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计算机控制系统第1章.ppt

计算机控制系统第1章

教育文库
2018-12-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《计算机控制系统第1章ppt》,可适用于高等教育领域

计算机控制系统授课教师:晁军峰安阳工学院电子信息与电气工程学院“一些自动化实验装置图片”实验装置水处理 生产线 装置实验装置填料塔换热 装置实验装置加热反应器开环不稳 定的对象实验装置非线性 液位对 象实验装置机房评分:平时:实验:期末考试:学分:学位选修课选修课程:自动控制原理、微机原理、微机接口技术、程序设计基础课程简介:本课程介绍计算机控制系统的构成、硬件配置、控制算法、软件设计和系统设计与实现等内容。通过学习能掌握正确选择与设计测控系统的主要组件掌握DCS控制系统及其它计算机控制系统的基本原理与软硬件设计方法。计算机控制系统课程介绍:、教材:李元春计算机控制系统(第二版)高等教育出版社年月。、何克忠计算机控制技术清华大学出版社、曹承志微型计算机控制新技术机械工业出版社、江秀汉计算机控制原理及应用西安电子科技大学出版社参考资料:第一部分:计算机控制系统的概论第二部分:硬件基础(输入输出接口与过程通道)第三部分:计算机控制系统的数学基础第四部分:计算机控制系统的间接设计方法(数字控制算法)第六部分:计算机控制系统的设计与实现内容简介:第五部分:计算机控制系统的直接设计方法(软件设计方法)何谓计算机控制?控制器检测装置执行装置被控对象控制部分第一章绪论计算机控制系统计算机控制系统就是利用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现控制对象(通常为生产过程)自动控制的系统。计算机控制系统概述计算机控制系统是利用计算机的硬件和软件代替了自动控制系统的控制器以自动控制技术、计算机技术、检测技术、计算机通信与网络技术为基础利用计算机快速强大的数值计算、逻辑判断等信息加工能力使得计算机控制系统可以实现常规控制以外更复杂、更全面的控制方案。计算机控制系统的工作原理工作原理主要为:()实时数据采集对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。()实时控制决策对采集到的被控量进行分析和处理并按预定的控制规律决定将要采取的控制策略。()实时控制输出根据控制决策实时地对执行机构发出控制信号完成控制任务。在线方式和离线方式:在线方式:离线方式:生产过程和计算机直接连接。生产过程不和计算机直接连接。实时含义:实时:信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成即计算机对输入的信息以足够快的速度进行控制。在线不一定实时实时一定在线。计算机控制系统的组成模拟、数字混合系统便于修改控制规律可实现复杂的控制规律离散控制可分时控制多个回路便于实现控制与管理一体化计算机控制系统的特点)系统结构上的特点:此外由于多数系统的被控对象及执行部件、测量部件是连续模拟式的因此还必须加入信号变换装置(如AD及DA变换器)。所以计算机控制系统通常是模拟与数字部件的混合系统。计算机控制系统必须包括有计算机它是一个数字式离散处理器。)信号形式上的特点控制对象中各点信号一般均为连续模拟信号由于计算机是串行工作的必须按一定的采样间隔(称为采样周期)对连续信号进行采样将其变成时间上是断续的信号才能进入计算机。所以它除有连续模拟信号外还有离散模拟、离散数字、连续数字等信号形式是一种混合信号形式系统。在连续控制系统中控制器通常都是由不同的电路构成并且一台控制器仅为一个控制回路服务。在计算机控制系统中一台计算机可同时控制多个被控量或被控对象即可为多个控制回路服务。每个控制回路的控制方式由软件来形成。同一台计算机可以采用串行或分时并行方式实现控制。)系统工作方式上的特点)控制品质高由于计算机的运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大容量的存储能力因此能实现复杂的控制规律如最优控制、自适应控制及自学习等从而可达到较高的控制质量。这些均是常规仪表组成的连续控制系统难于实现的!)性价比高尽管一台计算机最初投资较大但增加一个控制回路的费用却很少。一台计算机却可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路。对于连续系统模拟硬件的成本几乎与控制规律复杂程度、控制回路多少成正比)适应性强灵活性高计算机本身是一种可编程的智能元件易于修改系统功能和特性构成了一种柔性(弹性)系统。由于计算机控制系统的控制规律是由软件程序实现的并且计算机具有强大的记忆和判断功能所以极易实现工作状态的转换实现不同的控制功能。)缺点随着微电子技术的发展大规模集成电路的出现计算机体积减小重量轻、成本下降随着对自动控制系统功能要求的不断提高计算机控制系统的优越性表现得越来越突出。•由于系统中插入数字部件信号复杂给设计实现带来一定困难•初期投资大计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关不同的被控对象和不同的要求应有不同的控制方案。