控制與接口技術-引言

1、控制和介面技術，講師：葉春生，英特爾3360027-8758370，華中科技大學材料學院，控制和介面技術，第一章介紹第二章線性離散系統(tǒng)分析和修正第三章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和整合第四章STM32處理器和應用第五章CNC (CNC)系統(tǒng)和插補原理第六章數(shù)字控制機器例如，衛(wèi)星跟蹤天線控制、傳記傳動控制、數(shù)字控制機器、伺服壓力機、工業(yè)機器人運動、力控制系統(tǒng)、飛機、大型油輪的自動駕駛裝置等。2)許多常用的控制系統(tǒng)和調節(jié)器已被計算機取代，計算機控制著整個生產(chǎn)過程，對溫度、壓力、流量、液位、轉速、成分等生產(chǎn)的各種參數(shù)進行了采樣。3)復雜數(shù)據(jù)處理：生產(chǎn)流程的統(tǒng)計和數(shù)據(jù)處理，復雜生產(chǎn)流程的數(shù)值模擬，內容摘要，

2、控制基本復查1.1電腦控制系統(tǒng)的配置1.2通用電腦控制系統(tǒng)1.3現(xiàn)場巴士控制系統(tǒng)(FCS) 1.4電腦集成制造系統(tǒng)(CIMS) 1.5智能控制系統(tǒng)1.6機電一體化控制系統(tǒng)1.7產(chǎn)業(yè)控制電腦1.8總線控制系統(tǒng)的數(shù)學模型通過物理、化學、生物學等規(guī)律進行說明。例如機器系統(tǒng)的牛頓定律、傳記系統(tǒng)的克?；舴蚨傻榷际敲枋鱿到y(tǒng)模型的基本定律。自動控制系統(tǒng)，幾個茄子重要概念的回顧，數(shù)學模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學表示。數(shù)學模型可以有多種茄子形式。經(jīng)典理論中常用的數(shù)學模型有微方程、原理圖、信號流程圖等。現(xiàn)代控制理論使用狀態(tài)空間表示法。線路圖、信號流程圖、狀態(tài)圖是數(shù)學模型的圖形表現(xiàn)法。建立數(shù)學模型、數(shù)學模型、數(shù)學

3、模型，建立合理的數(shù)學模型，對系統(tǒng)分析研究至關重要。合理地包括兩個。(1)必須準確反映組件和系統(tǒng)的特性。(2)寫的數(shù)學式要簡潔?？刂葡到y(tǒng)數(shù)學模型的要求可以采用分析方法和實驗方法。分析方法根據(jù)系統(tǒng)和構件遵循的相關規(guī)律構建數(shù)學模型。用解釋法構建數(shù)學模型時，要非常熟悉其中反映的運動機制和科學規(guī)律，把握主要矛盾，無視次要矛盾，合理建立數(shù)學模型。實驗方法是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型。也就是說，人為地向系統(tǒng)添加某種測試信號，通過實驗獲得的輸入和輸出數(shù)據(jù)識別系統(tǒng)的結構、階數(shù)和參數(shù)的方法也成為系統(tǒng)識別。線性系統(tǒng)最重要的特性是可用的疊加原理。對于非線性系統(tǒng)，如果非線性不嚴重或變量變化范圍不大，則可以使用小偏差線性化

4、方法對數(shù)學模型進行線性化。解析法建立運動方程，用解析法建立運動方程的步驟1)分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)內變量之間的關系，以確定要研究的組件或系統(tǒng)的輸入量和輸出量。2)從輸入端開始(閉環(huán)系統(tǒng)通常從比較開始)，按照每個組件遵循的物理、化學、生物等規(guī)律編寫每個方程，但要注意負載效果。負荷效果是考慮下一步對上一級別的影響。3)求解所有方程，去掉中間變量，得到系統(tǒng)輸入輸出的標準方程。標準方程式包括三個茄子方面，將與輸入量相關的項目放在方程式的右側，將與輸出量相關的項目放在方程式的左側。每個派生項按平方排列。將方程式的系數(shù)參數(shù)化為具有實體意義的系數(shù)(透過元件或系統(tǒng)的參數(shù))。計算機模擬和輔助設計、電腦輔助設計

5、的概念計算機輔助設計(CAD)技術是利用計算機的快速準確計算能力、海量存儲和數(shù)據(jù)處理能力，結合設計師的綜合分析、邏輯判斷和創(chuàng)造性思維來加速設計過程、縮短設計周期和提高設計質量的技術。說明：電腦輔助設計從廣義上包含電腦仿真的內容，從狹義上說，主要任務是利用計算機的計算能力處理設計師手動處理的不便和麻煩。模擬的定義模擬的基本思想是使用物理或數(shù)學模型模仿實際過程，以尋找對實際過程的理解。它遵循的基本原則是相似性原理。電腦仿真的定義：基于建立的系統(tǒng)模擬模型，使用計算機分析和研究系統(tǒng)的方法。計算機模擬，相似原理，1.1電腦控制系統(tǒng)的配置，圖1-1電腦控制系統(tǒng)基本框，控制器，D/A，執(zhí)行機構，控制對象，測

