燕山大學自動化系

第一章緒論

Introduction燕山大學自動化系1/15/20231本章主要內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)的一般概念計算機控制系統(tǒng)的組成及特點計算機控制系統(tǒng)的分類計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢1/15/20232第一節(jié)Unit1計算機控制概述IntroductionofComputerControlSystem燕山大學自動化系1/15/20233本節(jié)主要內(nèi)容計算機控制系統(tǒng)的一般概念計算機控制系統(tǒng)的組成1/15/202341-1-1概述（1）常規(guī)控制系統(tǒng)的工作原理模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)被控對象測量變送器設(shè)定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a單回路常規(guī)控制系統(tǒng)示意圖ym按偏差e進行控制，目的是減少或消除偏差。1/15/202351-1-1概述（2）計算機控制系統(tǒng)的工作原理u計算機保持器廣義對象測量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b單回路計算機控制系統(tǒng)示意圖ym采樣器A/DD/A計算機系統(tǒng)設(shè)定值r1/15/202361）在線方式和離線方式★在線方式或聯(lián)機方式：生產(chǎn)過程和計算機直接連接，并受計算機控制的方式。★離線方式或脫機方式：生產(chǎn)過程不和計算機相連，且不受計算機控制，而是靠人進行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式。2）實時的含義★實時：是指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成。★實時控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。1/15/202371-1-2信號特點（1）計算機控制系統(tǒng)的信號形式連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器

A/D計算機

A/D保持器y(t)y*(t)

y(kT)

u(kT)

u*(kT)

u(t)1/15/202381-1-2信號特點（2）計算機控制系統(tǒng)的采樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過程信號信號通過采樣器采樣后的信號過程信號采樣過程示意圖1/15/202391-1-2信號特點（3）

信號的保持目的：是將離散采樣信號恢復(fù)為被控對象能夠感知的連續(xù)模擬信號方法：采用保持器常用的保持器：零階、一階及高階

1/15/2023101-1-2信信號特點（（4）零階保持器恢恢復(fù)信號的示示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復(fù)信號yh(t)零階保持器算算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡簡單地外推，，故只有當T足夠小時，，零階保持器器才能較好地地恢復(fù)原信號號。12/31/2022111-1-3計計算機控制制系統(tǒng)的組成成及作用軟件部分計算機控制系統(tǒng)

硬件部分控制計算機主機、外設(shè)、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人—機聯(lián)系設(shè)備、通信設(shè)備

現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等）

操作系統(tǒng)、匯編或高級語言、過程控制語言通信網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等

系統(tǒng)軟件

應(yīng)用軟件

過程輸入/輸出程序、過程控制程序、人機接口程序、打印顯示程序、各種公共子程序、歷史數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫計算機控制系系統(tǒng)的組成示示意圖12/31/202212圖1-4微微型計算機機控制系統(tǒng)原原理圖12/31/202213★主機機中央央處處理理器器（（CPU））內(nèi)存存儲儲器器(RAM和和ROM)★接口口電電路路:主機機與與外外部部設(shè)設(shè)備備、、輸輸入入輸輸出出通通道道進進行行信信息息交交換換的的橋橋梁梁★過程程輸輸入入/輸輸出出通通道道模擬擬量量輸輸入入通通道道模擬擬量量輸輸出出通通道道開關(guān)關(guān)量量輸輸入入通通道道開關(guān)關(guān)量量輸輸出出通通道道★外部部設(shè)設(shè)備備★操作作臺臺輸入入設(shè)設(shè)備備輸出出設(shè)設(shè)備備外存存儲儲器器（CRT））顯顯示示器器或或(LED)數(shù)數(shù)碼碼顯顯示示器器鍵盤盤（（功功能能鍵鍵和和數(shù)數(shù)字字鍵鍵））12/31/202214高可可靠靠性性和和可可維維護護性性環(huán)境境的的適適應(yīng)應(yīng)性性強強控制制的的實實時時性性較完完善善的的輸輸入入輸輸出出通通道道較豐豐富富的的軟軟件件1-1-4工工業(yè)業(yè)控控制制機機的的特特點點12/31/202215第二二節(jié)節(jié)Unit2計算算機機控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分類類及及典典型型系系統(tǒng)統(tǒng)簡簡介介浙江江大大學學控控制制科科學學與與工工程程學學系系12/31/202216本節(jié)主主要內(nèi)內(nèi)容操作指指導(dǎo)系系統(tǒng)直接數(shù)數(shù)字控控制系系統(tǒng)監(jiān)督控控制系系統(tǒng)分級計計算機機控制制系統(tǒng)統(tǒng)典型的的計算算機控控制系系統(tǒng)12/31/202217操作指指導(dǎo)系系統(tǒng)1-2-1計計算機機控制制系統(tǒng)統(tǒng)的分分類優(yōu)點:控制制安全全,具具有一一定智智能.缺點:速度度慢,誤差差大.適用:新的的算法法的設(shè)設(shè)計12/31/202218直接數(shù)數(shù)字控控制（（DDC））系統(tǒng)統(tǒng)1-2-2計計算機機控制制系統(tǒng)統(tǒng)的分分類直接數(shù)字控制(DDC)計算機CRT打印機報警操作臺過程輸入通道

