控制技术基础-智能建筑专业

控制技术基础内容概述集散控制系统现场总线控制系统自动化（Automation或Automatization）1.自动控制

就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置（简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某些物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按照预期的规律运行。2.自动控制系统

是指实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。概述水泵直接给水系统并联气压给水系统排水监控系统自动控制理论2.现代控制理论

3.大系统理论

4.智能控制理论自动控制理论的发展1、经典控制理论

研究的主要对象是单输入、单输出——单变量系统。如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车的运动轨迹等。t01输入r(t)t01输入c(t)12理想的调节过程实际自动控制理论的发展2、现代控制理论研究的主要对象是多输入、多输出——多变量系统。如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。计算机科学地发展，极大地促进了控制科学的发展自动控制理论的发展3、大系统控制理论

大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。大系统控制理论目前仍处于发展阶段。自动控制理论的发展

4、智能控制

这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视，。

自动控制系统的分类

一、按信号的传递路径来分类

1、开环控制系统

特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用不发生影响的系统。

自动控制系统的分类2、闭环控制系统（反馈控制系统）特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。“闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。

自动控制系统的分类

二、按系统的控制作用来分类

1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）

特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。

水泵直接给水系统自动控制系统的分类2、过程控制系统（或称程序控制系统）

特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、温度、流量控制。

恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。自动控制系统的分类3、随动系统（或称伺服系统）

特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。

如：火炮自动跟踪系统。该系统要求有较好的跟踪能力。

自动控制系统的分类三、按系统传输信号的性质来分类

1、连续系统

特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。

2、离散系统

特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连续信号转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控制系统。自动控制系统的分类

自动控制系统的分类四、按描述系统的数学模型不同来分类

1、线性系统

特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线性微分方程。运动方程一般形式：

式中：r(t)——系统输入量；c(t)——系统输出量主要特点是具有叠加性和齐次性。自动控制系统的分类2、非线性系统特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节。非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无通用的方法可以解决各类非线性系统。其他的分类方法：

按功能来分：温度控制系统、速度控制系统、位置控系统等。按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。自动控制系统的分类分类小结反馈控制系统的基本组成控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系统响应变化情况；从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。反馈控制系统的基本组成1.温控系统——人工控制反馈控制系统的基本组成

控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：反馈控制系统的基本组成2.温控系统——自动控制反馈控制系统的基本组成

控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。控制过程：反馈控制系统的基本组成一般的形式

输入信号——系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。控制系统——主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。输出信号——系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。

反馈控制系统的基本组成火炮自动跟踪系统——“火炮打飞机”

反馈控制系统的基本组成3.典型的反馈控制系统的结构图对控制系统的要求及典型信号基本要求：

稳定性稳态特性动态特性（稳、准、快）典型信号：

1.脉冲信号

2.阶跃信号3.斜坡信号

对控制系统的要求及典型信号对控制系统的要求及典型信号4.加速度信号

5.谐波信号6.指数信号微型计算机控制系统原理图计算机控制系统的软件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。软件通常分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件。1．可编程控制器（PLC）2．集散控制系统(DCS)3．人工智能(AI)4．神经网络(NN)控制系统计算机控制系统的发展趋势1．可编程控制器（PLC）PLC与传统的继电器控制相比，具有如下一些特点：（1）抗干扰能力强（2）适应性好（3）编程直观、简单（4）功能完善，接口功能强2．集散控制系统（DCS）DistributedControlSystems3．人工智能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。所谓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。机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置，从本世纪70年代微处理机问世以来，机器人便逐渐涉足于各工业生产领域和科学研究领域。目前已出现的机器人可以分为两类，工业机器人和智能机器人。4．神经网络控制系统国外在20世纪80年代掀起了神经网络（NeuralNetwork）计算机的研究和应用热潮，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、自组织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，其中一个重要的方面是智能控制，包含机器人控制。常用接口技术D/A转换器A/D转换器驱动电路D/A转换器在微机的各种接口中，完成外设信号到微机所需数字信号转换的，称为模拟∕数字转换（A/D转换）器；D/A转换器（DigitaltoAnalogConverter）是一种能把数字量转换成模拟量的电子器件；A/D转换器完成微机输出数字信号到外设所需信号转换的，称为数字∕模拟转换（D/A转换）器。A/D转换器（AnalogtoDigitalConverter）则相反，它能把模拟量转换成相应的数字量。在微机控制系统中，经常要用到A/D和D/A转换器。它们的功能及在实时控制系统中的地位，如图所示。单片机和被控实体间的接口示意图白炽灯驱动接口开关量输出隔离电路光电耦合控制直流电机LED显示器件工作原理发光二极管显示字段。7个发光二极管组成字符“8”，1个发光二极管构成小数点。键盘接口中小功率直流电机设电机在恒定电压下的转速为Vmax，控制信号的占空比D=t/τ（其中t代表通电时间，τ代表脉冲周期），则电机的的转速和控制信号的关系可用如下公式表示：

V=Vmax×D返回本节方向控制步进电机集散型控制系统

（1）计算机控制系统阶段

1）数字计算机控制系统

2）计算机、模拟仪表混合控制系统

3）计算机监视控制系统（2）集散控制系统阶段第一节集散型控制系统概述集散型控制系统的产生与发展DCS基本结构分为过程控制单元操作显示站数据通信网络管理计算机四部分第一节集散型控制系统概述集散型控制系统的基本结构与特点集散型控制系统四层结构模式第一节集散型控制系统概述集散型控制系统的基本结构与特点集散型控制系统的基本结构与功能

