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計算機控制原理 胡玉琦 1 第一章控制概論 1 1控制系統(tǒng)的發(fā)展史 1 2自動控制的一般概念 1 3開環(huán)控制和閉環(huán)控制 1 4控制系統(tǒng)的分類 1 5對控制系統(tǒng)的基本要求 1 6計算機控制 1 7傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法 1 8自動控制理論的發(fā)展史 1 9智能控制論 2 1 1控制系統(tǒng)的發(fā)展史 前期控制 1400BC 1900 經(jīng)典控制 1935 1950 現(xiàn)代控制 1950 Now 前期控制 1400BC 1900 中國 埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺 1400BC 1100BC 希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈 BC250 中國東漢時期天文學(xué)家 研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀 世界上第一架測驗地震的儀器 是中國古代一項重要的科學(xué)發(fā)明 它比歐洲出現(xiàn)地震儀的時間要早1500年左右 成功地記錄了138年發(fā)生在甘肅的一次強烈地震 中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 235年 車雖回運而手常指南 中國明代宋應(yīng)星所著 天工開物 記載了有程序控制思想的提花織機結(jié)構(gòu)圖 1637 英國J Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度 1788年 控制進(jìn)氣閥的開啟程度來控制蒸汽機速度 經(jīng)典控制 1915 1950 美國N Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu) 提出PID控制方法 1922 美國E Sperry以及C Mason研制出火炮控制器 1925 氣壓反饋控制器 1929 現(xiàn)代控制 1950 Now 美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床 1952 美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機 1954 兩年后 被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司 Unimation 美國M E Merchant提出計算機集成制造的概念 1969 日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元 1976 中國批準(zhǔn)863高技術(shù)計劃 包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題 1986 日本安川公司娛樂機械狗 2001 日本SONY公司二足步行機械人SDR 4X 2002 神州號發(fā)射 返回 15 嫦娥一號 16 樓宇自動控制系統(tǒng) BuildingAutomationSystem 是建筑智能化的重要組成部分 對整座建筑的空調(diào)系統(tǒng) 風(fēng)機組 制冷機組 冷卻塔 水箱水位 給排水 變配電 照明回路等系統(tǒng)進(jìn)行信號采集和控制 實現(xiàn)大廈設(shè)備管理自動化 起到集中管理 分散控制 節(jié)能降耗的作用 17 18 例1 人工控制爐溫 控制過程 1觀測爐溫 被控量 2與要求的溫度 給定值 進(jìn)行比較得到溫度偏差的大小和方向3根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器 控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求的溫度 1 2自動控制的基本概念 人工爐溫控制框圖 20 控制的實質(zhì) 檢測偏差和糾正偏差 爐溫自動控制 21 控制過程 1爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u22期望的爐溫由電壓u1給定 并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號 u u1 u23溫度偏差信號經(jīng)電壓 功率放大后 用以驅(qū)動執(zhí)行電動機 并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭 當(dāng)溫度偏高時 動觸頭向減小電壓的方向運動 反之加大電壓 直到溫度達(dá)到給定值為止 此時 偏差 u 0 電機停止轉(zhuǎn)動 22 爐溫自動控制流程 23 控制的實質(zhì) 檢測偏差和糾正偏差 從爐溫控制系統(tǒng)工作過程定義變量 系統(tǒng)輸入量 參考輸入量 信號 系統(tǒng)輸出量偏差信號反饋 反饋信號 顯然 反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上 其控制方式是 檢測偏差再糾正偏差 控制系統(tǒng)的工作原理 檢測輸出量 被控制量 的實際值 將輸出量的實際值與給定值 輸入量 進(jìn)行比較得出偏差 用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差 使得輸出量維持期望的輸出 系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計擾動的情況下 自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差 故稱之為反饋控制 例2 車床主軸的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 例3 雷達(dá)導(dǎo)引隨動控制系統(tǒng) 