燕山大學自動化系

1、第一章 緒論Introduction燕山大學自動化系10/14/20221第一章 緒 論本章主要要內(nèi)容計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的一般般概念計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的組成成及特點點計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的發(fā)展展概況與與趨勢2/11/20202第一章緒緒論論第一節(jié)Unit 1計算機控控制概述述IntroductionofComputerControlSystem燕山大學學自動化化系2/11/20203第一章緒緒論論本節(jié)主要要內(nèi)容計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的一般般概念計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的組成成2/11/20204第一章緒緒論論1-1-1概述（1）常規(guī)控制制系統(tǒng)的的工作原原理模擬調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構被控對

2、象測量變送器設定值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進行控制制，目的的是減少少或消除除偏差。2/11/20205第一章緒緒論論1-1-1概述（2）計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的工作作原理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)設定值r2/11/20206第一章緒緒論論1）在線方方式和離離線方式式在線方式或聯(lián)聯(lián)機方式式：生產(chǎn)產(chǎn)過程和和計算機機直接連連接，并并受計算算機控制制的方式式。離線方式式或脫機機方式：生產(chǎn)過程程不和計計算機相相連，且且不受計計算機控控制，而而是靠人人進行聯(lián)聯(lián)系并作作相應操

3、作作的方式式。2）實時的的含義實時：是是指信號號的輸入入、計算算和輸出出都要在在一定的的時間范范圍內(nèi)完完成。實時控制制系統(tǒng)必必定是在在線系統(tǒng)統(tǒng)。2/11/20207第一章緒緒論論1-1-2信號特點點（1）計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的信號號形式連續(xù)模擬擬信號:時間與幅幅值上均均連續(xù)，如y(t)、u(t)離散模擬擬信號:時間是離離散的，幅值上上連續(xù)，如y*(t)、u*(t)離散數(shù)字字信號:時間離散散的，幅幅值為數(shù)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)2/11/20208第一章緒緒論論1-1-2信號特點點（2）計算

4、機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的采樣樣過程y(t)t采樣器y(t)y*(t)y*(t)2T4Tt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2/11/20209第一章緒緒論論1-1-2信號特點點（3）信號的保保持目的：是是將離散散采樣信信號恢復復為被控控對象能能夠感知知的連續(xù)續(xù)模擬信信號方法：采采用保持持器常用的保保持器：零階、一階及及高階2/11/202010第一章緒緒論論1-1-2信號特點點（4）零階保持持器恢復復信號的的示意圖圖 6T 4T 2Tt y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復信號yh(t)零階保持持器算式式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0tT,k=0,1, 2,由于它只只是簡單

5、單地外推推，故只只有當T足夠小時時，零階階保持器器才能較較好地恢恢復原信信號。2/11/202011第一章緒緒論論1-1-3計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的組成成及作用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、系統(tǒng)總線生產(chǎn)過程輸入輸出通道人機聯(lián)系設備、通信設備 現(xiàn)場儀表（測量傳感器、執(zhí)行機構等） 操作系統(tǒng)、匯編或高級語言、過程控制語言 通信網(wǎng)絡軟件、診斷程序等 系統(tǒng)軟件 應用軟件 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)庫計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的組成成示意圖圖2/11/202012第一章緒緒論論圖1-4微微型計算算機控制制系統(tǒng)原原理圖2/

6、11/202013第一章緒緒論論主機中央處理理器（CPU）內(nèi)存儲器器(RAM和ROM)接口電路路:主機與外外部設備備、輸入入輸出通通道進行行信息交交換的橋橋梁過程輸入入/輸出出通道模擬量輸輸入通道道模擬量輸輸出通道道開關量輸輸入通道道開關量輸輸出通道道外部設備備操作臺輸入設備備輸出設備備外存儲器器（CRT）顯示示器或(LED)數(shù)碼碼顯示器器鍵盤（功功能鍵和和數(shù)字鍵鍵）2/11/202014第一章緒緒論論高可靠性性和可維維護性環(huán)境的適適應性強強控制的實實時性較完善的的輸入輸輸出通道道較豐富的的軟件1-1-4工業(yè)控制制機的特特點2/11/202015第一章緒緒論論第二節(jié)Unit 2計算機控控制系統(tǒng)

