計算機控制技術

現(xiàn)代機電系統(tǒng)概論

第五講計算機控制技術課程基本要求了解計算機控制系統(tǒng)的形成，發(fā)展過程和發(fā)展趨勢;掌握控制系統(tǒng)的性能指標分析；掌握計算機控制系統(tǒng)的各種設計方法;了解智能控制系統(tǒng)；了解計算機網(wǎng)絡控制技術應用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；教材及主要參考書1.《計算機控制技術》熊靜琪電子工業(yè)出版社20032.《計算機控制技術》王勤編東南大學出版社2003主要內(nèi)容：2.3計算機控制技術一、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況二、計算機控制系統(tǒng)的構成和分類三、控制用計算機的特點和發(fā)展趨勢四、計算機控制系統(tǒng)舉例五、控制理論的發(fā)展史一、計算機控制系統(tǒng)發(fā)展概況計算機控制系統(tǒng)的基礎是：

自動控制技術：

18世紀:鍋爐供水的水位調(diào)節(jié)裝置等

19世紀：直觀創(chuàng)造發(fā)明，設計出一些自動控制系統(tǒng)

20世紀：在軍事、航天、航空領域得到廣泛的應用

計算機技術：計算機技術50年代末，計算機用于過程控制60年代，從早期的操作指導控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）60年代后期，小型計算機（Microcomputer）70年代，分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）80年代后期到90年代，CIPS系統(tǒng)和CIMS系統(tǒng)二、計算機控制系統(tǒng)分類以自動控制的方式分類以參與控制方式來分類以自動控制的方式分類計算機開環(huán)控制系統(tǒng)計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)計算機在線控制系統(tǒng)計算機離線控制系統(tǒng)計算機實時控制系統(tǒng)計算機開環(huán)控制系統(tǒng)若計算機開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出對生產(chǎn)過程能行使控制,但控制結果---生產(chǎn)過程的狀態(tài)沒有影響計算機控制的系統(tǒng),計算機\控制器\生產(chǎn)過程等環(huán)節(jié)沒有構成閉合環(huán)路,則稱之為計算機開環(huán)控制系統(tǒng).生產(chǎn)過程的狀態(tài)沒有反饋給計算機,而是由操作人員監(jiān)視生產(chǎn)過程的狀態(tài),決定控制方案,并告訴控制計算機使其行使控制作用.計算機開環(huán)控制系統(tǒng)計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)計算機對生產(chǎn)對象或過程進行控制時,生產(chǎn)過程狀態(tài)能直接影響計算機控制的系統(tǒng),稱之為計算機閉環(huán)控制系統(tǒng).

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng),利用數(shù)學模型設置生產(chǎn)過程最佳值與檢測結果反饋值之間的偏差,控制達到生產(chǎn)過程運行在最佳狀態(tài).計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)計算機在線控制系統(tǒng)只要計算機對受控對象或受控生產(chǎn)過程,能夠行使直接控制,不需要人工干預的都稱之為控制計算機在線控制或稱聯(lián)機控制系統(tǒng).計算機離線控制系統(tǒng)控制計算機沒有直接參與控制對象或受控生產(chǎn)過程.它只完成受控對象或受控過程的狀態(tài)檢測,并對檢測的數(shù)據(jù)進行處理;而后制定出控制方案,輸出控制指示,操作人員參考控制指示,人工手動操作使控制部件對受控對象或受控過程進行控制.這種控制形式稱之為計算機離線控制系統(tǒng).計算機實時控制系統(tǒng)計算機實時控制系統(tǒng)是指受控制的對象或受控過程,每當請求處理或請求控制時,控制機能及時處理并進行控制的系統(tǒng),常用在生產(chǎn)過程是間斷進行的場合.如煉鋼,每煉一爐鋼是一個過程;又如軋鋼過程,每軋出一塊鋼算一個過程,每個過程都重復進行.只有進入過程才要求計算機進行控制.在計算機一旦進行控制時,就要求計算機對來自生產(chǎn)過程的信息在規(guī)定的時間內(nèi)作出反應或控制.這種系統(tǒng)常使用完善的中斷系統(tǒng)和中斷處理程序來實現(xiàn).一個在線系統(tǒng)并不一定是實時系統(tǒng).但是一個實時系統(tǒng)必是一個在線系統(tǒng).以參與控制方式來分類操作指導控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)分級控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)操作人員通過控制儀表對生產(chǎn)過程進行控制；計算機未施加直接的控制作用，實際的操作控制是由人和控制儀表進行的；開環(huán)指導型結構，用于指導人們對生產(chǎn)過程的操作和控制。操作指導控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）由控制計算機取代常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表而直接對生產(chǎn)過程進行控制,由于計算機發(fā)出的信號為數(shù)字量，故得名DDC控制。實際上受控的生產(chǎn)過程的控制部件,接受的控制信號可以通過控制機的過程輸入/輸出通道中的數(shù)/模(D/A)轉換器將計算機輸出的數(shù)字控制量中轉換成模擬量;輸入的模擬量也要經(jīng)控制機的過程輸入/輸出通道的模/數(shù)(A/D)轉換器轉換成數(shù)字量進入計算機.監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)是針對某一種生產(chǎn)過程,依據(jù)生產(chǎn)過程的各種狀態(tài),按生產(chǎn)過程的數(shù)學模型計算出生產(chǎn)設備應運行的最佳給定值,并將最佳值自動地或人工對DDC執(zhí)行級的計算機或?qū)δM調(diào)節(jié)儀表進行調(diào)正或設定控制的目標值.由DDC或調(diào)節(jié)儀表對生產(chǎn)過程各個點(運行設備)行使控制.SCC系統(tǒng)的特點是能保證受控的生產(chǎn)過程始終處于最佳狀態(tài)情況下運行,因而獲得最大效益.直接影響SCC效果優(yōu)劣的首先是它的數(shù)學模型,為此要經(jīng)常在運行過程中改進數(shù)學模型,并相應修改控制算法和應用控制程序.分級控制系統(tǒng)（HC）DDC級主要用于直接控制生產(chǎn)過程,進行PID或前饋控制;SCC級主要用于進行最佳控制或自適應控制或自學習控制計算,并指揮DDC級控制同時向MIS級匯報情況.DDC級通常用微型計算機，SCC級一般用小型計算機或高檔微型計算機.MIS級主要功能是實現(xiàn)信息實時處理,為各級決策者提供有用的信息,作出關于生產(chǎn)計劃\調(diào)度和管理方案,使計劃協(xié)調(diào)和經(jīng)營管理處于最優(yōu)狀態(tài).分級控制系統(tǒng)（HC）分散控制系統(tǒng)（DCS）DCS是將控制系統(tǒng)分成若干個獨立的局部控制子系統(tǒng),用以完成受控生產(chǎn)過程自動控制任務.由于微型計算機的出現(xiàn)與迅速發(fā)展,為實現(xiàn)分散控制提供了物質(zhì)和技術基礎,近年來分散控制得以異乎尋常的發(fā)展,且已成為計算機控制發(fā)展的重要趨勢.自70年代起,又出現(xiàn)集中分散式的控制系統(tǒng),簡稱集散系統(tǒng).它是采用分散局部控制的新型的計算機控制系統(tǒng).三、控制用計算機的特點

