计算机控制技术

现代机电系统概论

第五讲计算机控制技术课程基本要求了解计算机控制系统的形成，发展过程和发展趋势;掌握控制系统的性能指标分析；掌握计算机控制系统的各种设计方法;了解智能控制系统；了解计算机网络控制技术应用现状及其发展趋势；教材及主要参考书1.《计算机控制技术》熊静琪电子工业出版社20032.《计算机控制技术》王勤编东南大学出版社2003主要内容：2.3计算机控制技术一、计算机控制系统发展概况二、计算机控制系统的构成和分类三、控制用计算机的特点和发展趋势四、计算机控制系统举例五、控制理论的发展史一、计算机控制系统发展概况计算机控制系统的基础是：

自动控制技术：

18世纪:锅炉供水的水位调节装置等

19世纪：直观创造发明，设计出一些自动控制系统

20世纪：在军事、航天、航空领域得到广泛的应用

计算机技术：计算机技术50年代末，计算机用于过程控制60年代，从早期的操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）60年代后期，小型计算机（Microcomputer）70年代，分散控制系统（DistributedControlSystem）80年代后期到90年代，CIPS系统和CIMS系统二、计算机控制系统分类以自动控制的方式分类以参与控制方式来分类以自动控制的方式分类计算机开环控制系统计算机闭环控制系统计算机在线控制系统计算机离线控制系统计算机实时控制系统计算机开环控制系统若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制,但控制结果---生产过程的状态没有影响计算机控制的系统,计算机\控制器\生产过程等环节没有构成闭合环路,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,决定控制方案,并告诉控制计算机使其行使控制作用.计算机开环控制系统计算机闭环控制系统计算机对生产对象或过程进行控制时,生产过程状态能直接影响计算机控制的系统,称之为计算机闭环控制系统.

计算机闭环控制系统,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.计算机闭环控制系统计算机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控制计算机在线控制或称联机控制系统.计算机离线控制系统控制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,操作人员参考控制指示,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.计算机实时控制系统计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程,每当请求处理或请求控制时,控制机能及时处理并进行控制的系统,常用在生产过程是间断进行的场合.如炼钢,每炼一炉钢是一个过程;又如轧钢过程,每轧出一块钢算一个过程,每个过程都重复进行.只有进入过程才要求计算机进行控制.在计算机一旦进行控制时,就要求计算机对来自生产过程的信息在规定的时间内作出反应或控制.这种系统常使用完善的中断系统和中断处理程序来实现.一个在线系统并不一定是实时系统.但是一个实时系统必是一个在线系统.以参与控制方式来分类操作指导控制系统直接数字控制系统监督控制系统分级控制系统分散控制系统操作指导控制系统操作人员通过控制仪表对生产过程进行控制；计算机未施加直接的控制作用，实际的操作控制是由人和控制仪表进行的；开环指导型结构，用于指导人们对生产过程的操作和控制。操作指导控制系统直接数字控制系统（DDC）由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制,由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。实际上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(D/A)转换器将计算机输出的数字控制量中转换成模拟量;输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模/数(A/D)转换器转换成数字量进入计算机.监督控制系统（SCC）计算机监督控制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正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.SCC系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情况下运行,因而获得最大效益.直接影响SCC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模型,并相应修改控制算法和应用控制程序.分级控制系统（HC）DDC级主要用于直接控制生产过程,进行PID或前馈控制;SCC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DDC级控制同时向MIS级汇报情况.DDC级通常用微型计算机，SCC级一般用小型计算机或高档微型计算机.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,作出关于生产计划\调度和管理方案,使计划协调和经营管理处于最优状态.分级控制系统（HC）分散控制系统（DCS）DCS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自动控制任务.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,近年来分散控制得以异乎寻常的发展,且已成为计算机控制发展的重要趋势.自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的新型的计算机控制系统.三、控制用计算机的特点

和发展趋势特点：

较高的可靠性实时控制与外部世界的紧密联系对环境的适应性不同的软件配置发展趋势：

标准化、系列化、组合化和模块化发展四、计算机控制系统举例1卫星姿态控制2.计算机过程控制系统

1、卫星姿态控制计算机卫星助推器点火控制采样开关测量姿态角θ

其余各轴的姿态角天线驱动马达天线仰角θ其他各种参数方位角天线方位控制伺服系统2、计算机过程控制系统对温度,压力,质量,液面,速度等生产过程参数进行测量与控制的,这种系统称为过程控制系统,主控设备采用计算机则为计算机过程系统.大多数的化工生产过程均属于这类系统.3、