7、統(tǒng)的分類類及典型型系統(tǒng)簡簡介浙江大學學控制科科學與工工程學系系2/11/202016第一章緒緒論論本節(jié)主要要內(nèi)容操作指導導系統(tǒng)直接數(shù)字字控制系系統(tǒng)監(jiān)督控制制系統(tǒng)分級計算算機控制制系統(tǒng)典型的計計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)2/11/202017第一章緒緒論論操作指導導系統(tǒng)1-2-1計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類優(yōu)點:控控制安全全,具有有一定智智能.缺點:速速度慢,誤差大大.適用:新新的算法法的設計計2/11/202018第一章緒緒論論直接數(shù)字字控制（DDC）系統(tǒng)1-2-2計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類直接數(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

8、道 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構 特點:取取代模擬擬器,使使用復雜雜的控制制規(guī)律要求:計計算機實實時性好好,可靠靠性高,適應性性強2/11/202019第一章緒緒論論1-2-3計算機監(jiān)監(jiān)督系統(tǒng)統(tǒng)（SCC）計算機監(jiān)監(jiān)督系統(tǒng)統(tǒng)（Supervisory Computer Control）簡稱SCC系系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)有有兩種不不同的結結構形式式。一種種是SCC+模模擬調(diào)節(jié)節(jié)器，另另一種是是SCC+DDC控制制系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調(diào)調(diào)節(jié)器控控制系統(tǒng)統(tǒng)（2）SCC+DDC控制系系統(tǒng)2/11/202020第一章緒緒論論監(jiān)督控制制（SCC）系統(tǒng)計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)的分類類監(jiān)督控制計算機(SCC)CRT打印機報警DDC

9、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2/11/202021第一章緒緒論論3監(jiān)督控控制系統(tǒng)統(tǒng)（SupervisoryComputerControlSCC ） 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)測量設定值(a)工藝數(shù)據(jù)2/11/202022第一章緒緒論論操作指導導控制系系統(tǒng)、DDC、SCC比較系統(tǒng)類別 結構特點 計算機功能 給定值 系統(tǒng)狀態(tài) 操作指導控制系統(tǒng) 輸入通道 處理數(shù)據(jù) DDC 輸入/輸出通道 直接參與控制預先設定 不在最優(yōu)工況 SCC 兩級計算機

10、直接參與控制 在線修改最優(yōu)工況 2/11/202023第一章緒緒論論1-2-4分級計算算機控制制系統(tǒng)分級計算算機控制制系統(tǒng)是是一個四四級系統(tǒng)統(tǒng)，各級級計算機機的功能能如圖所所示。裝置控制制級（DDC級級）車間監(jiān)督督級（SCC級級）工廠集中中控制級級（MIS）企業(yè)管理理級（MIS）2/11/202024第一章緒緒論論圖分分級計計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)返回本節(jié)節(jié)2/11/202025第一章緒緒論論1-2-5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),主控控設備采采用計算算機則為為計算機機過程

11、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).2/11/202026第一章緒緒論論2.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 2/11/202027第一章緒緒論論現(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

12、專利利，該專專利的要要點是借助伺服服技術控控制機器器人的關關節(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（如圖所示示）。2/11/202028第一章緒緒論論第一臺工工業(yè)機器器人UNIMATE2/11/202029第一章緒緒論論1970年以后機機器人的的研究得得到了迅迅速廣泛泛的普及及，1970年

