燕山大學(xué)自動(dòng)化系

第一章緒論

Introduction燕山大學(xué)自動(dòng)化系1/18/20241第一章緒論本章主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的普通概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)展概略與趨勢(shì)1/18/20242第一章緒論第一節(jié)Unit1計(jì)算機(jī)控制概述IntroductionofComputerControlSystem燕山大學(xué)自動(dòng)化系1/18/20243第一章緒論本節(jié)主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的普通概念計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成1/18/20244第一章緒論1-1-1概述〔1〕常規(guī)控制系統(tǒng)的任務(wù)原理模擬調(diào)理器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象丈量變送器設(shè)定值reu被調(diào)參數(shù)y圖a單回路常規(guī)控制系統(tǒng)表示圖ym按偏向e進(jìn)展控制，目的是減少或消除偏向。1/18/20245第一章緒論1-1-1概述〔2〕計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)原理u計(jì)算機(jī)堅(jiān)持器廣義對(duì)象丈量變送器e(kT)u(kT)被調(diào)參數(shù)y圖b單回路計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)表示圖ym采樣器A/DD/A計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定值r1/18/20246第一章緒論1〕在線方式和離線方式★在線方式或聯(lián)機(jī)方式：消費(fèi)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接銜接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式?！镫x線方式或脫機(jī)方式：消費(fèi)過(guò)程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)展聯(lián)絡(luò)并作相應(yīng)操作的方式。2〕實(shí)時(shí)的含義★實(shí)時(shí)：是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成?！飳?shí)時(shí)控制系統(tǒng)必定是在線系統(tǒng)。1/18/20247第一章緒論1-1-2信號(hào)特點(diǎn)〔1〕計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)方式延續(xù)模擬信號(hào):時(shí)間與幅值上均延續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬信號(hào):時(shí)間是離散的，幅值上延續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號(hào):時(shí)間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)采樣器A/D計(jì)算機(jī)A/D堅(jiān)持器y(t)y*(t)y(kT)u(kT)u*(kT)u(t)1/18/20248第一章緒論1-1-2信號(hào)特點(diǎn)〔2〕計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣過(guò)程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Ttτ原始過(guò)程信號(hào)信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣器采樣后的信號(hào)過(guò)程信號(hào)采樣過(guò)程表示圖1/18/20249第一章緒論1-1-2信號(hào)特點(diǎn)〔3〕

信號(hào)的堅(jiān)持目的：是將離散采樣信號(hào)恢復(fù)為被控對(duì)象可以感知的延續(xù)模擬信號(hào)方法：采用堅(jiān)持器常用的堅(jiān)持器：零階、一階及高階

1/18/202410第一章緒論1-1-2信號(hào)特點(diǎn)〔4〕

零階堅(jiān)持器恢復(fù)信號(hào)的表示圖6T4T2Tty采樣信號(hào)y(kT)原信號(hào)y(t)恢復(fù)信號(hào)yh(t)零階堅(jiān)持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡(jiǎn)單地外推，故只需當(dāng)T足夠小時(shí)，零階堅(jiān)持器才干較好地恢復(fù)原信號(hào)。1/18/202411第一章緒論