測量變送測量變送被控生產(chǎn)過程過程輸出通道執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)………………特點:取代代模擬擬器,使用用復(fù)雜雜的控控制規(guī)規(guī)律要求:計算算機實實時性性好,可靠靠性高高,適適應(yīng)性性強12/31/2022191-2-3計算機機監(jiān)督督系統(tǒng)統(tǒng)（SCC）計算機機監(jiān)督督系統(tǒng)統(tǒng)（SupervisoryComputerControl））簡稱稱SCC系系統(tǒng)。。SCC系統(tǒng)統(tǒng)有兩兩種不不同的的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式式。一一種是是SCC+模擬擬調(diào)節(jié)節(jié)器，，另一一種是是SCC+DDC控控制系系統(tǒng)。。（1））SCC+模擬擬調(diào)節(jié)節(jié)器控控制系系統(tǒng)（2））SCC+DDC控控制系系統(tǒng)12/31/202220監(jiān)督控控制（（SCC））系統(tǒng)統(tǒng)計算機機控制制系統(tǒng)統(tǒng)的分分類監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC計算機或調(diào)節(jié)器輸入通道輸出通道被控生產(chǎn)過程操作臺輸入通道12/31/2022213．監(jiān)督控控制系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl—SCC）DDC計算機生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調(diào)節(jié)器生產(chǎn)過程SSC計算機記錄顯示打印調(diào)節(jié)測量設(shè)定值(a)工藝數(shù)據(jù)12/31/202222操作指導(dǎo)控控制系統(tǒng)、、DDC、、SCC比比較系統(tǒng)類別結(jié)構(gòu)特點計算機功能

給定值

系統(tǒng)狀態(tài)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)輸入通道處理數(shù)據(jù)

