计算机控制系统的分类与典型系统介绍.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,计算机控制系统,燕山大学自动化系,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,计算机控制系统,燕山大学自动化系,第一章 绪论,Introduction,燕山大学自动化系,10/2/,1,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第1页,本章主要内容,计算机控制系统普通概念,计算机控制系统组成及特点,计算机控制系统分类,计算机控制系统发展概况与趋势,10/2/,2,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第2页,第一节 Unit 1,计算机控制概述,Introduction of Computer Control System,燕山大学自动化系,10/2/,3,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第3页,本节主要内容,计算机控制系统普通概念,计算机控制系统组成,10/2/,4,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第4页,1-1-1 概述（1）,常规控制系统工作原理,模拟调整器,执行机构,被控对象,测量变送器,设定值,r,e,u,被调参数,y,图,a,单回路常规控制系统示意图,y,m,按偏差e进行控制，目是减少或消除偏差。,10/2/,5,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第5页,1-1-1 概述（2）,计算机控制系统工作原理,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,y,m,采样器,A/D,D/A,计算机系统,设定值,r,10/2/,6,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第6页,1）在线方式和离线方式,在线,方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制方式。,离线方式或脱机方式：,生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联络并作,对应操作方式。,2）实时含义,实时：是指信号输入、计算和输出都要在一定时间范围内完成。,实时控制系统必定是在线系统。,10/2/,7,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第7页,1-1-2 信号特点（1）,计算机控制系统信号形式,连续模拟信号:,时间与幅值上均连续，如,y(t)、u(t),离散模拟信号:,时间是离散，幅值上连续，如,y,*,(t)、u,*,(t),离散数字信号:,时间离散，幅值为数字量，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),10/2/,8,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第8页,1-1-2 信号特点（2）,计算机控制系统采样过程,y(t),t,采样器,y(t),y*(t),y*(t),2T,4T,t,原始过程信号,信号经过采样器,采样后信号,过程信号采样过程示意图,10/2/,9,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第9页,1-1-2 信号特点（3）,信号保持,目标：是将离散采样信号恢复为被控对象能够感知连续模拟信号,方法：采取保持器,惯用保持器：零阶、一阶及高阶,10/2/,10,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第10页,1-1-2 信号特点（4）,零阶保持器恢复信号示意图,6,T,4,T,2,T,t,y,采样信号,y(kT),原信号,y(t),恢复信号,y,h,(t),零阶保持器算式,y,h,(k,T,+t)=y(k,T,),0,t,T,k,=0,1,2,因为它只是简单地外推，故只有当T足够小时，零阶保持器才能很好地恢复原信号。,10/2/,11,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第11页,1-1-3 计算机控制系统组成及作用,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,人机联络设备、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、诊疗程序等,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,计算机控制系统组成示意图,10/2/,12,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第12页,图1-4 微型计算机控制系统原理图,10/2/,13,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第13页,主机,中央处理器（CPU）,内存放器(RAM和ROM,),接口电路,:,主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换桥梁,过程输入/输出通道,模拟量输入通道,模拟量输出通道,开关量输入通道,开关量输出通道,外部设备,操作台,输入设备,输出设备,外存放器,（CRT）显示器或(LED)数码显示器,键盘（功效键和数字键）,10/2/,14,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第14页,高可靠性和可维护性,环境适应性强,控制实时性,较完善输入输出通道,较丰富软件,1-1-4 工业控制机特点,10/2/,15,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第15页,第二节,Unit 2,计算机控制系统分类及经典系统介绍,浙江大学控制科学与工程学系,10/2/,16,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第16页,本节主要内容,操作指导系统,直接数字控制系统,监督控制系统,分级计算机控制系统,经典计算机控制系统,10/2/,17,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第17页,操作指导系统,1-2-1 计算机控制系统分类,优点:控制安全,含有一定智能.,缺点:速度慢,误差大.,适用:新算法设计,10/2/,18,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第18页,直接数字控制（DDC）系统,1-2-2 计算机控制系统分类,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,过程输出通道,执行机构,执行机构,特点:取代模拟器,使用复杂控制规律,要求:计算机实时性好,可靠性高,适应性强,10/2/,19,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第19页,1-2-3,计算机监督系统（SCC）,计算机监督系统（Supervisory Computer Control）简称SCC系统。SCC系统有两种不一样结构形式。一个是SCC+模拟调整器，另一个是SCC+DDC控制系统。