1-1-3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成及作用軟件部分計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分控制計(jì)算機(jī)主機(jī)、外設(shè)、系統(tǒng)總線消費(fèi)過(guò)程輸入輸出通道人—機(jī)聯(lián)絡(luò)設(shè)備、通訊設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)儀表〔丈量傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等〕操作系統(tǒng)、匯編或高級(jí)言語(yǔ)、過(guò)程控制言語(yǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)軟件、診斷程序等系統(tǒng)軟件運(yùn)用軟件過(guò)程輸入/輸出程序、過(guò)程控制程序、人機(jī)接口程序、打印顯示程序、各種公共子程序、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成表示圖1/18/202412第一章緒論圖1-4微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖1/18/202413第一章緒論★主機(jī)中央處置器〔CPU〕內(nèi)存儲(chǔ)器(RAM和ROM)★接口電路:主機(jī)與外部設(shè)備、輸入輸出通道進(jìn)展信息交換的橋梁★過(guò)程輸入/輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸出通道★外部設(shè)備★操作臺(tái)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器〔CRT〕顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器鍵盤(pán)〔功能鍵和數(shù)字鍵〕1/18/202414第一章緒論高可靠性和可維護(hù)性環(huán)境的順應(yīng)性強(qiáng)控制的實(shí)時(shí)性較完善的輸入輸出通道較豐富的軟件1-1-4工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)1/18/202415第一章緒論第二節(jié)Unit2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類及典型系統(tǒng)簡(jiǎn)介浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)系1/18/202416第一章緒論本節(jié)主要內(nèi)容操作指點(diǎn)系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)視控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1/18/202417第一章緒論操作指點(diǎn)系統(tǒng)1-2-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類優(yōu)點(diǎn):控制平安,具有一定智能.缺陷:速度慢,誤差大.適用:新的算法的設(shè)計(jì)1/18/202418第一章緒論直接數(shù)字控制〔DDC〕系統(tǒng)1-2-2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類直接數(shù)字控制(DDC)計(jì)算機(jī)CRT打印機(jī)報(bào)警操作臺(tái)過(guò)程輸入通道丈量變送丈量變送被控生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程輸出通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)………………特點(diǎn):取代模擬器,運(yùn)用復(fù)雜的控制規(guī)律要求:計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)性好,可靠性高,順應(yīng)性強(qiáng)1/18/202419第一章緒論1-2-3計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)〔SCC〕計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)〔SupervisoryComputerControl〕簡(jiǎn)稱SCC系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)有兩種不同的構(gòu)造方式。一種是SCC+模擬調(diào)理器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。〔1〕SCC+模擬調(diào)理器控制系統(tǒng)〔2〕SCC+DDC控制系統(tǒng)1/18/202420第一章緒論監(jiān)視控制〔SCC〕系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類監(jiān)視控制計(jì)算機(jī)(SCC)CRT打印機(jī)報(bào)警DDC計(jì)算機(jī)或調(diào)理器輸入通道輸出通道被控生產(chǎn)過(guò)程操作臺(tái)輸入通道1/18/202421第一章緒論3．監(jiān)視控制系統(tǒng)〔SupervisoryComputerControl—SCC〕DDC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)理丈量設(shè)定值(b)工藝數(shù)據(jù)模擬調(diào)理器生產(chǎn)過(guò)程SSC計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)理丈量設(shè)定值(a)工藝數(shù)據(jù)1/18/202422第一章緒論操作指點(diǎn)控制系統(tǒng)、DDC、SCC比較系統(tǒng)類別結(jié)構(gòu)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)

直接參與控制

在線修改最優(yōu)工況

1/18/202423第一章緒論1-2-4．分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)，各級(jí)計(jì)算機(jī)的功能如下圖。安裝控制級(jí)〔DDC級(jí)〕車間監(jiān)視級(jí)〔SCC級(jí)〕工廠集中控制級(jí)〔MIS〕企業(yè)管理級(jí)〔MIS〕1/18/202424第一章緒論圖分級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)前往本節(jié)1/18/202425第一章緒論1-2-5．典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1.計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)溫度,壓力,質(zhì)量,液面,速度等消費(fèi)過(guò)程參數(shù)進(jìn)展丈量與控制的,這種系統(tǒng)稱為過(guò)程控制系統(tǒng),主控設(shè)備采用計(jì)算機(jī)那么為計(jì)算機(jī)過(guò)程系統(tǒng).大多數(shù)的化工消費(fèi)過(guò)程均屬于這類系統(tǒng).1/18/202426第一章緒論2.微機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3.采用微機(jī)的順序控制系統(tǒng)順序控制是使消費(fèi)機(jī)械或消費(fèi)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的時(shí)序或事序,而順序進(jìn)展控制的自動(dòng)控制系統(tǒng).如:PLC控制系統(tǒng)4.計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)常用的數(shù)控機(jī)床:點(diǎn)控和線控5.工業(yè)機(jī)器人