6、量傳輸，A/D，電腦控制系統(tǒng)組件，2，電腦控制系統(tǒng)組件，CPU/MEM，人機介面，系統(tǒng)支持，內部巴士，模擬輸入通道(AI)，模擬輸入通道(AO)，數(shù)字輸出通道(DO)，數(shù)字輸出通道2一般電腦控制系統(tǒng)，包括目前常用的一般電腦控制系統(tǒng)(主要包括1)PC總線的卡和工業(yè)計算機組成的電腦控制系統(tǒng))2)數(shù)字調節(jié)器電腦控制系統(tǒng)；3)PLC電腦控制系統(tǒng)；4)嵌入式系統(tǒng)電腦控制系統(tǒng)；1基于PC巴士的主板工業(yè)電腦，產(chǎn)業(yè)控制電腦是用于測量和控制產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程、機械和傳記設備以及工藝設備的電腦，也就是工業(yè)計算機，是一款能夠在產(chǎn)業(yè)環(huán)境中可靠運行的增強型個人計算機。與普通微型計算機相比，工業(yè)計算機具有以下特點：(1)工業(yè)總

7、線設計，支持多種模塊化CPU卡和所有PCI/ISA巴士介面主板。(2)開放、相容性好，能吸收PC的所有功能，直接執(zhí)行PC上的各種應用程式軟體。(3)機箱使用完全剛性機架，防止電磁干擾。具有充分的負載驅動功能。機箱配備雙風扇、正壓對流排氣、防止灰塵的灰塵過濾器。典型應用節(jié)目，疊層制造系統(tǒng)(LOM)控制系統(tǒng)1)X、Y、Z 3軸由伺服電動機驅動。2)加熱輥、進紙、收紙裝置由異步電動機驅動。3)變位變速器和激光控制主要是A/D和D/A轉換。2數(shù)字調節(jié)器的電腦控制系統(tǒng)、數(shù)字調節(jié)器可以根據(jù)用途和性能分為節(jié)目控制器、可編程調節(jié)器、混合控制器、批量控制器等多種類型。硬件電路包括主機電路、進程輸入通道、進程輸出

8、通道、人機介面電路和通信介面電路。軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分。其特點包括計算控制功能、通過軟件實現(xiàn)所需功能、自我診斷功能、數(shù)字通信功能、相對好的人機介面、通過數(shù)字調節(jié)器的人機界面，使操作員可以輕松操作調節(jié)器。，數(shù)字調節(jié)器的應用節(jié)目，控制器具有一系列信息，如手、自動操作狀態(tài)、PID參數(shù)值、輸入和輸出值，并通過通信模塊設置控制器控制所需的信息，如操作狀態(tài)更改、參數(shù)設置等。3基于可編程控制器的電腦控制系統(tǒng)、可編程控制器(PLC)將電腦編程的靈活性、功能、應用節(jié)目范圍等優(yōu)點與繼電器系統(tǒng)的控制相結合，結合了易于使用、抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點。它本身體積小，重量輕，功耗小，因此可以在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程

9、中進行控制。PLC的特點是可靠性、功能、應用靈活性、系統(tǒng)設計、調試周期短，操作服務方便。PLC的主要缺點是，盡管某些大型PLC有很大的發(fā)展，但人機界面相對較差，數(shù)據(jù)存儲和管理能力差?？晒?jié)目控制器的應用節(jié)目，圖7-29機器人控制圖表，機器人控制的基本要求，按下啟動按鈕后，傳送帶A運行，直到光電開關PS檢測到物體為止，機器人不會停止工作，機器人會下落。落在原地，機器人鉗住物體，2s后開始上升，機器人保持鉗住。上升到原地左轉，左轉到原地，下降松開機械臂，2s后機械臂上升。上升后，傳送帶B開始工作，機器臂右轉，右轉，傳送帶B停止。此時，輸送機A不會停止循環(huán)，直到光電開關PS再次檢測到物體。為了確保機器

10、人動作正確，在機器手里安裝限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別使機器手臂脫落并上升?；谇度胧较到y(tǒng)的電腦控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的概念表明，嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個茄子主要特征：專業(yè)化、簡化設計、系統(tǒng)內核小、嵌入式軟件開發(fā)要標準化，必須使用多任務操作系統(tǒng)。為了提高運行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)的軟件通常固化在內存芯片或單個籌碼本身，而不是硬盤等載體上，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專業(yè)的開發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)的應用領域可以包括產(chǎn)業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡和電子商務、環(huán)境監(jiān)控、機器人等?；谇度胧较到y(tǒng)的硬件平臺體系結構、圖2.3嵌入式硬件平臺體系結構、嵌入式系統(tǒng)的LIN

