计算机控制原理概论.ppt

计算机控制原理 胡玉琦 1 第一章控制概论 1 1控制系统的发展史 1 2自动控制的一般概念 1 3开环控制和闭环控制 1 4控制系统的分类 1 5对控制系统的基本要求 1 6计算机控制 1 7传统控制系统的研究方法 1 8自动控制理论的发展史 1 9智能控制论 2 1 1控制系统的发展史 前期控制 1400BC 1900 经典控制 1935 1950 现代控制 1950 Now 前期控制 1400BC 1900 中国 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 1400BC 1100BC 希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯 BC250 中国东汉时期天文学家 研制出自动测量地震的候风地动仪 世界上第一架测验地震的仪器 是中国古代一项重要的科学发明 它比欧洲出现地震仪的时间要早1500年左右 成功地记录了138年发生在甘肃的一次强烈地震 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 235年 车虽回运而手常指南 中国明代宋应星所著 天工开物 记载了有程序控制思想的提花织机结构图 1637 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 控制进气阀的开启程度来控制蒸汽机速度 经典控制 1915 1950 美国N Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构 提出PID控制方法 1922 美国E Sperry以及C Mason研制出火炮控制器 1925 气压反馈控制器 1929 现代控制 1950 Now 美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床 1952 美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机 1954 两年后 被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司 Unimation 美国M E Merchant提出计算机集成制造的概念 1969 日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 1976 中国批准863高技术计划 包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题 1986 日本安川公司娱乐机械狗 2001 日本SONY公司二足步行机械人SDR 4X 2002 神州号发射 返回 15 嫦娥一号 16 楼宇自动控制系统 BuildingAutomationSystem 是建筑智能化的重要组成部分 对整座建筑的空调系统 风机组 制冷机组 冷却塔 水箱水位 给排水 变配电 照明回路等系统进行信号采集和控制 实现大厦设备管理自动化 起到集中管理 分散控制 节能降耗的作用 17 18 例1 人工控制炉温 控制过程 1观测炉温 被控量 2与要求的温度 给定值 进行比较得到温度偏差的大小和方向3根据偏差大小和方向调节调压器 控制加热电阻丝的电流以调节温度回复到要求的温度 1 2自动控制的基本概念 人工炉温控制框图 20 控制的实质 检测偏差和纠正偏差 炉温自动控制 21 控制过程 1炉温由热电偶转换为对应的电压u22期望的炉温由电压u1给定 并与实际温度u2比较得到温度偏差信号 u u1 u23温度偏差信号经电压 功率放大后 用以驱动执行电动机 并通过传动机构拖动调压器动触头 当温度偏高时 动触头向减小电压的方向运动 反之加大电压 直到温度达到给定值为止 此时 偏差 u 0 电机停止转动 22 炉温自动控制流程 23 控制的实质 检测偏差和纠正偏差 从炉温控制系统工作过程定义变量 系统输入量 参考输入量 信号 系统输出量偏差信号反馈 反馈信号 显然 反馈控制建立在偏差基础上 其控制方式是 检测偏差再纠正偏差 控制系统的工作原理 检测输出量 被控制量 的实际值 将输出量的实际值与给定值 输入量 进行比较得出偏差 用偏差值产生控制调节作用去消除偏差 使得输出量维持期望的输出 系统能在存在无法预计扰动的情况下 自动减少系统的输出量与参考输入量之间的偏差 故称之为反馈控制 例2 车床主轴的直流电动机转速控制系统 例3 雷达导引随动控制系统 控制目标 输出轴始终紧紧跟踪输入轴变化 由于输入轴的位置无法预先确定 随动系统 随动系统的原理图 31 自动控制要解决的基本问题如何使被控制量按照给定量的变化规律变化 就是一个控制系统要解决的基本问题 解决方法闭环控制 反馈控制 偏差控制 1 3 小结 自动控制系统 在没有人直接参与的情况下 利用控制装置对被控对象进行控制操纵 使被控量按照参考输入保持常值或者跟随参考输入的变化规律而变化的系统 自动控制理论 研究自动控制共同规律的一门科学 包括 工程控制论 生物 经济 社会控制论 32 1 3开环控制和闭环控制 一 