1/18/202427第一章緒論現(xiàn)代所說(shuō)的機(jī)器人大多指的是工業(yè)機(jī)器人，是一種能自動(dòng)定位控制，可反復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)。1954年美國(guó)的Devol最早提出了工業(yè)機(jī)器人思想，并懇求了專利，該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人實(shí)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。在此根底上，1958年美國(guó)Consolidated公司制造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，作為機(jī)器人產(chǎn)品出賣的最早的適用機(jī)型是1962年美國(guó)的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE〔如下圖〕。1/18/202428第一章緒論第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE1/18/202429第一章緒論1970年以后機(jī)器人的研討得到了迅速?gòu)V泛的普及，1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議，1973年在意大利召開(kāi)了第一屆RMS，辛辛那提.米拉克隆公司于1973年制成了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人T3，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45Kg。1/18/202430第一章緒論工業(yè)機(jī)器人T31/18/202431第一章緒論1979年Unimation公司推出了Puma系列工業(yè)機(jī)器人，它是全電驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)式構(gòu)造，多CPU兩級(jí)微機(jī)控制，采用VAL公用言語(yǔ)并可配置視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)傳感器，是技術(shù)較為先進(jìn)的機(jī)器人.1/18/202432第一章緒論工業(yè)機(jī)器人Puma1/18/202433第一章緒論同年日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機(jī)器人，由于簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，在插裝電子元器件等許多任務(wù)上得到了廣泛的運(yùn)用。1/18/202434第一章緒論SCARA型機(jī)器人1/18/202435第一章緒論計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速開(kāi)展使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大提高。到目前為止，機(jī)器人已進(jìn)入了第三代：智能化的高級(jí)機(jī)器人，具有覺(jué)得、思索、決策和動(dòng)作才干的機(jī)器人系統(tǒng)，這類機(jī)器人目前還處于研討開(kāi)發(fā)階段；第一代工業(yè)機(jī)器人主要是指示教再現(xiàn)控制的操作機(jī)器人，目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)運(yùn)用中的機(jī)器人絕大多數(shù)都是這一類；第二代工業(yè)機(jī)器人具有感受功能，是具有光覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別等功能的工業(yè)機(jī)器人，1/18/202436第一章緒論此時(shí)工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)感受信息調(diào)整控制算法，這類工業(yè)機(jī)器人曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制勝利并開(kāi)場(chǎng)得到試用，但由于本錢(qián)較高，其工業(yè)運(yùn)用的普及還要有一個(gè)過(guò)程。1/18/202437第一章緒論我國(guó)工業(yè)機(jī)器人我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初期，經(jīng)過(guò)20多年的開(kāi)展，大致閱歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。70年代世界上工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用掀起一個(gè)高潮，尤其在日本開(kāi)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開(kāi)場(chǎng)研制本人的工業(yè)機(jī)器人。80年代，我國(guó)完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1/18/202438第一章緒論1986年國(guó)家高技術(shù)研討開(kāi)展方案(863方案)開(kāi)場(chǎng)實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過(guò)幾年的研討，獲得了一大批科研成果，勝利地研制出了一批特種機(jī)器人。90年代初期我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)際中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人運(yùn)用工程，構(gòu)成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了根底。1/18/202439第一章緒論在工業(yè)機(jī)器人方面，我國(guó)已具有獨(dú)立設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)機(jī)器人本體和控制器的才干，又經(jīng)歷“八五〞攻關(guān)，逐漸開(kāi)展機(jī)器人的運(yùn)用工程開(kāi)發(fā)，開(kāi)場(chǎng)了機(jī)器人噴漆線、機(jī)器人點(diǎn)焊、弧焊任務(wù)站的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用。在智能機(jī)器人和特種機(jī)器人的研討和開(kāi)發(fā)方面，國(guó)家“863〞方案在第一階段作為高技術(shù)跟蹤的目的，重點(diǎn)開(kāi)展了在惡劣環(huán)境下的任務(wù)機(jī)器人、精細(xì)裝配機(jī)器人及裝配系統(tǒng)。1/18/202440第一章緒論研制了水下1000米無(wú)纜機(jī)器人和6000米無(wú)纜機(jī)器人，進(jìn)展了太平洋洋底探測(cè)實(shí)驗(yàn)；開(kāi)發(fā)了用于核工業(yè)的遙控挪動(dòng)機(jī)器人和爬壁機(jī)器人，以及在室外惡劣環(huán)境下進(jìn)展探測(cè)的機(jī)器人。這些機(jī)器人都是在良好的人機(jī)界面下，以遙控為主，具有一定的自主才干。1/18/202441第一章緒論在裝配機(jī)器人方面，研制了高精度裝配機(jī)器人和適用機(jī)器人，研制了風(fēng)扇電機(jī)裝配系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的研討和開(kāi)發(fā)，使我國(guó)在智能機(jī)器人方面的技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。從第一臺(tái)機(jī)器人問(wèn)世，至今曾經(jīng)有40多年的歷史，伴隨時(shí)代的脈搏，機(jī)器人在閱歷了70年代進(jìn)入工業(yè)運(yùn)用，80年代初中期的迅速開(kāi)展之后，80年代后期和90年代進(jìn)入了新的開(kāi)展階段，到2000年服役機(jī)器人約100萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人學(xué)依然堅(jiān)持較好的開(kāi)展勢(shì)頭，滿懷希望跨入了21世紀(jì)。1/18/202442第一章緒論第三節(jié)Unit3微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)展趨勢(shì)燕山大學(xué)自動(dòng)化系1/18/202443第一章緒論1-3-1DCS的特點(diǎn)(分散型控制系統(tǒng)〔DistributedControlSystems〕獨(dú)立性協(xié)調(diào)性友好性順應(yīng)性、靈敏性和可擴(kuò)展性實(shí)時(shí)性可靠性1/18/202444第一章緒論1/18/202445第一章緒論集散控制系統(tǒng)是分散型綜合控制系統(tǒng)〔TotalDistributedControlSystems〕或分散型微處置器控制系統(tǒng)〔DistributedMicroprocessorControlSystems〕的簡(jiǎn)稱。圖是集散控制系統(tǒng)的組成框圖。1-3-1分散性綜合控制系統(tǒng)1-3-1分散性綜合控制系統(tǒng)1/18/202446第一章緒論圖分散性綜合組成框圖前往本節(jié)它以微型計(jì)算機(jī)為中心，把微型機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、顯示操作安裝、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，采用組合組裝式構(gòu)造組成系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化發(fā)明了條件。1/18/202447第一章緒論1-3-2計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)