DCS的骨架——系统网络

DCS的现场I/O控制站

DCS的操作员站

DCS的工程师站第一节集散型控制系统概述典型的DCS体系结构第一节集散型控制系统概述集散型控制系统的基本结构与特点集散控制系统的特点

功能全、采用网络通信技术、实现了人－机对话技术、系统扩展灵活、可靠性高、管理能力强、使用方便、完备的开放系统、采用先进的计算机技术、具有综合性和专业性第一节集散型控制系统概述集散型控制系统的

现场控制站集散型控制系统一般分为三级管理级操作监控级现场控制级第二节DCS的现场控制站现场控制站的功能与结构第二节DCS的现场控制站控制站机柜第二节DCS的现场控制站机笼的正、背面结构图1—机笼2—走线槽3—左进线孔4—右进线孔5—走线槽挡板6—机笼扩展接口7—端子排8—交流输入接口9—直流输入接口第二节DCS的现场控制站硬件配置常用芯片1.CPU2.存储器只读存储器(ROM)

随机存贮器(RAM)第二节DCS的现场控制站现场输入与输出单元模拟量输入(AI)通道

端子板、信号调理器、A/D模板、柜内连接电缆模拟量输出(AO)通道开关量输入(SI)通道开关量蔬菜(SO)通道脉冲量输入(PI)通道第二节DCS的现场控制站电源保证交流供电系统可靠性的几种措施端子板第二节DCS的现场控制站现场通信接口第三节现场主控单元与通信单元现场通信接口串行接口设计

上位机与通信软件及通信系统第三节现场主控单元与通信单元抗干扰措施接地系统抗干扰和抗静电干扰问题软件抗干扰措施第三节现场主控单元与通信单元集散型控制系统软件技术操作系统基本概念实时多任务操作系统

任务、任务调度、任务互斥与同步、任务之间的数据传递、存储器管理、设备管理、文件管理第五节集散型控制系统软件技术数据库数据库管理方式及数据库实时数据库实时数据库的作用

1.实时数据库是楼宇机电设备运行产生各种数据的集成平台

2.实时数据库是操作信息、数据监测显示的平台

3.实时数据库是先进控制、装置优化的平台第五节集散型控制系统软件技术集散型控制系统组态系统组态软件功能系统组态软件的功能DCS组态软件结构示意图现场总线控制系统现场总线的产生从集中控制走向分散控制从DCS走向FCS

从集团协议走向国际标准从国外走向国内现场总线的产生图：传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统第一节现场总线控制系统概述现场总线技术特点系统的开放性互可操作性与互用性现场设备的智能化与功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性第一节现场总线控制系统概述现场总线的基本内容

现场总线的含义通信网络互操作性分散功能块通信线供电开放式互连网络第一节现场总线控制系统概述现场总线的基本内容FCS的分散功能块控制方案第一节现场总线控制系统概述现场总线的基本内容OSI及其几种现场总线开放互连模型的对应关系第一节现场总线控制系统概述现场总线的基本内容FCS体系结构第一节现场总线控制系统概述几种常见的现场总线现场总线基金会(FF)

FieldbusFoundation(FF)组织FF现场总线的特点与优势

设备互操作性、改善过程数据、对进程增加更多的了解、改善现场安全、更早的预测维护、减少的线缆和安装费用第二节几种常见的现场总线现场总线基金会(FF)FF现场总线控制系统结构第二节几种常见的现场总线过程现场总线(PROFIBUS)

Profibus现场总线包括三种类型的总线形式：通用自动化Profibus-FMS总线、工业自动化Profibus-DP总线和过程自动化Profibus-PA总线，以适应于高速和时间苛求的数据传输或大范围的复杂通信场合。第二节几种常见的现场总线过程现场总线(PROFIBUS)Profibus现场总线的结构第二节几种常见的现场总线HART

可寻址远程传感器数据通路第二节几种常见的现场总线控制局域网络(CAN)

CAN概述版本发布时间内容变化1.01985年1.11987年位定时要求重新定义1.21990年振荡器容错能力提高2.01991年PartA,与1.2版相同PartB,引入数据帧和远程帧的扩展帧结构CAN协议版本发展第二节几种常见的现场总线控制局域网络(CAN)CAN总线系统

CAN总线系统由CAN网络节点、转发器节点和上位机构成。第二节几种常见的现场总线控制局域网络(CAN)CAN总线系统系统的总体结构第二节几种常见的现场总线控制局域网络(CAN)CAN网络的组网方式CAN网络组网连接方式原理示意图第二节几种常见的现场总线控制局域网络(CAN)CAN总线分布工业测控网络拓扑原理图第二节几种常见的现场总线局部操作网络(LonWorks)LonWorks概述

LonWorks的技术核心—神经元芯片

LonWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个CPU。第三节局部操作网络(LonWorks)神经元芯片

共享存储器第三节局部操作网络(LonWorks)LonWorks节点以神经元芯片为核心的控制节点神经元节点的结构框图第三节局部操作网络(LonWorks)LonWorks节点采用宿主(HostBase)结构典型宿主结构框图第三节局部操作网络(LonWorks)LonTalk协议的功能

使用LONTALK协议的典