开环控制控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制 开环控制系统 二 闭环控制 开环和闭环 实际的控制系统按有无反馈作用来界定反馈 输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈 反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小 三 开环控制与反馈控制的比较 开环优点 系统结构简单 调试容易 当输入信号和扰动能预先知道时 控制效果较好 缺点 不能自动修正被控制量的偏离 系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大 抗干扰能力差 闭环优点 具有自动修正被控制量出现偏离的能力 可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差 控制精度高 抗干扰能力强 缺点 被控量可能出现振荡 甚至发散 1 6 四 自动控制技术的作用 1 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化 极大地提高了劳动生产率 而且减轻了人的劳动强度 2 自动控制使工作具有高度的准确性 大大地提高了武器的命中率和战斗力 例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机 3 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了 例如原子能的生产 37 ACT DT1型电机转速控制模型该模块是一个典型的控制对象 可进行电机转速闭环控制 在面板上安装有1个12V工作的直流电机 可用0 10V的直流控制信号控制其转速 电机转速为0 1500rpm连续可调 转速通过光电码盘进行检测 经过频压转换后输出1 10V转速信号 在面板上设置有1只0 10V直流电压表和1只转速表 可用于电压测量和转速指示 1 4控制系统的类型 1 按输入信号分类 定值控制系统伺服系统 随动系统 程序控制系统2 按系统是否满足叠加原理线性系统与非线性系统3 按系统控制器是否采用计算机计算机 数字 控制系统与模拟系统4 按控制对象的范畴运动控制系统与过程控制系统5 按系统参数是否随时间变化时变系统和定常系统 稳定性 前提 快速性 动态性能 准确性 稳态精度 1 5对控制系统的基本要求 1稳定性对一个能正常工作的线性定常系统来说 在动态响应过程中 可以允许产生振荡现象 但其振幅度必须是逐渐衰减的 即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干次后 应能稳定到平衡位置 这种系统称为稳定系统 注 稳定性是控制系统正常工作的先决条件 由系统结构和参数决定 与外界因素无关 2快速性系统输出量和期望输出量产生偏差时 系统消除这种偏差的快慢程度 表征系统的动态性能 3准确性即稳态精度 用系统的稳态误差来表征 稳态误差是控制系统响应的稳态值与期望值之差 注 1不同性质的控制系统 对稳定性 精确性和快速性要求各有侧重 2系统的稳定性 精确性 快速性相互制约 应根据实际需求合理选择 1 6计算机控制 引言系统组成控制机与通用机区别系统发展概况 44 引言 计算机功能 信息存储记忆 逻辑判断推理和快速数值计算 应用 信息处理工具等 工程控制应用 例如 工业生产制造 轧机控制 航天器控制 在计算机控制推广应用的实践中 总结了系统的分析设计的理论和方法以及工程实现技术 使计算机控制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程科学技术 45 典型的计算机反馈控制系统框图 46 计算机控制系统的控制过程 1 实时数据采集 对被控制量的瞬时值进行检测 并且将采样结果输入到计算机 2 实时决策 对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后 按照预先规定的控制规律进行运算 则称实时决策 或简称决策 3 实时控制 根据实时决策结果 实时地对执行装置发出控制信号 4 信息管理 随着网络技术和控制策略的发展 信息共享和管理也介入到控制系统之中 测 算 控 管实时 47 系统组成 硬件组成主机外部设备过程输入输出设备 PIO设备 广义被控对象 48 49 控制机与通用机区别 结构上技术性能上 实时响应能力抗干扰 可靠MTBF 平均无故障时间 要求 50 软件组成系统软件 通用性软件 数据结构 OS 数据库系统 公共服务软件 各种语言编译 程序诊断 网络通信软件 应用软件 在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序 由设计人员据硬件 软件环境开发编写 如PLC 控制程序 实现预先设计的控制算法 对象运行状态反映给控制程序 控制程序产生控制信号驱动执行装置 其优劣影响控制品质过程输入 输出接口程序 与通道硬件配合 实现计算机与对象之间的数据信息传递 51 计算机控制系统发展史 