〔CIMS/CIPS〕

運(yùn)營(yíng)決策企業(yè)管理消費(fèi)調(diào)度過(guò)程優(yōu)化過(guò)程控制第五層：企業(yè)決策，消費(fèi)規(guī)劃第四層：供銷,財(cái)務(wù),方案,管理等第三層：消費(fèi)調(diào)度，系統(tǒng)優(yōu)化第二層：先進(jìn)控制，過(guò)程優(yōu)化第一層：?jiǎn)卧詣?dòng)化,簡(jiǎn)單控制生產(chǎn)過(guò)程流程CIMS的遞階控制表示圖1/18/202448第一章緒論計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例例1-1衛(wèi)星姿態(tài)控制運(yùn)轉(zhuǎn)中的衛(wèi)星經(jīng)常要求對(duì)其姿態(tài)進(jìn)展控制，以使它的天線和傳感器相對(duì)于地球具有適當(dāng)?shù)姆轿?。為此，?jì)算機(jī)往往對(duì)三個(gè)軸分時(shí)地進(jìn)展姿態(tài)控制。圖1-6畫(huà)出了一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)情況。假設(shè)只允許繞垂直于本書(shū)頁(yè)面的軸進(jìn)展旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖式中：I是衛(wèi)星圍繞其質(zhì)量中心的慣性矩；MC是由助推器加上的控制轉(zhuǎn)矩；MD是擾動(dòng)力矩；θ是衛(wèi)星軸相對(duì)于基準(zhǔn)線的角。1/18/202449第一章緒論由運(yùn)動(dòng)方程求傳送函數(shù)令可得上式的拉氏變換為假設(shè)不思索擾動(dòng)(wd(s)=0)，那么其傳送函數(shù)為：1/18/202450第一章緒論天線方位控制伺服系統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤天線的仰角控制(見(jiàn)右圖)假設(shè)天線及其可動(dòng)部分具有慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反電勢(shì)及由于軸承和空氣動(dòng)力摩擦產(chǎn)生了阻尼，其阻尼系數(shù)為B，那么運(yùn)動(dòng)方程為：式中：Tc是驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風(fēng)時(shí)的擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩。天線表示圖假設(shè)我們定義：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，那么方程化簡(jiǎn)為：1/18/20245