控制目標(biāo) 輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化 由于輸入軸的位置無法預(yù)先確定 隨動系統(tǒng) 隨動系統(tǒng)的原理圖 31 自動控制要解決的基本問題如何使被控制量按照給定量的變化規(guī)律變化 就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題 解決方法閉環(huán)控制 反饋控制 偏差控制 1 3 小結(jié) 自動控制系統(tǒng) 在沒有人直接參與的情況下 利用控制裝置對被控對象進(jìn)行控制操縱 使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng) 自動控制理論 研究自動控制共同規(guī)律的一門科學(xué) 包括 工程控制論 生物 經(jīng)濟(jì) 社會控制論 32 1 3開環(huán)控制和閉環(huán)控制 一 開環(huán)控制控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制 開環(huán)控制系統(tǒng) 二 閉環(huán)控制 開環(huán)和閉環(huán) 實際的控制系統(tǒng)按有無反饋作用來界定反饋 輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程負(fù)反饋 反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小 三 開環(huán)控制與反饋控制的比較 開環(huán)優(yōu)點 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)試容易 當(dāng)輸入信號和擾動能預(yù)先知道時 控制效果較好 缺點 不能自動修正被控制量的偏離 系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大 抗干擾能力差 閉環(huán)優(yōu)點 具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力 可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差 控制精度高 抗干擾能力強 缺點 被控量可能出現(xiàn)振蕩 甚至發(fā)散 1 6 四 自動控制技術(shù)的作用 1 自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化 極大地提高了勞動生產(chǎn)率 而且減輕了人的勞動強度 2 自動控制使工作具有高度的準(zhǔn)確性 大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力 例如火炮自動跟蹤系統(tǒng)必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機 3 某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術(shù)了 例如原子能的生產(chǎn) 37 ACT DT1型電機轉(zhuǎn)速控制模型該模塊是一個典型的控制對象 可進(jìn)行電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制 在面板上安裝有1個12V工作的直流電機 可用0 10V的直流控制信號控制其轉(zhuǎn)速 電機轉(zhuǎn)速為0 1500rpm連續(xù)可調(diào) 轉(zhuǎn)速通過光電碼盤進(jìn)行檢測 經(jīng)過頻壓轉(zhuǎn)換后輸出1 10V轉(zhuǎn)速信號 在面板上設(shè)置有1只0 10V直流電壓表和1只轉(zhuǎn)速表 可用于電壓測量和轉(zhuǎn)速指示 1 4控制系統(tǒng)的類型 1 按輸入信號分類 定值控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng) 隨動系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)2 按系統(tǒng)是否滿足疊加原理線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)3 按系統(tǒng)控制器是否采用計算機計算機 數(shù)字 控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)4 按控制對象的范疇運動控制系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)5 按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化時變系統(tǒng)和定常系統(tǒng) 穩(wěn)定性 前提 快速性 動態(tài)性能 準(zhǔn)確性 穩(wěn)態(tài)精度 1 5對控制系統(tǒng)的基本要求 1穩(wěn)定性對一個能正常工作的線性定常系統(tǒng)來說 在動態(tài)響應(yīng)過程中 可以允許產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象 但其振幅度必須是逐漸衰減的 即系統(tǒng)的被控變量在圍繞其平衡位置振蕩若干次后 應(yīng)能穩(wěn)定到平衡位置 這種系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng) 注 穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定 與外界因素?zé)o關(guān) 2快速性系統(tǒng)輸出量和期望輸出量產(chǎn)生偏差時 系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度 表征系統(tǒng)的動態(tài)性能 3準(zhǔn)確性即穩(wěn)態(tài)精度 