計算機控制系統(tǒng)的分類與典型系統(tǒng)介紹

計算機控制系統(tǒng)的分類與典型系統(tǒng)介紹本章主要內(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12/20/20222第一章緒論第一節(jié)Unit1計算機控制概述IntroductionofComputerControlSystem燕山大學(xué)自動化系12/20/20223第一章緒論本節(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12/20/20224第一章緒論1-1-1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。12/20/20225第一章緒論1-1-1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r12/20/20226第一章緒論1）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?！镫x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)。12/20/20227第一章緒論1-1-2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)12/20/20228第一章緒論1-1-2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12/20/20229第一章緒論1-1-2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

12/20/202210第一章緒論1-1-2信號特點（4）

零階保持器恢復(fù)信號的示意圖

6T

4T

2Tt

y采樣信號y(kT)原信號y(t)恢復(fù)信號yh(t)零階保持器算式y(tǒng)h(kT+t)=y(kT)0≤t＜T,k=0,±1,±2,…由于它只是簡單地外推，故只有當(dāng)T足夠小時，零階保持器才能較好地恢復(fù)原信號。12/20/202211第一章緒論

1-1-3計算機控制系統(tǒng)的組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)庫計算機控制系統(tǒng)的組成示意圖12/20/202212第一章緒論圖1-4微型計算機控制系統(tǒng)原理圖12/20/202213第一章緒論★主機中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器(RAM和ROM)★接口電路:主機與外部設(shè)備、輸入輸出通道進行信息交換的橋梁★過程輸入/輸出通道模擬量輸入通道模擬量輸出通道開關(guān)量輸入通道開關(guān)量輸出通道★外部設(shè)備★

操作臺輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器（CRT）顯示器或(LED)數(shù)碼顯示器鍵盤（功能鍵和數(shù)字鍵）12/20/202214第一章緒論高可靠性和可維護性環(huán)境的適應(yīng)性強控制的實時性較完善的輸入輸出通道較豐富的軟件1-1-4工業(yè)控制機的特點12/20/202215第一章緒論第二節(jié)Unit2計算機控制系統(tǒng)的分類及典型系統(tǒng)簡介浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)系12/20/202216第一章緒論本節(jié)主要內(nèi)容操作指導(dǎo)系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)分級計算機控制系統(tǒng)典型的計算機控制系統(tǒng)12/20/202217第一章緒論操作指導(dǎo)系統(tǒng)1-2-1計算機控制系統(tǒng)的分類優(yōu)點:控制安全,具有一定智能.缺點:速度慢,誤差大.適用:新的算法的設(shè)計12/20/202218第一章緒論直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)1-2-2計算機控制系統(tǒng)的分類直接數(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:取代模擬器,使用復(fù)雜的控制規(guī)律要求:計算機實時性好,可靠性高,適應(yīng)性強12/20/202219第一章緒論1-2-3

計算機監(jiān)督系統(tǒng)（SCC）

計算機監(jiān)督系統(tǒng)（SupervisoryComputerControl）簡稱SCC系統(tǒng)。SCC系統(tǒng)有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。（1）SCC+模擬調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)（2）SCC+DDC控制系統(tǒng)12/20/202220第一章緒論監(jiān)督控制（SCC）系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的分類監(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12/20/202221第一章緒論

3．監(jiān)督控制系統(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)12/20/202222第一章緒論操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、DDC、SCC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

12/20/202223第一章緒論1-2-

4．分級計算機控制系統(tǒng)

分級計算機控制系統(tǒng)是一個四級系統(tǒng)，各級計算機的功能如圖所示。裝置控制級（DDC級）車間監(jiān)督級（SCC級）工廠集中控制級（MIS）企業(yè)管理級（MIS）12/20/202224第一章緒論圖分級計算機控制系統(tǒng)返回本節(jié)12/20/202225第一章緒論1-2-

5．典型的計算機控制系統(tǒng)1.計算機過程控制系統(tǒng)對溫度,壓力,質(zhì)量,液面,速度等生產(chǎn)過程參數(shù)進行測量與控制的,這種系統(tǒng)稱為過程控制系統(tǒng),主控設(shè)備采用計算機則為計算機過程系統(tǒng).大多數(shù)的化工生產(chǎn)過程均屬于這類系統(tǒng).12/20/202226第一章緒論2.微機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)3.采用微機的順序控制系統(tǒng)順序控制是使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī)定的時序或事序,而順序進行控制的自動控制系統(tǒng).如:PLC控制系統(tǒng)4.計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)常用的數(shù)控機床:點控和線控5.工業(yè)機器人

12/20/202227第一章緒論現(xiàn)代所說的機器人大多指的是工業(yè)機器人，是一種能自動定位控制，可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機。1954年美國的Devol最早提出了工業(yè)機器人思想，并申請了專利，該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機器人實行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人。在此基礎(chǔ)上，1958年美國Consolidated公司制作了第一臺工業(yè)機器人，作為機器人產(chǎn)品出售的最早的實用機型是1962年美國的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE（如圖所示）。12/20/202228第一章緒論第一臺工業(yè)機器人UNIMATE

12/20/202229第一章緒論1970年以后機器人的研究得到了迅速廣泛的普及，1970年在美國召開了第一屆國際工業(yè)機器人學(xué)術(shù)會議，1973年在意大利召開了第一屆RMS，辛辛那提.米拉克隆公司于1973年制成了第一臺由小型計算機控制的工業(yè)機器人T3，它是液壓驅(qū)動的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45Kg。