11、通信、嵌入式LIN通信、嵌入式系統(tǒng)的CAN通信、嵌入式CAN通信、嵌入式系統(tǒng)的電動機控制、嵌入式電動機控制、1.3現(xiàn)場巴士電腦控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線是90年代初期出現(xiàn)的高級產(chǎn)業(yè)控制技術電腦技術、通信技術和控制技術的綜合集成將通信線路擴展到生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)設備，即用于流程自動化和制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡。將現(xiàn)有的DCS三層網(wǎng)絡結構轉換為兩層網(wǎng)絡結構電腦工作站現(xiàn)場巴士智能現(xiàn)場儀表，以降低成本、提高可靠性，并實現(xiàn)控制管理集成的結構體系結構。目前各種現(xiàn)場巴士產(chǎn)品有40多種。電腦控制系統(tǒng)的發(fā)展過程、現(xiàn)場總線的特點、通信線路電源：通信線路電源供應方式，使現(xiàn)場儀表可以直接從通信線路攝取能量。

12、全數(shù)字通信：在現(xiàn)場巴士控制系統(tǒng)中，從變送器的傳感器到調節(jié)閥，信號保持數(shù)字狀態(tài)。產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的噪聲和其他干擾信號難以扭曲現(xiàn)場巴士控制系統(tǒng)中的數(shù)字信號，數(shù)字信號的強大抗干擾能力提高了過程控制的準確性和可靠性。開放互連網(wǎng)絡：現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡，可以連接到不同層次的網(wǎng)絡。其他制造商的產(chǎn)品可以輕松連接到現(xiàn)場總線，并且可以互操作。用戶可以根據(jù)性能價格選擇最佳性能，配置所需的控制環(huán)路，而無需保留修改，并可以自由集成開放式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場巴士應用節(jié)目、圖2 LAN NC系統(tǒng)塊圖表功能模塊結構圖表、每個子模塊具有單獨的編程、PLC和通信功能，具有滿足各種控制要求的特殊功能編程。模塊的基本結構如下：圖3功能模

13、塊結構圖表，1.4現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)具體地說，將傳統(tǒng)制造技術與現(xiàn)代信息技術、管理技術、自動化技術、系統(tǒng)工程技術有機地結合在一起，通過電腦技術使企業(yè)產(chǎn)品成為企業(yè)產(chǎn)品在企業(yè)號產(chǎn)品生命周期內，實現(xiàn)了信息、智能、集成優(yōu)化，產(chǎn)品上市快、服務好，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的集成概念得到了廣泛而深入的擴展，除了信息集成之外，還實現(xiàn)了企業(yè)號產(chǎn)品生命周期內各種業(yè)務流程的總體最優(yōu)化，即流程集成。發(fā)展到完善企業(yè)優(yōu)勢的企業(yè)之間的集成階段?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術構成，“高級制造技術”(AMT advanced manufacturing technology)是專有名詞，目前還沒有明確、一致公認的定義。通過對其內

14、涵和特征的研究，現(xiàn)在的共同認識是，先進的制造技術不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源、現(xiàn)代管理等，并全面應用于產(chǎn)品設計、制造、測試、管理、銷售、使用、服務制造的全過程。技術特性、1、并行工程(CEConcurrent Engineering)并行工程是集成和同時設計產(chǎn)品和相關流程(包括制造流程和支持流程)的系統(tǒng)方法。產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就應考慮產(chǎn)品生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢的所有因素，包括質量、成本、時間表和用戶要求。2、虛擬制造(VMVirtual Manufacturing)虛擬制造使用信息技術、模擬技術和電腦技術，在實際制造活動中全面模擬人、物、信息和制造流程。3.敏捷制造(AMAg

15、ile Manufacturing)敏捷制造以競爭力和可靠性為基礎，選擇合作者組成虛擬公司，進行分工合作，為相同的目標共同努力，提高整體競爭力，快速響應用戶的要求，滿足用戶的需求。4.綠色制造(GMGreen Manufacturing)綠色制造是綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模型，其目標是在從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢的整個產(chǎn)品生命周期內，將對環(huán)境的影響(負面影響)降至最低并釋放資源。1.5智能控制概述，1智能控制與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別是基于模型的控制，適用于控制對象可以用數(shù)學模型描述的線性常數(shù)系統(tǒng)。智能控制是對系統(tǒng)復雜性、非線性和不確定性的，人工智能和控制理論相結合，解決問題的能力和水平遠遠高于傳統(tǒng)控制。智能控制與現(xiàn)有控制的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下兩個茄子方面：(1)復雜性處理、不確定性問題處理能力、現(xiàn)有控制能力下降，而智能控制系統(tǒng)具有模仿者的智能，處理復雜