用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征 穩(wěn)態(tài)誤差是控制系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值與期望值之差 注 1不同性質(zhì)的控制系統(tǒng) 對穩(wěn)定性 精確性和快速性要求各有側(cè)重 2系統(tǒng)的穩(wěn)定性 精確性 快速性相互制約 應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇 1 6計算機控制 引言系統(tǒng)組成控制機與通用機區(qū)別系統(tǒng)發(fā)展概況 44 引言 計算機功能 信息存儲記憶 邏輯判斷推理和快速數(shù)值計算 應(yīng)用 信息處理工具等 工程控制應(yīng)用 例如 工業(yè)生產(chǎn)制造 軋機控制 航天器控制 在計算機控制推廣應(yīng)用的實踐中 總結(jié)了系統(tǒng)的分析設(shè)計的理論和方法以及工程實現(xiàn)技術(shù) 使計算機控制成為以控制理論和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新的工程科學(xué)技術(shù) 45 典型的計算機反饋控制系統(tǒng)框圖 46 計算機控制系統(tǒng)的控制過程 1 實時數(shù)據(jù)采集 對被控制量的瞬時值進(jìn)行檢測 并且將采樣結(jié)果輸入到計算機 2 實時決策 對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后 按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運算 則稱實時決策 或簡稱決策 3 實時控制 根據(jù)實時決策結(jié)果 實時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號 4 信息管理 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展 信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中 測 算 控 管實時 47 系統(tǒng)組成 硬件組成主機外部設(shè)備過程輸入輸出設(shè)備 PIO設(shè)備 廣義被控對象 48 49 控制機與通用機區(qū)別 結(jié)構(gòu)上技術(shù)性能上 實時響應(yīng)能力抗干擾 可靠MTBF 平均無故障時間 要求 50 軟件組成系統(tǒng)軟件 通用性軟件 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) OS 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 公共服務(wù)軟件 各種語言編譯 程序診斷 網(wǎng)絡(luò)通信軟件 應(yīng)用軟件 在系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序 由設(shè)計人員據(jù)硬件 軟件環(huán)境開發(fā)編寫 如PLC 控制程序 實現(xiàn)預(yù)先設(shè)計的控制算法 對象運行狀態(tài)反映給控制程序 控制程序產(chǎn)生控制信號驅(qū)動執(zhí)行裝置 其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)過程輸入 輸出接口程序 與通道硬件配合 實現(xiàn)計算機與對象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞 51 計算機控制系統(tǒng)發(fā)展史 隨著計算機本身而發(fā)展隨著控制理論而發(fā)展 52 隨著計算機本身而發(fā)展 1 1946年第一臺電子計算機問世 人們就萌生了將計算機用于導(dǎo)彈和飛機控制 但當(dāng)時的計算機體積 功耗太大 可靠性太差 不可能用于控制系統(tǒng) 2 50年代中期 美國人開始研究計算機控制能否用于化工過程 59年3月在德克薩斯州的煉油廠正式運行 53 3 早期的計算機是電子管計算機 性 價比低 體積大 可靠性差 1958年計算機的MTBF為50 100小時 用于簡單控制功能 60年代初半導(dǎo)體計算機取代了電子管計算機 MTBF約1000小時 62年英國帝國化學(xué)工業(yè)公司就成功實現(xiàn)了一個DDC系統(tǒng) 其中數(shù)據(jù)采集量為244個 控制129個閥門 DDC DirectDigitalcontrol 系統(tǒng)的實現(xiàn)無疑是計算機控制系統(tǒng)的一大進(jìn)步 54 5 隨著大規(guī)模集成電路 LSI 技術(shù)的突破 微型計算機于1971年問世 70年代中期出現(xiàn)了DCS DistributedcontrolSystems 成功解決了傳統(tǒng)集中控制系統(tǒng)可靠性低的問題 使計算機控制大規(guī)模地推廣應(yīng)用 75年美國Honeywell公司 日本橫河公司推出DCS產(chǎn)品 并都得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用 我國70年代末 一些石化 冶金 電力等大企業(yè)陸續(xù)引進(jìn)一批DCS 55 4 60年代后期 中小規(guī)模集成電路的小型計算機出現(xiàn) 加快了計算機控制的發(fā)展 但價格貴 6 80年代以后 隨著超大規(guī)模集成電路 VLSI 技術(shù)的飛速發(fā)展 計算機朝著超小型化 軟件固化發(fā)展 同時計算機控制也向智能化方向發(fā)展 56 隨著控制理論而發(fā)展 自60年代以來 控制理論上形成了最優(yōu)控制 多變量控制 系統(tǒng)辨識 自適應(yīng)控制 魯棒控制 預(yù)測控制 智能控制等 但這些先進(jìn)的控制方法附加的應(yīng)用條件 大多在工程上難以滿足 因而實際應(yīng)用受到限制 例如 