微机控制的电动机调速系统4、

采用微机的顺序控制系统顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序,而顺序进行控制的自动控制系统.如:PLC控制系统5、

计算机数字程序控制系统常用的数控机床:点控和线控6、

工业机器人

现代所说的机器人大多指的是工业机器人，是一种能自动定位控制，可重复编程、多功能、多自由度的操作机。

1954年美国的Devol最早提出了工业机器人思想，并申请了专利，该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人实行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。在此基础上，1958年美国Consolidated公司制作了第一台工业机器人，作为机器人产品出售的最早的实用机型是1962年美国的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE（如图所示）。工业机器人第一台工业机器人UNIMATE

1970年以后机器人的研究得到了迅速广泛的普及，1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，1973年在意大利召开了第一届RMS，辛辛那提.米拉克隆公司于1973年制成了第一台由小型计算机控制的工业机器人T3，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45Kg。

工业机器人T3

1979年Unimation公司推出了Puma系列工业机器人，它是全电驱动关节式结构，多CPU两级微机控制，采用VAL专用语言并可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人

.工业机器人Puma

同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人，由于简单、精确，在插装电子元器件等许多工作上得到了广泛的应用。

计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人在功能和技术层次上有了很大提高。到目前为止，机器人已进入了第三代：智能化的高级机器人，具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系统，这类机器人目前还处于研究开发阶段；第一代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器人，目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都是这一类；第二代工业机器人具有感受功能，是具有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别等功能的工业机器人，此时工业机器人可以根据感受信息调整控制算法，这类工业机器人已经在实验室内研制成功并开始得到试用，但由于成本较高，其工业应用的普及还要有一个过程。

我国工业机器人我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。70年代世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。80年代，我国完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。

1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。90年代初期我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

在工业机器人方面，我国已具有独立设计和开发机器人本体和控制器的能力，又经历“八五”攻关，逐步开展机器人的应用工程开发，开始了机器人喷漆线、机器人点焊、弧焊工作站的开发和应用。在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面，国家“863”计划在第一阶段作为高技术跟踪的目标，重点发展了在恶劣环境下的工作机器人、精密装配机器人及装配系统。

研制了水下1000米无缆机器人和6000米无缆机器人，进行了太平洋洋底探测试验；开发了用于核工业的遥控移动机器人和爬壁机器人，以及在室外恶劣环境下进行探测的机器人。这些机器人都是在良好的人机界面下，以遥控为主，具有一定的自主能力。

在装配机器人方面，研制了高精度装配机器人和实用机器人，研制了风扇电机装配系统，这些系统的研究和开发，使我国在智能机器人方面的技术向前迈进了一大步。从第一台机器人问世，至今已经有40多年的历史，伴随时代的脉搏，机器人在经历了70年代进入工业应用，80年代初中期的迅速发展之后，80年代后期和90年代进入了新的发展阶段，到2000年服役机器人约100万台，机器人学仍然保持较好的发展势头，满怀希望跨入了21世纪。

五、控制理论的发展史经典控制理论

40~50年代形成SISO系统基于：二战军工技术目标：反馈控制系统的镇定基本方法：传递函数，频率法，PID调节器(频域)现代控制理论

1960年前后有了重大的突破和创新60~70年代形成MIMO系统

基于：冷战时期空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）现代控制理论的进一步发展经典控制理论主要的研究对象：SISO线性定常系统；数学工具：拉氏变换；系统描述:传递函数；

(微分方程或差分方程变换到复数域中)系统分析方法：频率法和根轨迹法；系统分析目的：确定控制器的结构和参数；系统实现：闭环反馈控制系统。经典控制理论特性1．经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；2．经典控制理论只限于分析和设计单变量系统，实际上，大多数工程对象都是多输入－多输出系统，尽管人们做了很多尝试，但是，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果；

3．经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。经典理论的缺点：缺乏精确化、数学化及理论化。现代控制理论现代控制理论的研究对象:既可以是单变量的、线性的、定