或者说:由于AD、DA通道的形式不同以及计算机在系统中的地位、作用不同计算机控制系统的形式也是多种多样。系统的典型类型•操作指导控制系统•直接数字控制系统•计算机监督控制系统•集散控制系统•现场总线控制系统•工业过程计算机集成制造系统.操作指导控制系统(OperationalGuideControlOGC)图操作指导系统结构图它主要是侧重数据采集、处理并为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据以及操作指导信息。这种系统主要是完成“数据采集与处理”不需要完成“控制”功能。所以严格地讲:这种形式的系统不能算是“计算机控制系统”。所以通常这种系统也称为“数据采集系统DAS”(DataAcquisitionSystem)。或称为“计算机辅助测试系统CAT”(ComputerAssistantTesting)这种系统特点是原系统不需作大的改造只需在原系统上独立地加一套测试系统即可。因此结构简单、实施方便、效益显著。.直接数字控制系统(DirectDigitalControlDDC)计算机首先通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)实时采集数据然后按照一定的控制规律进行计算最后发出控制信息并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。在该系统中计算机参与了对数据的采集、控制决策、控制输出三个基本功能同时还负责报警、打印、显示和接收操作指令。DDC系统属于计算机闭环控制系统是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。为了充分发挥计算机的利用率一台计算机通常要控制几个或几十个回路那就要合理地设计应用软件使之不失时机地完成所有功能。需要注意的是:对一些关键的控制回路往往设计为计算机控制与仪表控制相结合的形式以提高整个系统的可靠性。.计算机监督控制系统(SupervisoryComputerControlSCC)()SCC模拟调节器控制系统SCC共有两种结构形式:该系统是由计算机系统对各物理量进行巡回检测并按一定的数学模型对生产工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给定值(如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等)送给调节器使工况保持在最优状态。当SCC计算机出现故障时可由模拟调节器独立完成操作。该系统与“操作指导控制系统ODC的”区别是:后者计算机系统主要完成数据采集与处理一般不需要对数据进行复杂的工艺分析与计算。而前者主要完成工艺分析与计算并给出给定值。()SCCDDC控制系统这实际上是一个二级控制系统SCC可采用高档计算机它与DDC之间通过通信接口进行通信联系。SCC计算机可完成工段、车间高一级的最优化分析和计算并给出最优给定值送给DDC级执行过程控制。当DDC级计算机出现故障时可由SCC计算机完成DDC的控制功能使系统可靠性得到提高。作为SCC的计算机一般均采用高档计算机或工作站要求数据处理功能强、存储容量大对工业现场的抗干扰能力倒不一定很强。分级计算机控制系统(集散控制系统(DistributedControlSystemDCS))优点:功能强大、性能优越、技术成熟软件支持广泛。缺点:系统比较复杂成本较高。一般适合于大型测控系统。系统分为三个层次进行控制:系统的设计原则:DCS集计算机技术、控制技术、通讯网络技术、生产工艺为一体是综合技术的集成。从某种意义上说已不是单纯的计算机控制技术或者说是广义的计算机控制技术。DCS最明显的特征是:)DCS计算机系统)网络分级结构)专用软件平台。现场总线控制系统(FieldbusControlSystemFCS)FCS系统实物图FCS系统出现的理由:)虽然DCS系统功能强大但由于分散过程级仍使用传统的模拟量(~mA电流或~V电压)传送抗干扰能力差)所有的变送器均要将信号集中到控制器或控制站当控制采样点较多时接线工作量很大而且不利于检修和调试)DCS系统采用三层结构系统成本较高且各厂商的DCS有各自的标准不能互联。FCS系统的特点:)一对通信线可连接多台仪表安装调试方便而且电缆本身供电)从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统可靠性高)现场设备的高度智能化现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备和仪表中仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。FCS常用标准:)FF现场总线基金标准)CAN控制器局域网络(德国))LONWORKS局部操作网络(美国))PROFIBUS过程现场总线(德国))HART可寻址远程传感器数据通路(美国)目前FCS的标准有多种其中在我国使用较多的有如下几种:FCS的出现对自动控制领域来说是一次巨大的变革也对现有控制系统的结构、控制策略等方面产生深远的影响。