DDC輸入/輸出通道直接參與控制預(yù)先設(shè)定

不在最優(yōu)工況

SCC

兩級計算機

直接參與控制

在線修改最優(yōu)工況

12/31/2022231-2-4．分級計算機機控制系統(tǒng)統(tǒng)分級計算機機控制系統(tǒng)統(tǒng)是一個四四級系統(tǒng)，，各級計算算機的功能能如圖所示示。裝置控制級級（DDC級）車間監(jiān)督級級（SCC級）工廠集中控控制級（MIS）企業(yè)管理級級（MIS）12/31/202224圖分分級計計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)返回本節(jié)節(jié)12/31/2022251-2-5．典型的計計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)1.計算機過過程控制制系統(tǒng)對溫度,壓力,質(zhì)量,液面,速度等等生產(chǎn)過過程參數(shù)數(shù)進行測測量與控控制的,這種系系統(tǒng)稱為為過程控控制系統(tǒng)統(tǒng),主控控設(shè)備采采用計算算機則為為計算機機過程系系統(tǒng).大大多數(shù)的的化工生生產(chǎn)過程程均屬于于這類系系統(tǒng).12/31/2022262.微機控制制的電動動機調(diào)速速系統(tǒng)3.采采用微微機的順順序控制制系統(tǒng)順序控制制是使生生產(chǎn)機械械或生產(chǎn)產(chǎn)過程按按預(yù)先規(guī)定的時時序或事事序,而而順序進進行控制制的自動動控制系統(tǒng)統(tǒng).如:PLC控制系系統(tǒng)4.計計算機機數(shù)字程程序控制制系統(tǒng)常用的數(shù)數(shù)控機床床:點控控和線控控5.工工業(yè)機機器人12/31/202227現(xiàn)代所說說的機器器人大多多指的是是工業(yè)機機器人，，是一種能自動動定位控控制，可可重復(fù)編編程、多多功能、、多自由度的操操作機。。1954年美國的的Devol最早提出出了工業(yè)機器人人思想，，并申請請了專利利，該專專利的要要點是借助伺服服技術(shù)控控制機器器人的關(guān)關(guān)節(jié)，利利用人手手對機器人實行行動作示示教，機機器人能能實現(xiàn)動動作的記記錄和再現(xiàn)，這這就是所所謂的示示教再現(xiàn)現(xiàn)機器人人。在此此基礎(chǔ)上，1958年美國Consolidated公司制作作了第一一臺工業(yè)機器人人，作為為機器人人產(chǎn)品出出售的最最早的實實用機型是1962年美國的的AMF公司推出出的Verstran和Unimation公司推出出的UNIMATE（如圖所所示）。。12/31/202228第一臺工業(yè)機機器人UNIMATE12/31/2022291970年以后機器人人的研究得到到了迅速廣泛泛的普及，1970年在美國召開開了第一屆國國際工業(yè)機器器人學術(shù)會議議，1973年在意大利召召開了第一屆屆RMS，辛辛那提.米拉克隆公司司于1973年制成了第一一臺由小型計計算機控制的的工業(yè)機器人人T3，它是液壓驅(qū)驅(qū)動的，能提提升的有效負負載達45Kg。12/31/202230工業(yè)機器人T312/31/2022311979年Unimation公司推出了Puma系列工業(yè)機器器人，它是全全電驅(qū)動關(guān)節(jié)節(jié)式結(jié)構(gòu)，多多CPU兩級微機控制制，采用VAL專用語言并可可配置視覺、、觸覺、力覺覺傳感器，是是技術(shù)較為先先進的機器人人.12/31/202232工業(yè)機器人人Puma12/31/202233同年日本山山梨大學的的牧野洋研研制成具有有平面關(guān)節(jié)節(jié)的SCARA型機器人，，由于簡單單、精確，，在插裝電電子元器件件等許多工工作上得到到了廣泛的的應(yīng)用。12/31/202234SCARA型機器人12/31/202235計算機技術(shù)術(shù)和人工智智能技術(shù)的的迅速發(fā)展展使機器人人在功能和技技術(shù)層次上上有了很大大提高。到到目前為止止，機器人已已進入了第第三代：智智能化的高高級機器人人，具有感覺覺、思考、、決策和動動作能力的的機器人系系統(tǒng)，這類機機器人目前前還處于研研究開發(fā)階階段；第一一代工業(yè)機器器人主要是是指示教再再現(xiàn)控制的的操作機器器人，目前國國內(nèi)外工業(yè)業(yè)應(yīng)用中的的機器人絕絕大多數(shù)都都是這一類；；第二代工工業(yè)機器人人具有感受受功能，是是具有光覺、、視覺、力力覺、觸覺覺、聲覺、、語音識別別等功能的工工業(yè)機器人人，12/31/202236此時工業(yè)機機器人可以以根據(jù)感受受信息調(diào)整整控制算法，這這類工業(yè)機機器人已經(jīng)經(jīng)在實驗室室內(nèi)研制成功并并開始得到到試用，但但由于成本本較高，其工業(yè)業(yè)應(yīng)用的普普及還要有有一個過程程。12/31/202237我國工業(yè)機機器人我國工業(yè)機機器人起步步于70年代初期，，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大大致經(jīng)歷了了3個階段：70年代的萌芽芽期，80年代的開發(fā)發(fā)期和90年代的適用用化期。