控制技術基礎-智能建筑專業(yè)

控制技術基礎內容概述集散控制系統(tǒng)現場總線控制系統(tǒng)自動化（Automation或Automatization）1.自動控制

就是指在脫離人的直接干預，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產過程等）的某些物理量（如溫度、壓力、PH值等）準確地按照預期的規(guī)律運行。2.自動控制系統(tǒng)

是指實現上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。概述水泵直接給水系統(tǒng)并聯氣壓給水系統(tǒng)排水監(jiān)控系統(tǒng)自動控制理論2.現代控制理論

3.大系統(tǒng)理論

4.智能控制理論自動控制理論的發(fā)展1、經典控制理論

研究的主要對象是單輸入、單輸出——單變量系統(tǒng)。如：調節(jié)電壓改變電機的速度；調整方向盤改變汽車的運動軌跡等。t01輸入r(t)t01輸入c(t)12理想的調節(jié)過程實際自動控制理論的發(fā)展2、現代控制理論研究的主要對象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計算機科學地發(fā)展，極大地促進了控制科學的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展3、大系統(tǒng)控制理論

大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結構復雜、功能綜合、目標多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。自動控制理論的發(fā)展

4、智能控制

這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術，是人工智能在控制上的應用。它的指導思想是依據人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復雜的控制問題。 學派：結構派和功能派它是一門新興的控制學科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實用性強，能運用人們的經驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視，。

自動控制系統(tǒng)的分類

一、按信號的傳遞路徑來分類

1、開環(huán)控制系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。

自動控制系統(tǒng)的分類2、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）特點：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路?！伴]環(huán)”這個術語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。

自動控制系統(tǒng)的分類

二、按系統(tǒng)的控制作用來分類

1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個恒定的數值。工業(yè)生產中的恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型。

水泵直接給水系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個已知的函數。系統(tǒng)的控制過程按預定的程序進行，要求被控量能迅速準確地復現輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。

恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類3、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個未知函數。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。

如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。

自動控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質來分類

1、連續(xù)系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調節(jié)器控制的系統(tǒng)。

2、離散系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關或采樣開關，將連續(xù)信號轉變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數字控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)的分類四、按描述系統(tǒng)的數學模型不同來分類

1、線性系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)由線性元件構成，描述運動規(guī)律的數學模型為線性微分方程。運動方程一般形式：

式中：r(t)——系統(tǒng)輸入量；c(t)——系統(tǒng)輸出量主要特點是具有疊加性和齊次性。自動控制系統(tǒng)的分類2、非線性系統(tǒng)特點：在構成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)。非線性的理論研究遠不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。其他的分類方法：

按功能來分：溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控系統(tǒng)等。按元件組成分：機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。自動控制系統(tǒng)的分類分類小結反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應變化情況；從數學角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關系。反饋控制系統(tǒng)的基本組成1.溫控系統(tǒng)——人工控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數值上。控制過程：反饋控制系統(tǒng)的基本組成2.溫控系統(tǒng)——自動控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標：要求爐子的溫度恒定在期望的數值上。控制過程：反饋控制系統(tǒng)的基本組成一般的形式

輸入信號——系統(tǒng)控制目標的反映，是人的意志的具體體。控制系統(tǒng)——主要完成對有關信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅動執(zhí)行機構完成控制功能。輸出信號——系統(tǒng)的控制結果，反映了被控對象的運行狀。

反饋控制系統(tǒng)的基本組成火炮自動跟蹤系統(tǒng)——“火炮打飛機”

反饋控制系統(tǒng)的基本組成3.典型的反饋控制系統(tǒng)的結構圖對控制系統(tǒng)的要求及典型信號基本要求：

穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)特性動態(tài)特性（穩(wěn)、準、快）典型信號：