絕大多數(shù)計算機控制系統(tǒng)至今仍沿用傳統(tǒng)的PID反饋控制律 以至系統(tǒng)性能 功能受到較大限制 57 工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 1以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流 2PLC在向微型化 3面向測控管一體化設(shè)計的集散控制系統(tǒng) DCS 網(wǎng)絡(luò)化 有線和無線結(jié)合 現(xiàn)場總線 FCS FieldbusControlSystem 4智能化 先進(jìn)的控制算法 58 1 7傳統(tǒng)控制理論的研究方法及內(nèi)容建立數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)性能分析 控制器設(shè)計 1 8控制理論的發(fā)展史 1 20世紀(jì)40 60年代 經(jīng)典控制理論階段 對象 單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng) 依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型 理論基礎(chǔ)和方法 傳遞函數(shù) 頻率特性 根軌跡 控制原理 負(fù)反饋控制 自動調(diào)節(jié)原理 研究目標(biāo) 閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的動態(tài) 靜態(tài)性能 工程實用方法 PID調(diào)節(jié)原理 前饋補償 60 2 20世紀(jì)60年代末 現(xiàn)代控制理論階段 動力 航天器等空間技術(shù)的發(fā)展要求高性能 高精度的復(fù)雜控制系統(tǒng) 計算機發(fā)展提供了必要的技術(shù)手段 對象 多變量 變參數(shù) 非線性 連續(xù)的或離散的 依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型 但把原來直接根據(jù)被控系統(tǒng)機理特性的建模方法 向基于參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識理論的建模方法拓展了 描述方法 在時間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程 利于計算機運算 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 多環(huán) 自適應(yīng)環(huán) 學(xué)習(xí)環(huán)等 控制策略 最優(yōu)控制 系統(tǒng)辨識 自適應(yīng)控制 魯棒控制 自校正控制 61 3 復(fù)雜的任務(wù)要求 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中 控制的任務(wù)要求輸出為定值或者跟蹤期望的運動軌跡 因此控制任務(wù)比較單一 但對于復(fù)雜的控制任務(wù) 如智能機器人系統(tǒng) 復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng) 航空航天控制系統(tǒng) 社會經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制理論都無能為力 2 高度非線性 傳統(tǒng)控制理論中 線性系統(tǒng)理論比較成熟 對于具有高度非線性的控制對象 雖然也有一些非線性方法可供使用 但目前非線性控制理論還很不成熟 有些方法又過于復(fù)雜 無法廣泛應(yīng)用 1 不確定性的模型 傳統(tǒng)控制是基于模型的控制 傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為模型是已知的或通過辨識可以得到的 對于不確定性的模型 應(yīng)用智能控制 3 20世紀(jì)70年代后期 智能控制理論傳統(tǒng)控制論面臨的挑戰(zhàn) 人類智能 一些復(fù)雜的生產(chǎn)過程難以實現(xiàn)的目標(biāo) 可以通過熟練的操作人員實現(xiàn) 騎自行車穿過人群 放風(fēng)箏 下棋 競技 解算題 猜謎語 討論 制定計劃 寫程序等 人工智能 如果機器能執(zhí)行這種任務(wù) 就可以認(rèn)為機器已經(jīng)具有某種性質(zhì)的 人工智能 人工智能被人們稱為世界三大尖端技術(shù)之一 空間技術(shù) 能源技術(shù) 人工智能 1 9智能控制論 智能控制 1 專家系統(tǒng)和專家控制2 模糊控制3 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制 4 學(xué)習(xí)控制 仿人智能控制系統(tǒng) 遺傳算法 智能控制的幾個重要分支 模糊控制 將人類專家對特定對象的控制經(jīng)驗 運用模糊集理論進(jìn)行量化 轉(zhuǎn)化為可數(shù)學(xué)實現(xiàn)的控制器 從而實現(xiàn)對被控對象的控制 人類專家的控制經(jīng)驗是如何轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制器的 人類對熱水器水溫的調(diào)節(jié) 控制思想 如果水溫偏高 就把燃?xì)忾y關(guān)小 如果水溫偏低 就把燃?xì)忾y開大 輸入e 輸出u 模糊推理 規(guī)則庫R D A 電磁閥 熱水器 溫度傳感器 A D 期望值 e u 模糊值 模糊值 精確值 精確值 模糊化 去模糊化 熱水器水溫模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 68 直接專家控制 69 授課內(nèi)容 控制概述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的時域分析法根軌跡法頻率特性法信號的采樣與復(fù)現(xiàn)Z傳遞函數(shù)離散系統(tǒng)的分析