13、在美國國召開了了第一屆屆國際工工業(yè)機器器人學術術會議，1973年在意大大利召開開了第一一屆RMS，辛辛那提提.米拉克隆隆公司于于1973年制成了了第一臺臺由小型型計算機機控制的的工業(yè)機機器人T3，它是液壓壓驅(qū)動的的，能提提升的有有效負載載達45Kg。2/11/202030第一章緒緒論論工業(yè)機器器人T32/11/202031第一章緒緒論論1979年Unimation公司推出出了Puma系列工業(yè)業(yè)機器人人，它是是全電驅(qū)驅(qū)動關節(jié)節(jié)式結構構，多CPU兩級微機機控制，采用VAL專用語言言并可配配置視覺覺、觸覺覺、力覺覺傳感器器，是技技術較為為先進的的機器人人.2/11/202032第一章緒緒論論工業(yè)機器

14、器人Puma2/11/202033第一章緒緒論論同年日本本山梨大大學的牧牧野洋研研制成具具有平面面關節(jié)的的SCARA型機器人人，由于于簡單、精確，在插裝裝電子元元器件等等許多工工作上得得到了廣廣泛的應應用。2/11/202034第一章緒緒論論SCARA型機器人人2/11/202035第一章緒緒論論計算機技技術和人人工智能能技術的的迅速發(fā)發(fā)展使機機器人在功能和和技術層層次上有有了很大大提高。到目前前為止，機器人人已進入入了第三三代：智智能化的的高級機機器人，具有感感覺、思思考、決決策和動動作能力力的機器器人系統(tǒng)，這類類機器人人目前還還處于研研究開發(fā)發(fā)階段；第一代工業(yè)機機器人主主要是指指示教再再現(xiàn)

15、控制制的操作作機器人，目前前國內(nèi)外外工業(yè)應應用中的的機器人人絕大多多數(shù)都是這一類類；第二二代工業(yè)業(yè)機器人人具有感感受功能能，是具有光覺覺、視覺覺、力覺覺、觸覺覺、聲覺覺、語音音識別等功能的的工業(yè)機機器人，2/11/202036第一章緒緒論論此時工業(yè)業(yè)機器人人可以根根據(jù)感受受信息調(diào)調(diào)整控制算法，這類工工業(yè)機器器人已經(jīng)經(jīng)在實驗驗室內(nèi)研制成功功并開始始得到試試用，但但由于成成本較高，其工工業(yè)應用用的普及及還要有有一個過過程。2/11/202037第一章緒緒論論我國工業(yè)業(yè)機器人人我國工業(yè)業(yè)機器人人起步于于70年代初期期，經(jīng)過過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌萌芽期，80年代的開開發(fā)期

16、和和90年代的適適用化期期。70年代世界上工業(yè)業(yè)機器人人應用掀掀起一個個高潮，尤其在在日本發(fā)展更為為迅猛，它補充充了日益益短缺的的勞動力力。在這種背景景下，我我國于1972年開始研研制自己己的工業(yè)業(yè)機器人。80年代，我我國完成成了示教教再現(xiàn)式式工業(yè)機機器人成套套技術的的開發(fā)，研制出出了噴涂涂、點焊焊、弧焊和搬運運機器人人。2/11/202038第一章緒緒論論1986年國家高高技術研研究發(fā)展展計劃(863計劃)開始實施，智智能機器器人主題題跟蹤世世界機器器人技術術的前沿，經(jīng)過過幾年的的研究，取得了了一大批批科研成成果，成功地研研制出了了一批特特種機器器人。90年代初期期我國的工業(yè)業(yè)機器人人又在實

17、實踐中邁邁進一大大步，先先后研制出了點點焊、弧弧焊、裝裝配、噴噴漆、切切割、搬搬運、包裝碼垛垛等各種種用途的的工業(yè)機機器人，并實施施了一批機器人人應用工工程，形形成了一一批機器器人產(chǎn)業(yè)業(yè)化基地，為我我國機器器人產(chǎn)業(yè)業(yè)的騰飛飛奠定了了基礎。2/11/202039第一章緒緒論論在工業(yè)機機器人方方面，我我國已具具有獨立立設計和開發(fā)機機器人本本體和控控制器的的能力，又經(jīng)歷“八五五”攻關關，逐步步開展機機器人的的應用工工程開發(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”計劃在第第一階段段作為高高技術跟跟蹤的