1.脈沖信號

2.階躍信號3.斜坡信號

對控制系統(tǒng)的要求及典型信號對控制系統(tǒng)的要求及典型信號4.加速度信號

5.諧波信號6.指數信號微型計算機控制系統(tǒng)原理圖計算機控制系統(tǒng)的軟件軟件是指能完成各種功能的計算機程序的總和。它是微型計算機控制系統(tǒng)的神經中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進行協調工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應用軟件。1．可編程控制器（PLC）2．集散控制系統(tǒng)(DCS)3．人工智能(AI)4．神經網絡(NN)控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1．可編程控制器（PLC）PLC與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有如下一些特點：（1）抗干擾能力強（2）適應性好（3）編程直觀、簡單（4）功能完善，接口功能強2．集散控制系統(tǒng)（DCS）DistributedControlSystems3．人工智能人工智能是用計算機模擬人類大腦的邏輯判斷功能，其中具有代表性的兩個尖端領域是專家系統(tǒng)和機器人。所謂專家系統(tǒng)即計算機專家咨詢系統(tǒng)，是一個存儲了大量專門知識的計算機程序系統(tǒng)。不同的專家系統(tǒng)將不同領域專家的知識，以適當的形式存放于計算機中。根據這些專家知識，專家系統(tǒng)可以對用戶提出的問題做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢。機器人是一種能模擬人類智能和肢體動作的裝置，從本世紀70年代微處理機問世以來，機器人便逐漸涉足于各工業(yè)生產領域和科學研究領域。目前已出現的機器人可以分為兩類，工業(yè)機器人和智能機器人。4．神經網絡控制系統(tǒng)國外在20世紀80年代掀起了神經網絡（NeuralNetwork）計算機的研究和應用熱潮，我國在90年代也開始了這方面的研究。由于神經網絡的特點（大規(guī)模的并行處理和分布式的信息存儲，良好的自適應性、自組織性和很強的學習功能、聯想功能及容錯功能），使它的應用越來越廣泛，其中一個重要的方面是智能控制，包含機器人控制。常用接口技術D/A轉換器A/D轉換器驅動電路D/A轉換器在微機的各種接口中，完成外設信號到微機所需數字信號轉換的，稱為模擬∕數字轉換（A/D轉換）器；D/A轉換器（DigitaltoAnalogConverter）是一種能把數字量轉換成模擬量的電子器件；A/D轉換器完成微機輸出數字信號到外設所需信號轉換的，稱為數字∕模擬轉換（D/A轉換）器。A/D轉換器（AnalogtoDigitalConverter）則相反，它能把模擬量轉換成相應的數字量。在微機控制系統(tǒng)中，經常要用到A/D和D/A轉換器。它們的功能及在實時控制系統(tǒng)中的地位，如圖所示。單片機和被控實體間的接口示意圖白熾燈驅動接口開關量輸出隔離電路光電耦合控制直流電機LED顯示器件工作原理發(fā)光二極管顯示字段。7個發(fā)光二極管組成字符“8”，1個發(fā)光二極管構成小數點。鍵盤接口中小功率直流電機設電機在恒定電壓下的轉速為Vmax，控制信號的占空比D=t/τ（其中t代表通電時間，τ代表脈沖周期），則電機的的轉速和控制信號的關系可用如下公式表示：

V=Vmax×D返回本節(jié)方向控制步進電機集散型控制系統(tǒng)

（1）計算機控制系統(tǒng)階段

1）數字計算機控制系統(tǒng)

2）計算機、模擬儀表混合控制系統(tǒng)

3）計算機監(jiān)視控制系統(tǒng)（2）集散控制系統(tǒng)階段第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的產生與發(fā)展DCS基本結構分為過程控制單元操作顯示站數據通信網絡管理計算機四部分第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結構與特點集散型控制系統(tǒng)四層結構模式第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結構與特點集散型控制系統(tǒng)的基本結構與功能

DCS的骨架——系統(tǒng)網絡

DCS的現場I/O控制站

DCS的操作員站

DCS的工程師站第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述典型的DCS體系結構第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結構與特點集散控制系統(tǒng)的特點

功能全、采用網絡通信技術、實現了人－機對話技術、系統(tǒng)擴展靈活、可靠性高、管理能力強、使用方便、完備的開放系統(tǒng)、采用先進的計算機技術、具有綜合性和專業(yè)性第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的

現場控制站集散型控制系統(tǒng)一般分為三級管理級操作監(jiān)控級現場控制級第二節(jié)DCS的現場控制站現場控制站的功能與結構第二節(jié)DCS的現場控制站控制站機柜第二節(jié)DCS的現場控制站機籠的正、背面結構圖1—機籠2—走線槽3—左進線孔4—右進線孔5—走線槽擋板6—機籠擴展接口7—端子排8—交流輸入接口9—直流輸入接口第二節(jié)DCS的現場控制站硬件配置常用芯片1.CPU2.存儲器只讀存儲器(ROM)

隨機存貯器(RAM)第二節(jié)DCS的現場控制站現場輸入與輸出單元模擬量輸入(AI)通道

端子板、信號調理器、A/D模板、柜內連接電纜模擬量輸出(AO)通道開關量輸入(SI)通道開關量蔬菜(SO)通道脈沖量輸入(PI)通道第二節(jié)DCS的現場控制站電源保證交流供電系統(tǒng)可靠性的幾種措施端子板第二節(jié)DCS的現場控制站現場通信接口第三節(jié)現場主控單元與通信單元現場通信接口串行接口設計