由于各集团、国家在技术和市场利益上的冲突目前仍存在多种标准尚未统一因此阻碍了现场总线技术的发展。工业过程计算机集成制造系统随着工业生产过程规模的日益复杂与大型化现代化工业要求计算机系统不仅要完成直接面向过程的控制和优化任务而且要在获取生产全部过程尽可能多的信息基础上进行整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理。由于自动化技术、计算机技术、数据通信等技术的发展已完全可以满足上述要求能实现这些功能的系统称之为计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystemCIMS)。当CIMS用于流程工业时简称为流程CIMS或CIPS(ComputerIntegratedProcessingSystem)。计算机控制理论对计算机控制系统的分析和设计不只是简单地推广连续系统的理论同时也需要一些专门理论来对它进行研究。计算机控制系统理论主要包括离散系统理论、采样系统理论及数字系统理论。离散系统理论采样系统理论离散系统理论差分方程及z变换理论常规设计方法极点配置设计法最优设计方法系统辨识及自适应控制采样系统理论采样系统理论除了包括离散系统的理论外还包括以下一些内容:采样理论连续模型及性能指标的离散化采样控制系统的仿真采样周期的选择数字信号整量化效应的研究如量化误差、非线性特性的影响等计算机控制系统应用实例卫星模型直流伺服电机模型工业机器人模型卫星模型卫星模型常应用于卫星姿态控制系统中。卫星常要求进行姿态控制以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位。为此需要利用推进器对三个轴进行姿态控制分别控制卫星的偏离角、倾斜角和转动角。图卫星结构图直流伺服电机模型直流伺服电机最常用的控制方式是电枢控制即励磁绕组加恒定励磁电压电枢绕组加控制电压当负载转矩恒定时电枢的控制电压升高电动机的转速就升高反之减小电枢控制电压电动机的转速就降低改变控制电压的极性电机就反转控制电压为零电机就停转故可实现对被控对象的机械运动的快速控制。图直流伺服电机结构图工业机器人模型工业机器人被广泛应用于工业过程控制成为制造业生产自动化中非常重要的机电一体化设备。图工业机器人结构示意图工业机器人模型工业机器人可以理解为:拟人手臂、手腕和手功能的机械电子装置它可把任一物件或工具按空间位姿的时变要求进行移动从而完成某一工业生产的作业要求。图机械臂关节结构示意图图机械臂关节模型计算机控制系统的发展计算机控制系统的发展过程计算机控制系统的发展趋势计算机控制系统的发展过程年世界上第一台电子计算机世纪年代末计算机控制系统投入实际应用世纪年代末小型计算机年微型计算机以单片机为代表分级计算机控制、集散控制系统、集成制造系统(CIMS)基于网络的控制技术(简称网络控制)计算机控制系统的发展趋势可编程控制器嵌入式系统集散控制系统现场总线控制系统计算机集成制造系统网络控制系统可编程控制器在制造业的自动化生产线上各道工序都是按规定的时间和条件顺序执行的对这种自动化生产线进行控制的装置称为顺序控制器。随着大规模集成电路和微处理器在顺序控制器中的应用顺序控制器开始采用类似微型计算机的通用结构把程序存储在存储器中用软件实现开关量的逻辑运算、延时等过去用继电器完成的功能形成了可编程逻辑控制器PLC。嵌入式系统嵌入式系统(EmbeddedSystem)以计算机技术为基础是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统嵌入的本质是将一个微型计算机嵌入到一个具体应用对象体系中去。集散控制系统目前在过程控制领域集散控制系统技术已日趋完善而逐渐成为被广泛使用的主流系统。集散控制系统发展初期是以实现分散控制为主而进入世纪年代以后集散控制系统的技术重点转向全系统信息的综合管理因其具有分散控制和综合管理两方面特征故称为分散型综合控制系统简称为集散控制系统。现场总线控制系统现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片数字化仪表(设备)在现场实现彻底分散控制并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点将这些点以总线形式连接起来形成一个现场总线控制系统。计算机集成制造系统计算机集成制造系统CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上通过计算机及其软件将工厂中的全部生产环节包括产品设计、生产规划、生产控制、生产设备、生产过程等所需使用的各种分散的自动化系统有机地集成起来消除“自动化孤岛”实现多品种、中小批量生产的总体高效率、高柔性的智能制造系统。网络控制系统网络控制(InternetBasedControl)系统是以网络为媒介对被控对象实施远程遥控制、遥操作的一种新兴的计算机控制系统。网络控制技术的发展与网络技术、计算机应用技术、嵌入式应用技术和控制理论与应用技术的发展息息相关。网络控制已经引起了各方面的广泛关注。Thankyou!

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