,（1）SCC+模拟调整器控制系统,（2）SCC+DDC控制系统,10/2/,20,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第20页,监督控制（SCC）系统,计算机控制系统分类,监督控制计算机(SCC),CRT,打印机,报警,DDC计算机或调整器,输入通道,输出通道,被 控 生 产 过 程,操作台,输入通道,10/2/,21,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第21页,3监督控制系统,（Supervisory Computer Control SCC）,DDC,计算机,生 产 过 程,SSC 计 算 机,统计,显示,打印,调整,测量,设定值,(b),工艺数据,模 拟,调整器,生 产 过 程,SSC 计 算 机,统计,显示,打印,调整,测量,设定值,(a),工艺数据,10/2/,22,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第22页,操作指导控制系统、DDC、SCC比较,系统类别,结构特点,计算机功效,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,直接参加控制,预先设定,不在最优工况,SCC,两级计算机,直接参加控制,在线修改,最优工况,10/2/,23,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第23页,1-2-,4,分级计算机控制系统,分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机功效如图所表示。,装置控制级（DDC级）,车间监督级（SCC级）,工厂集中控制级（MIS）,企业管理级（MIS）,10/2/,24,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第24页,图 分级计算机控制系统,返回本节,10/2/,25,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第25页,1-2-,5,经典计算机控制系统,1.,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,这种系统称为过程控制系统,主控设备采取计算机则为计算机过程系统.大多数化工生产过程均属于这类系统.,10/2/,26,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第26页,2.,微机控制电动机调速系统,3.采取微机次序控制系统,次序控制是使生产机械或生产过程按预先,要求时序或事序,而次序进行控制自动,控制系统.如:PLC控制系统,4.计算机数字程序控制系统,惯用数控机床:点控和线控,5.工业机器人,10/2/,27,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第27页,当代所说机器人大多指是工业机器人，是一,种能自动定位控制，可重复编程、多功效、多自,由度操作机。,1954,年美国,Devol,最早提出了工,业机器人思想，并申请了专利，该专利关键点是,借助伺服技术控制机器人关节，利用人手对机,器人实施动作示教，机器人能实现动作统计和,再现，这就是所谓示教再现机器人。在此基础,上，,1958,年美国,Consolidated,企业制作了第一台工,业机器人，作为机器人产品出售最早实用机,型是,1962,年美国,AMF,企业推出,Verstran,和,Unimation,企业推出,UNIMATE,（如图所表示）。,10/2/,28,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第28页,第一台工业机器人,UNIMATE,10/2/,29,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第29页,1970,年以后机器人研究得到了快速广泛普及，,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,.,米拉克隆企业于,1973,年制成了第一台由小型计算机控制工业机器人,T3,，它是液压驱动，能提升有效负载达,45Kg,。,10/2/,30,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第30页,工业机器人,T3,10/2/,31,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第31页,1979,年,Unimation,企业推出了,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，采取,VAL,专用语言并可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进机器人,.,10/2/,32,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第32页,工业机器人,Puma,10/2/,33,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第33页,同年日本山梨大学牧野洋研制成含有平面关节,SCARA,型机器人，因为简单、准确，在插装电子元器件等许多工作上得到了广泛应用。,10/2/,34,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第34页,SCARA,型机器人,10/2/,35,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第35页,计算机技术和人工智能技术快速发展使机器人,在功效和技术层次上有了很大提升。到当前为止,，机器人已进入了第三代：智能化高级机器人,，含有感觉、思索、决议和动作能力机器人系,统，这类机器人当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操作机器,人，当前国内外工业应用中机器人绝大多数都,是这一类；第二代工业机器人含有感受功效，是,含有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别,等功效工业机器人，,10/2/,36,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第36页,此时工业机器人能够依据感受信息调整控,制算法，这类工业机器人已经在试验室内,研制成功并开始得到试用，但因为成本较,高，其工业应用普及还要有一个过程。,10/2/,37,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第37页,我国工业机器人,我国工业机器人起步于,70,年代早期，经过,20,多年,发展，大致经历了,3,个阶段：,70,年代萌芽期，,80,年代开发期和,90,年代适用化期。,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，它补充了日益短缺劳动力。在,这种背景下，我国于,1972,年开始研制自己工业,机器人。,80,年代，我国完成了示教再现式工业机,器人成套技术开发，研制出了喷涂、点焊、弧,焊和搬运机器人。,10/2/,38,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第38页,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前,沿，经过几年研究，取得了一大批科研结果，,成功地研制出了一批特种机器人。,90,年代早期我,国工业机器人又在实践中前进一大步，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，为我国机器人产业腾飞奠定了基础。