上位機與通信軟件及通信系統(tǒng)第三節(jié)現場主控單元與通信單元抗干擾措施接地系統(tǒng)抗干擾和抗靜電干擾問題軟件抗干擾措施第三節(jié)現場主控單元與通信單元集散型控制系統(tǒng)軟件技術操作系統(tǒng)基本概念實時多任務操作系統(tǒng)

任務、任務調度、任務互斥與同步、任務之間的數據傳遞、存儲器管理、設備管理、文件管理第五節(jié)集散型控制系統(tǒng)軟件技術數據庫數據庫管理方式及數據庫實時數據庫實時數據庫的作用

1.實時數據庫是樓宇機電設備運行產生各種數據的集成平臺

2.實時數據庫是操作信息、數據監(jiān)測顯示的平臺

3.實時數據庫是先進控制、裝置優(yōu)化的平臺第五節(jié)集散型控制系統(tǒng)軟件技術集散型控制系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)組態(tài)軟件功能系統(tǒng)組態(tài)軟件的功能DCS組態(tài)軟件結構示意圖現場總線控制系統(tǒng)現場總線的產生從集中控制走向分散控制從DCS走向FCS

從集團協議走向國際標準從國外走向國內現場總線的產生圖：傳統(tǒng)的現場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述現場總線技術特點系統(tǒng)的開放性互可操作性與互用性現場設備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結構的高度分散性對現場環(huán)境的適應性第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述現場總線的基本內容

現場總線的含義通信網絡互操作性分散功能塊通信線供電開放式互連網絡第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述現場總線的基本內容FCS的分散功能塊控制方案第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述現場總線的基本內容OSI及其幾種現場總線開放互連模型的對應關系第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述現場總線的基本內容FCS體系結構第一節(jié)現場總線控制系統(tǒng)概述幾種常見的現場總線現場總線基金會(FF)

FieldbusFoundation(FF)組織FF現場總線的特點與優(yōu)勢

設備互操作性、改善過程數據、對進程增加更多的了解、改善現場安全、更早的預測維護、減少的線纜和安裝費用第二節(jié)幾種常見的現場總線現場總線基金會(FF)FF現場總線控制系統(tǒng)結構第二節(jié)幾種常見的現場總線過程現場總線(PROFIBUS)

Profibus現場總線包括三種類型的總線形式：通用自動化Profibus-FMS總線、工業(yè)自動化Profibus-DP總線和過程自動化Profibus-PA總線，以適應于高速和時間苛求的數據傳輸或大范圍的復雜通信場合。第二節(jié)幾種常見的現場總線過程現場總線(PROFIBUS)Profibus現場總線的結構第二節(jié)幾種常見的現場總線HART

可尋址遠程傳感器數據通路第二節(jié)幾種常見的現場總線控制局域網絡(CAN)

CAN概述版本發(fā)布時間內容變化1.01985年1.11987年位定時要求重新定義1.21990年振蕩器容錯能力提高2.01991年PartA,與1.2版相同PartB,引入數據幀和遠程幀的擴展幀結構CAN協議版本發(fā)展第二節(jié)幾種常見的現場總線控制局域網絡(CAN)CAN總線系統(tǒng)

CAN總線系統(tǒng)由CAN網絡節(jié)點、轉發(fā)器節(jié)點和上位機構成。第二節(jié)幾種常見的現場總線控制局域網絡(CAN)CAN總線系統(tǒng)系統(tǒng)的總體結構第二節(jié)幾種常見的現場總線控制局域網絡(CAN)CAN網絡的組網方式CAN網絡組網連接方式原理示意圖第二節(jié)幾種常見的現場總線控制局域網絡(CAN)CAN總線分布工業(yè)測控網絡拓撲原理圖第二節(jié)幾種常見的現場總線局部操作網絡(LonWorks)LonWorks概述

LonWorks的技術核心—神經元芯片

LonWorks技術的核心是神經元芯片(NeuronChip)。該芯片內部裝有3個CPU。第三節(jié)局部操作網絡(LonWorks)神經元芯片

共享存儲器第三節(jié)局部操作網絡(LonWorks)LonWorks節(jié)點以神經元芯片為核心的控制節(jié)點神經元節(jié)點的結構框圖第三節(jié)局部操作網絡(LonWorks)LonWorks節(jié)點采用宿主(HostBase)結構典型宿主結構框圖第三節(jié)局部操作網絡(LonWorks)LonTalk協議的功能

使用LONTALK協議的典