随着计算机本身而发展随着控制理论而发展 52 随着计算机本身而发展 1 1946年第一台电子计算机问世 人们就萌生了将计算机用于导弹和飞机控制 但当时的计算机体积 功耗太大 可靠性太差 不可能用于控制系统 2 50年代中期 美国人开始研究计算机控制能否用于化工过程 59年3月在德克萨斯州的炼油厂正式运行 53 3 早期的计算机是电子管计算机 性 价比低 体积大 可靠性差 1958年计算机的MTBF为50 100小时 用于简单控制功能 60年代初半导体计算机取代了电子管计算机 MTBF约1000小时 62年英国帝国化学工业公司就成功实现了一个DDC系统 其中数据采集量为244个 控制129个阀门 DDC DirectDigitalcontrol 系统的实现无疑是计算机控制系统的一大进步 54 5 随着大规模集成电路 LSI 技术的突破 微型计算机于1971年问世 70年代中期出现了DCS DistributedcontrolSystems 成功解决了传统集中控制系统可靠性低的问题 使计算机控制大规模地推广应用 75年美国Honeywell公司 日本横河公司推出DCS产品 并都得到广泛的工业应用 我国70年代末 一些石化 冶金 电力等大企业陆续引进一批DCS 55 4 60年代后期 中小规模集成电路的小型计算机出现 加快了计算机控制的发展 但价格贵 6 80年代以后 随着超大规模集成电路 VLSI 技术的飞速发展 计算机朝着超小型化 软件固化发展 同时计算机控制也向智能化方向发展 56 随着控制理论而发展 自60年代以来 控制理论上形成了最优控制 多变量控制 系统辨识 自适应控制 鲁棒控制 预测控制 智能控制等 但这些先进的控制方法附加的应用条件 大多在工程上难以满足 因而实际应用受到限制 例如 绝大多数计算机控制系统至今仍沿用传统的PID反馈控制律 以至系统性能 功能受到较大限制 57 工业控制系统发展趋势 1以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流 2PLC在向微型化 3面向测控管一体化设计的集散控制系统 DCS 网络化 有线和无线结合 现场总线 FCS FieldbusControlSystem 4智能化 先进的控制算法 58 1 7传统控制理论的研究方法及内容建立数学模型 系统性能分析 控制器设计 1 8控制理论的发展史 1 20世纪40 60年代 经典控制理论阶段 对象 单输入单输出的线性定常系统 依赖于系统的精确数学模型 理论基础和方法 传递函数 频率特性 根轨迹 控制原理 负反馈控制 自动调节原理 研究目标 闭环系统达到预期的动态 静态性能 工程实用方法 PID调节原理 前馈补偿 60 2 20世纪60年代末 现代控制理论阶段 动力 航天器等空间技术的发展要求高性能 高精度的复杂控制系统 计算机发展提供了必要的技术手段 对象 多变量 变参数 非线性 连续的或离散的 依赖于系统的精确的数学模型 但把原来直接根据被控系统机理特性的建模方法 向基于参数估计和系统辨识理论的建模方法拓展了 描述方法 在时间域内应用状态方程 利于计算机运算 系统结构 多环 自适应环 学习环等 控制策略 最优控制 系统辨识 自适应控制 鲁棒控制 自校正控制 61 3 复杂的任务要求 传统的控制系统中 控制的任务要求输出为定值或者跟踪期望的运动轨迹 因此控制任务比较单一 但对于复杂的控制任务 如智能机器人系统 复杂工业过程控制系统 航空航天控制系统 社会经济管理系统等传统的控制理论都无能为力 2 高度非线性 传统控制理论中 线性系统理论比较成熟 对于具有高度非线性的控制对象 虽然也有一些非线性方法可供使用 但目前非线性控制理论还很不成熟 有些方法又过于复杂 无法广泛应用 1 不确定性的模型 传统控制是基于模型的控制 传统控制通常认为模型是已知的或通过辨识可以得到的 对于不确定性的模型 应用智能控制 3 20世纪70年代后期 智能控制理论传统控制论面临的挑战 人类智能 一些复杂的生产过程难以实现的目标 可以通过熟练的操作人员实现 骑自行车穿过人群 放风筝 下棋 竞技 解算题 猜谜语 讨论 制定计划 写程序等 人工智能 如果机器能执行这种任务 就可以认为机器已经具有某种性质的 人工智能 人工智能被人们称为世界三大尖端技术之一 空间技术 能源技术 人工智能 1 9智能控制论 智能控制 1 专家系统和专家控制2 模糊控制3 神经元网络控制 4 学习控制 仿人智能控制系统 遗传算法 智能控制的几个重要分支 模糊控制 将人类专家对特定对象的控制经验 运用模糊集理论进行量化 转化为可数学实现的控制器 从而实现对被控对象的控制 人类专家的控制经验是如何转化为数字控制器的 人类对热水器水温的调节 控制思想 如果水温偏高 就把燃气阀关小 如果水温偏低 就把燃气阀开大 输入e 输出u 模糊推理 规则库R D A 电磁阀 热水器 温度传感器 A D 期望值 e u 模糊值 模糊值 精确值 精确值 模糊化 去模糊化 热水器水温模糊控制系统结构 神经网络控制 68 直接专家控制 69 授课内容 控制概述系统的数学模型控制系统的时域分析法根轨迹法频率特性法信号的采样与复现Z传递函数离散系统的分析