,10/2/,39,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第39页,在工业机器人方面，我国已含有独立设计,和开发机器人本体和控制器能力，又经,历“八五”攻关，逐步开展机器人应用工,程开发，开始了机器人喷漆线、机器人点,焊、弧焊工作站开发和应用。在智能机,器人和特种机器人研究和开发方面，国,家“,863,”计划在第一阶段作为高技术跟踪,目标，重点发展了在恶劣环境下工作机,器人、精密装配机器人及装配系统。,10/2/,40,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第40页,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,测机器人。这些机器人都是在良好人,机界面下，以遥控为主，含有一定自主,能力。,10/2/,41,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第41页,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，这些系统研究和开发，使我国在智能机器人方面技术向前前进了一大步。,从第一台机器人问世，至今已经有40多年历史，伴随时代脉搏，机器人在经历了70年代进入工业应用，80年代初中期快速发展之后，80年代后期和90年代进入了新发展阶段，到服役机器人约100万台，机器人学依然保持很好发展势头，满怀希望跨入了二十一世纪。,10/2/,42,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第42页,第三节,Unit 3,微型计算机控制系统发展趋势,燕山大学自动化系,10/2/,43,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第43页,1-3-1 DCS特点(,分散型控制系统（Distributed Control Systems）,独立性,协调性,友好性,适应性、灵活性和可扩充性,实时性,可靠性,10/2/,44,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第44页,10/2/,45,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第45页,集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distributed Control Systems）或分散型微处理器控制系统（Distributed Microprocessor Control Systems）简称。,图是集散控制系统组成框图。,1-3-1,分散性综合控制系统,1-3-1,分散性综合控制系统,10/2/,46,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第46页,图,分散性综合,组成框图,返回本节,它以微型计算机为关键，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入/输出通道、模拟仪表等有机地结合起来，采取组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统综合自动化创造了条件。,10/2/,47,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第47页,1-3-2,计算机集成控制系统 （CIMS/CIPS）,经营决议,企业管理,生产调度,过程优化,过程控制,第五层：企业决议，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递阶控制示意图,10/2/,48,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第48页,计算机控制系统举例,例 1-1 卫星姿态控制,运行中卫星经常要求对其姿态进行控制，以使它天线和传感器相对于地球含有适当方位。为此，计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制。图1-6 画出了一个轴运动情况。假设只允许绕垂直于本书页面轴进行旋转，该系统运动方程以下：,卫星姿态控制系统框图,式中：I是卫星围绕其质量中心惯性矩；MC是由助推器加上控制转矩；MD是扰动力矩；是卫星轴相对于基准线角。,10/2/,49,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第49页,由运动方程求传递函数,令,可得,上式拉氏变换为,假如不考虑扰动(w,d,(s)=0)，则其传递函数为：,10/2/,50,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第50页,天线方位控制伺服系统,卫星跟踪天线仰角控制(见右图),假设天线及其可动部分含有惯性转矩J，因为直流驱动电机反电势及因为轴承和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为B，则运动方程为：,式中：T,c,是驱动电机产生纯转矩；T,d,是刮风时扰动转矩。,天线示意图,假如我们定义：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，则方程化简为：,10/2/,51,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第51页,其拉氏变换式为,假如不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：,10/2/,52,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第52页,工业炉控制,工业炉经典控制,工业炉控制经典情况。,为了确保燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气比值恒定。它能够预防空气太多时，过剩空气带走大量热量；也可预防当空气太少时，因为燃料燃烧不完全而产生许多一氧化碳或碳黑。,为了保持所需炉温，将测得炉温送入计算机计算，进而控制燃料和空气阀门开度。,为了保持炉膛压力恒定，防止在压力过低时从炉墙缝隙处吸入大量过剩空气，或在压力过高时大量燃料经过缝隙逸出炉外，必须采取压力控制回路。测得炉膛压力送入计算机，进而控制烟道出口挡板开度。,为了提升炉子热效率，还须对炉子排出废气进行分析，普通是用氧化锆传感器测量烟气中微量氧，经过计算而得出其热效率，并用以指导燃烧控制。,10/2/,53,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第53页,这是一个原料混合和加热控制系统，该装置任务是：,(1)装入原料A，使液面到达贮槽二分之一；,(2)装入原料B，使液面深入升到百分之七十五；,(3)开始搅拌并加热到95，在此恒定温度上维持20min；,(4)停顿搅拌和加热，开动排料泵抽出混合液，一直到液位低于贮槽5为止。,上述过程由计算机自动控制，按照一定次序重复进行，完成原料混合和加热控制。,计算机用作次序控制例子,计算机次序控制,10/2/,54,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第54页,本章小结,计算机控制系统普通概念,计算机控制系统分类,计算机控制系统发展概况与趋势,10/2/,55,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第55页,第一章 结束,The End,燕山大学自动化系,10/2/,56,第一章 绪 论,计算机控制系统的分类与典型系统介绍,第56页,