有一个过过程。2/11/202037第一章绪绪论论我国工业业机器人人我国工业业机器人人起步于于70年代初期期，经过过20多年的发展，大致经经历了3个阶段：70年代的萌萌芽期，80年代的开开发期

16、和和90年代的适适用化期期。70年代世界上工业业机器人人应用掀掀起一个个高潮，尤其在在日本发展更为为迅猛，它补充充了日益益短缺的的劳动力力。在这种背景景下，我我国于1972年开始研研制自己己的工业业机器人。80年代，我我国完成成了示教教再现式式工业机机器人成套套技术的的开发，研制出出了喷涂涂、点焊焊、弧焊和搬运运机器人人。2/11/202038第一章绪绪论论1986年国家高高技术研研究发展展计划(863计划)开始实施，智智能机器器人主题题跟踪世世界机器器人技术术的前沿，经过过几年的的研究，取得了了一大批批科研成成果，成功地研研制出了了一批特特种机器器人。90年代初期期我国的工业业机器人人又在实

17、实践中迈迈进一大大步，先先后研制出了点点焊、弧弧焊、装装配、喷喷漆、切切割、搬搬运、包装码垛垛等各种种用途的的工业机机器人，并实施施了一批机器人人应用工工程，形形成了一一批机器器人产业业化基地，为我我国机器器人产业业的腾飞飞奠定了了基础。2/11/202039第一章绪绪论论在工业机机器人方方面，我我国已具具有独立立设计和开发机机器人本本体和控控制器的的能力，又经历“八五五”攻关关，逐步步开展机机器人的的应用工工程开发，开始了了机器人人喷漆线线、机器器人点焊、弧焊焊工作站站的开发发和应用用。在智智能机器人和特特种机器器人的研研究和开开发方面面，国家“863”计划在第第一阶段段作为高高技术跟跟踪的

18、目标，重重点发展展了在恶恶劣环境境下的工工作机器人、精精密装配配机器人人及装配配系统。2/11/202040第一章绪绪论论研制了水水下1000米无缆机机器人和和6000米无缆机器人人，进行行了太平平洋洋底底探测试试验；开发了用用于核工工业的遥遥控移动动机器人人和爬壁机器人人，以及及在室外外恶劣环环境下进进行探测的机器器人。这这些机器器人都是是在良好好的人机界面下下，以遥遥控为主主，具有有一定的的自主能力。2/11/202041第一章绪绪论论在装配机机器人方方面，研研制了高高精度装装配机器器人和实实用机器器人，研研制了风风扇电机机装配系系统，这这些系统统的研究究和开发发，使我我国在智智能机器器人

19、方面面的技术术向前迈迈进了一一大步。从第一台台机器人人问世，至今已已经有40多年的历历史，伴伴随时代代的脉搏搏，机器器人在经经历了70年代进入入工业应应用，80年代初中中期的迅迅速发展展之后，80年代后期期和90年代进入入了新的的发展阶阶段，到到2000年服役机机器人约约100万台，机机器人学学仍然保保持较好好的发展展势头，满怀希希望跨入入了21世纪。2/11/202042第一章绪绪论论第三节Unit 3微型计算算机控制制系统的的发展趋趋势燕山大学学自动化化系2/11/202043第一章绪绪论论1-3-1DCS的特点(分散型控控制系统统（DistributedControl Systems）独

20、立性协调性友好性适应性、灵活性性和可扩扩充性实时性可靠性2/11/202044第一章绪绪论论2/11/202045第一章绪绪论论集散控制制系统是是分散型型综合控控制系统统（Total Distributed ControlSystems）或或分散型型微处理理器控制制系统（DistributedMicroprocessorControlSystems）的简简称。图是集散散控制系系统的组组成框图图。1-3-1分散性综综合控制制系统1-3-1分散性综综合控制制系统2/11/202046第一章绪绪论论图分散性综综合组成框图图返回本节节它以微型型计算机机为核心心，把微微型机、工业控控制计算算机、数数据通

21、信信系统、显示操操作装置置、输入入 /输输出通道道、模拟拟仪表等等有机地地结合起起来，采采用组合合组装式式结构组组成系统统，为实实现工程程大系统统的综合合自动化化创造了了条件。2/11/202047第一章绪绪论论1-3-2计算机集集成控制制系统（CIMS/CIPS） 经营决策企业管理生产调度过程优化过程控制第五层：企业决策，生产规划第四层：供销,财务,计划,管理等第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第一层：单元自动化,简单控制生 产 过 程 流程CIMS的递阶控制示意图2/11/202048第一章绪绪论论计算机控控制系统统举例例1-1卫星姿态态控制运行中的的卫星经经常要求求对其

22、姿姿态进行行控制，以使它它的天线线和传感感器相对对于地球球具有适适当的方方位。为为此，计计算机往往往对三三个轴分分时地进进行姿态态控制。图1-6画出了一一个轴的的运动情情况。假假设只允允许绕垂垂直于本本书页面面的轴进进行旋转转，该系系统的运运动方程程如下：卫星姿态态控制系系统框图图式中：I是卫星围围绕其质质量中心心的惯性性矩；MC是由助推推器加上上的控制制转矩；MD是扰动力力矩；是卫星轴轴相对于于基准线线的角。2/11/202049第一章绪绪论论由运动方方程求传传递函数数令可得上式的拉氏变换为如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：2/11/202050第一章绪绪论论天线方位位控制伺伺服系统统卫星跟踪踪天线的的仰角控控制(见右图)假设天线线及其可可动部分分具有惯惯性转矩矩J，由于直直流驱动动电机的的反电势势及由于于轴承和和空气动动力摩擦擦产生了了阻尼，其阻尼尼系数为为B，则运动动方程为为：式中：Tc是驱动电电机产生生的纯转转矩；Td是刮风时时的扰动动转矩。天线示意图如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，则方程化简为：2/11/202051第一章绪绪论论其拉氏变变换式为为如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：2/11/202052第一章绪绪论论工业炉控控制工业炉的的典型控控制工业