70年代世界上工業(yè)機機器人應(yīng)用用掀起一個個高潮，尤尤其在日本本發(fā)展更為迅迅猛，它補補充了日益益短缺的勞勞動力。在在這種背景下下，我國于于1972年開始研制制自己的工工業(yè)機器人。80年代，我國國完成了示示教再現(xiàn)式式工業(yè)機器人成套技技術(shù)的開發(fā)發(fā)，研制出出了噴涂、、點焊、弧弧焊和搬運機機器人。12/31/2022381986年國國家家高高技技術(shù)術(shù)研研究究發(fā)發(fā)展展計計劃劃(863計劃劃)開始始實施施，，智智能能機機器器人人主主題題跟跟蹤蹤世世界界機機器器人人技技術(shù)術(shù)的的前前沿，，經(jīng)經(jīng)過過幾幾年年的的研研究究，，取取得得了了一一大大批批科科研研成成果果，，成功功地地研研制制出出了了一一批批特特種種機機器器人人。。90年代代初初期期我我國的的工工業(yè)業(yè)機機器器人人又又在在實實踐踐中中邁邁進進一一大大步步，，先先后后研研制出出了了點點焊焊、、弧弧焊焊、、裝裝配配、、噴噴漆漆、、切切割割、、搬搬運運、、包裝裝碼碼垛垛等等各各種種用用途途的的工工業(yè)業(yè)機機器器人人，，并并實實施施了了一一批機機器器人人應(yīng)應(yīng)用用工工程程，，形形成成了了一一批批機機器器人人產(chǎn)產(chǎn)業(yè)業(yè)化化基基地，，為為我我國國機機器器人人產(chǎn)產(chǎn)業(yè)業(yè)的的騰騰飛飛奠奠定定了了基基礎(chǔ)礎(chǔ)。。12/31/202239在工工業(yè)業(yè)機機器器人人方方面面，，我我國國已已具具有有獨獨立立設(shè)設(shè)計計和開發(fā)機機器人本本體和控控制器的的能力，，又經(jīng)歷“八五五”攻關(guān)關(guān)，逐步步開展機機器人的的應(yīng)用工工程開發(fā)，，開始了了機器人人噴漆線線、機器器人點焊、弧焊焊工作站站的開發(fā)發(fā)和應(yīng)用用。在智智能機器人和特特種機器器人的研研究和開開發(fā)方面面，國家“863”計劃在在第一階階段作為為高技術(shù)術(shù)跟蹤的的目標，重重點發(fā)展展了在惡惡劣環(huán)境境下的工工作機器人、精精密裝配配機器人人及裝配配系統(tǒng)。。12/31/202240研制了水水下1000米無纜機機器人和和6000米無纜機器人人，進行行了太平平洋洋底底探測試試驗；開發(fā)了用用于核工工業(yè)的遙遙控移動動機器人人和爬壁機器人人，以及及在室外外惡劣環(huán)環(huán)境下進進行探測的機器器人。這這些機器器人都是是在良好好的人機界面下下，以遙遙控為主主，具有有一定的的自主能力。12/31/202241在裝配機機器人方方面，研研制了高高精度裝裝配機器器人和實實用機器器人，研研制了風風扇電機機裝配系系統(tǒng)，這這些系統(tǒng)統(tǒng)的研究究和開發(fā)發(fā)，使我我國在智智能機器器人方面面的技術(shù)術(shù)向前邁邁進了一一大步。。從第一臺臺機器人人問世，，至今已已經(jīng)有40多年的歷歷史，伴伴隨時代代的脈搏搏，機器器人在經(jīng)經(jīng)歷了70年代進入入工業(yè)應(yīng)應(yīng)用，80年代初中中期的迅迅速發(fā)展展之后，，80年代后期期和90年代進入入了新的的發(fā)展階階段，到到2000年服役機機器人約約100萬臺，機機器人學學仍然保保持較好好的發(fā)展展勢頭，，滿懷希希望跨入入了21世紀。12/31/202242第三節(jié)Unit3微型計算算機控制制系統(tǒng)的的發(fā)展趨趨勢燕山大學學自動化化系12/31/2022431-3-1DCS的的特點(分散型控控制系統(tǒng)統(tǒng)（DistributedControlSystems））獨立性協(xié)調(diào)性性友好性性適應(yīng)性性、靈靈活性性和可可擴充充性實時性性可靠性性12/31/20224412/31/202245集散控控制系系統(tǒng)是是分散散型綜綜合控控制系系統(tǒng)（（TotalDistributedControlSystems））或分分散型型微處處理器器控制制系統(tǒng)統(tǒng)（DistributedMicroprocessorControlSystems））的簡簡稱。。圖是集集散控控制系系統(tǒng)的的組成成框圖圖。1-3-1分散性性綜合合控制制系統(tǒng)統(tǒng)1-3-1分散性性綜合合控制制系統(tǒng)統(tǒng)12/31/202246圖分散性性綜合合組成框框圖返回本本節(jié)它以微微型計計算機機為核核心，，把微微型機機、工工業(yè)控控制計計算機機、數(shù)數(shù)據(jù)通通信系系統(tǒng)、、顯示示操作作裝置置、輸輸入/輸輸出通通道、、模擬擬儀表表等有有機地地結(jié)合合起來來，采采用組組合組組裝式式結(jié)構(gòu)構(gòu)組成成系統(tǒng)統(tǒng)，為為實現(xiàn)現(xiàn)工程程大系系統(tǒng)的的綜合合自動動化創(chuàng)創(chuàng)造了了條件件。12/31/2022471-3-2計算機集成成控制系統(tǒng)統(tǒng)（（CIMS/CIPS）