12/20/202230第一章緒論工業(yè)機器人T3

12/20/202231第一章緒論1979年Unimation公司推出了Puma系列工業(yè)機器人，它是全電驅(qū)動關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，多CPU兩級微機控制，采用VAL專用語言并可配置視覺、觸覺、力覺傳感器，是技術(shù)較為先進的機器人.12/20/202232第一章緒論工業(yè)機器人Puma

12/20/202233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型機器人，由于簡單、精確，在插裝電子元器件等許多工作上得到了廣泛的應(yīng)用。

12/20/202234第一章緒論SCARA型機器人

12/20/202235第一章緒論

計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大提高。到目前為止，機器人已進入了第三代：智能化的高級機器人，具有感覺、思考、決策和動作能力的機器人系統(tǒng)，這類機器人目前還處于研究開發(fā)階段；第一代工業(yè)機器人主要是指示教再現(xiàn)控制的操作機器人，目前國內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用中的機器人絕大多數(shù)都是這一類；第二代工業(yè)機器人具有感受功能，是具有光覺、視覺、力覺、觸覺、聲覺、語音識別等功能的工業(yè)機器人，12/20/202236第一章緒論此時工業(yè)機器人可以根據(jù)感受信息調(diào)整控制算法，這類工業(yè)機器人已經(jīng)在實驗室內(nèi)研制成功并開始得到試用，但由于成本較高，其工業(yè)應(yīng)用的普及還要有一個過程。

12/20/202237第一章緒論我國工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人起步于70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。70年代世界上工業(yè)機器人應(yīng)用掀起一個高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。80年代，我國完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。

12/20/202238第一章緒論1986年國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。90年代初期我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應(yīng)用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。

12/20/202239第一章緒論在工業(yè)機器人方面，我國已具有獨立設(shè)計和開發(fā)機器人本體和控制器的能力，又經(jīng)歷“八五”攻關(guān)，逐步開展機器人的應(yīng)用工程開發(fā)，開始了機器人噴漆線、機器人點焊、弧焊工作站的開發(fā)和應(yīng)用。在智能機器人和特種機器人的研究和開發(fā)方面，國家“863”計劃在第一階段作為高技術(shù)跟蹤的目標(biāo)，重點發(fā)展了在惡劣環(huán)境下的工作機器人、精密裝配機器人及裝配系統(tǒng)。

12/20/202240第一章緒論研制了水下1000米無纜機器人和6000米無纜機器人，進行了太平洋洋底探測試驗；開發(fā)了用于核工業(yè)的遙控移動機器人和爬壁機器人，以及在室外惡劣環(huán)境下進行探測的機器人。這些機器人都是在良好的人機界面下，以遙控為主，具有一定的自主能力。

12/20/202241第一章緒論在裝配機器人方面，研制了高精度裝配機器人和實用機器人，研制了風(fēng)扇電機裝配系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的研究和開發(fā)，使我國在智能機器人方面的技術(shù)向前邁進了一大步。從第一臺機器人問世，至今已經(jīng)有40多年的歷史，伴隨時代的脈搏，機器人在經(jīng)歷了70年代進入工業(yè)應(yīng)用，80年代初中期的迅速發(fā)展之后，80年代后期和90年代進入了新的發(fā)展階段，到2000年服役機器人約100萬臺，機器人學(xué)仍然保持較好的發(fā)展勢頭，滿懷希望跨入了21世紀(jì)。

12/20/202242第一章緒論第三節(jié)Unit3微型計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢燕山大學(xué)自動化系12/20/202243第一章緒論1-3-1DCS的特點(分散型控制系統(tǒng)（DistributedControlSystems）獨立性協(xié)調(diào)性友好性適應(yīng)性、靈活性和可擴充性實時性可靠性12/20/202244第一章緒論12/20/202245第一章緒論集散控制系統(tǒng)是分散型綜合控制系統(tǒng)（TotalDistributedControlSystems）或分散型微處理器控制系統(tǒng)（DistributedMicroprocessorControlSystems）的簡稱。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)12/20/202246第一章緒論圖分散性綜合組成框圖返回本節(jié)它以微型計算機為核心，把微型機、工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作裝置、輸入/輸出通道、模擬儀表等有機地結(jié)合起來，采用組合組裝式結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)，為實現(xiàn)工程大系統(tǒng)的綜合自動化創(chuàng)造了條件。12/20/202247第一章緒論1-3-2計算機集成控制系統(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(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12/20/202248第一章緒論計算機控制系統(tǒng)舉例例1-1衛(wèi)星姿態(tài)控制運行中的衛(wèi)星經(jīng)常要求對其姿態(tài)進行控制，以使它的天線和傳感器相對于地球具有適當(dāng)?shù)姆轿?。為此，計算機往往對三個軸分時地進行姿態(tài)控制。圖1-6畫出了一個軸的運動情況。假設(shè)只允許繞垂直于本書頁面的軸進行旋轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)的運動方程如下：

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是擾動力矩；θ是衛(wèi)星軸相對于基準(zhǔn)線的角。12/20/202249第一章緒論由運動方程求傳遞函數(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：12/20/202250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(見右圖)假設(shè)天線及其可動部分具有慣性轉(zhuǎn)矩J，由于直流驅(qū)動電機的反電勢及由于軸承和空氣動力摩擦產(chǎn)生了阻尼，其阻尼系數(shù)為B，則運動方程為：式中：Tc是驅(qū)動電機產(chǎn)生的純轉(zhuǎn)矩；Td是刮風(fēng)