和發(fā)展趨勢特點：

較高的可靠性實時控制與外部世界的緊密聯(lián)系對環(huán)境的適應性不同的軟件配置發(fā)展趨勢：

標準化、系列化、組合化和模塊化發(fā)展四、計算機控制系統(tǒng)舉例1衛(wèi)星姿態(tài)控制2.計算機過程控制系統(tǒng)

1、衛(wèi)星姿態(tài)控制計算機衛(wèi)星助推器點火控制采樣開關測量姿態(tài)角θ

其余各軸的姿態(tài)角天線驅(qū)動馬達天線仰角θ其他各種參數(shù)方位角天線方位控制伺服系統(tǒng)2、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).3、

微機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)4、

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)5、

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6、

工業(yè)機器人

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控制機器人的關節(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）。工業(yè)機器人第一臺工業(yè)機器人UNIMATE

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)機器人學術會議，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，能提升的有效負載達45Kg。

工業(yè)機器人T3

1979年Unimation公司推出了Puma系列工業(yè)機器人，它是全電驅(qū)動關節(jié)式結構，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，是技術較為先進的機器人

.工業(yè)機器人Puma

同年日本山梨大學的牧野洋研制成具有平面關節(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用。

計算機技術和人工智能技術的迅速發(fā)展使機器人在功能和技術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，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)應用的普及還要有一個過程。

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)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。

1986年國家高技術研究發(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。

在工業(yè)機器人方面，我國已具有獨立設計和開發(fā)機器人本體和控制器的能力，又經(jīng)歷“八五”攻關，逐步開展機器人的應用工程開發(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跟蹤的目標，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)。

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。

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，機器人學仍然保持較好的發(fā)展勢頭，滿懷希望跨入了21世紀。

五、控制理論的發(fā)展史經(jīng)典控制理論

40~50年代形成SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術目標：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)現(xiàn)代控制理論

1960年前后有了重大的突破和創(chuàng)新60~70年代形成MIMO系統(tǒng)

基于：冷戰(zhàn)時期空間技術，計算機技術目標：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程（時域）現(xiàn)代控制理論的進一步發(fā)展經(jīng)典控制理論主要的研究對象：SISO線性定常系統(tǒng)；數(shù)學工具：拉氏變換；系統(tǒng)描述:傳遞函數(shù)；

(微分方程或差分方程變換到復數(shù)域中)系統(tǒng)分析方法：頻率法和根軌跡法；系統(tǒng)分析目的：確定控制器的結構和參數(shù)；系統(tǒng)實現(xiàn)：閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論特性1．經(jīng)典控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對最簡單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的；2．經(jīng)典控制理論只限于分析和設計單變量系統(tǒng)，實際上，大多數(shù)工程對象都是多輸入－多輸出系統(tǒng)，盡管人們做了很多嘗試，但是，用經(jīng)典控制理論設計這類系統(tǒng)都沒有得到滿意的結果；

3．經(jīng)典控制理論采用試探法設計系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗選用合適的、簡單的、工程上易于實現(xiàn)的控制器，然后對系統(tǒng)進行分析，直至找到滿意的結果為止。經(jīng)典理論的缺點：缺乏精確化、數(shù)學化及理論化?，F(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論的研究對象:既可以是單變量的、線性的、定