經(jīng)營決策企業(yè)管理生產(chǎn)調(diào)度過程優(yōu)化過程控制第五層：企業(yè)決策，生產(chǎn)規(guī)劃第四層：供銷,財務(wù),計劃,管理等第三層：生產(chǎn)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進控制，過程優(yōu)化第一層：單元自動化,簡單控制生產(chǎn)過程

流程CIMS的遞階控制示意圖12/31/202248計算機控制制系統(tǒng)舉例例例1-1衛(wèi)星星姿態(tài)控制制運行中的衛(wèi)衛(wèi)星經(jīng)常要要求對其姿姿態(tài)進行控控制，以使使它的天線線和傳感器器相對于地地球具有適適當?shù)姆轿晃?。為此，，計算機往往往對三個個軸分時地地進行姿態(tài)態(tài)控制。圖圖1-6畫畫出了一一個軸的運運動情況。。假設(shè)只允允許繞垂直直于本書頁頁面的軸進進行旋轉(zhuǎn)，，該系統(tǒng)的的運動方程程如下：衛(wèi)星姿態(tài)控控制系統(tǒng)框框圖式中：I是是衛(wèi)星圍繞繞其質(zhì)量中中心的慣性性矩；MC是由助推推器加上的的控制轉(zhuǎn)矩矩；MD是是擾動力矩矩；θ是衛(wèi)衛(wèi)星軸相對對于基準線線的角。12/31/202249由運動方程程求傳遞函函數(shù)令可得上式的拉氏變換為如果不考慮擾動(wd(s)=0)，則其傳遞函數(shù)為：12/31/202250天線方位控控制伺服系系統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤天天線的仰角角控制(見見右圖)假設(shè)天線及及其可動部部分具有慣慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直直流驅(qū)動電電機的反電電勢及由于于軸承和空空氣動力摩摩擦產(chǎn)生了了阻尼，其其阻尼系數(shù)數(shù)為B，則則運動方程程為：式中：Tc是驅(qū)動電機機產(chǎn)生的純純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風時的的擾動轉(zhuǎn)矩矩。天線示意圖如果我們定義：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，則方程化簡為：12/31/202251其拉拉氏氏變變換換式式為為如果不考慮擾動(w(s)=0)，則其傳遞函數(shù)為：12/31/202252工業(yè)業(yè)爐爐控控制制工業(yè)業(yè)爐爐的的典典型型控控制制工業(yè)業(yè)爐爐控控制制的的典典型型情情況況。。為了了保保證證燃燃料料在在爐爐膛膛內(nèi)內(nèi)正正常常燃燃燒燒，，必必須須保保持持燃燃料料和和空空氣氣的的比比值值恒恒定定。。它它可可以以防防止止空空氣氣太太多多時時，，過過剩?？湛諝鈿鈳ё咦叽蟠罅苛繜釤崃苛?；；也也可可防防止止當當空空氣氣太太少少時時，，由由于于燃燃料料燃燃燒燒不不完完全全而而產(chǎn)產(chǎn)生生許許多多一一氧氧化化碳碳或或碳碳黑黑。。為了了保保持持所所需需的的爐爐溫溫，，將將測測得得的的爐爐溫溫送送入入計計算算機機計計算算，，進進而而控控制制燃燃料料和和空空氣氣閥閥門門的的開開度度。。為了了保保持持爐爐膛膛壓壓力力恒恒定定，，避避免免在在壓壓力力過過低低時時從從爐爐墻墻的的縫縫隙隙處處吸吸入入大大量量過過剩?？湛諝鈿?，，或或在在壓壓力力過過高高時時大大量量燃燃料料通通過過縫縫隙隙逸逸出出爐爐外外，，必必須須采采用用壓壓力力控控制制回回路路。。測測得得的的爐爐膛膛壓壓力力送送入入計計算算機機，，進進而而控控制制煙煙道道出出口