18、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)。2/11/202040第一章緒緒論論研制了水水下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。2/11/202041第一章緒緒論論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

19、方面面的技術術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)應應用，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。2/11/202042第一章緒緒論論第三節(jié)Unit 3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2/11/202043第一章緒緒論論1-3-1DCS的特點(分散型控控制系統(tǒng)統(tǒng)（DistributedControl Systems）獨

20、立性協(xié)調(diào)性友好性適應性、靈活性性和可擴擴充性實時性可靠性2/11/202044第一章緒緒論論2/11/202045第一章緒緒論論集散控制制系統(tǒng)是是分散型型綜合控控制系統(tǒng)統(tǒng)（Total Distributed ControlSystems）或或分散型型微處理理器控制制系統(tǒng)（DistributedMicroprocessorControlSystems）的簡簡稱。圖是集散散控制系系統(tǒng)的組組成框圖圖。1-3-1分散性綜綜合控制制系統(tǒng)1-3-1分散性綜綜合控制制系統(tǒng)2/11/202046第一章緒緒論論圖分散性綜綜合組成框圖圖返回本節(jié)節(jié)它以微型型計算機機為核心心，把微微型機、工業(yè)控控制計算算機、數(shù)數(shù)據(jù)通

21、信信系統(tǒng)、顯示操操作裝置置、輸入入 /輸輸出通道道、模擬擬儀表等等有機地地結合起起來，采采用組合合組裝式式結構組組成系統(tǒng)統(tǒng)，為實實現(xiàn)工程程大系統(tǒng)統(tǒng)的綜合合自動化化創(chuàng)造了了條件。2/11/202047第一章緒緒論論1-3-2計算機集集成控制制系統(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,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2/11/202048第一章緒緒論論計算機控控制系統(tǒng)統(tǒng)舉例例1-1衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)控制運行中的的衛(wèi)星經(jīng)經(jīng)常要求求對其

22、姿姿態(tài)進行行控制，以使它它的天線線和傳感感器相對對于地球球具有適適當?shù)姆椒轿?。為為此，計計算機往往往對三三個軸分分時地進進行姿態(tài)態(tài)控制。圖1-6畫出了一一個軸的的運動情情況。假假設只允允許繞垂垂直于本本書頁面面的軸進進行旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，該系系統(tǒng)的運運動方程程如下：衛(wèi)星姿態(tài)態(tài)控制系系統(tǒng)框圖圖式中：I是衛(wèi)星圍圍繞其質(zhì)質(zhì)量中心心的慣性性矩；MC是由助推推器加上上的控制制轉(zhuǎn)矩；MD是擾動力力矩；是衛(wèi)星軸軸相對于于基準線線的角。2/11/202049第一章緒緒論論由運動方方程求傳傳遞函數(shù)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：2/11/202050第一章緒緒論論天線方位位控制伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)衛(wèi)星跟蹤蹤天線的的仰角控控制(見右圖)假設天線線及其可可動部分分具有慣慣性轉(zhuǎn)矩矩J，由于直直流驅(qū)動動電機的的反電勢勢及由于于軸承和和空氣動動力摩擦擦產(chǎn)生了了阻尼，其阻尼尼系數(shù)為為B，則運動動方程為為：式中：Tc是驅(qū)動電電機產(chǎn)生生的純轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；Td是刮風時時的擾動動轉(zhuǎn)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：2/11/202051第一章緒緒論論其拉氏變變換式為為如果不考慮擾動(w(s)=0)，則其傳遞函數(shù)為：2/11/202052第一章緒緒論論工業(yè)爐控控制工業(yè)爐的的典型控控制工業(yè)