控制技术基础-智能建筑专业.

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1、控制技术控制技术 基础基础 内容 概述 集散控制系统 现场总线控制系统 自动化（Automation 或 Automatization ） 1. 自动控制 就是指在脱离人的直接干预，利用控制装置 （简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的 某些物理量（如温度、压力、PH值等）准确地按 照预期的规律运行。 2. 自动控制系统 是指实现上述控制目的，由相互制约的各部 分按一定规律组成的具有特定功能的整体。 概述 水泵直接给水系统 并联气压给水系统 排水监控系统 自动控制理论 2. 现代控制理论 3. 大系统理论 4. 智能控制理论 自动控制理论的发展 1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输

2、出 单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方 向盘改变汽车的运动轨迹等。 t 0 1 输入r(t) t0 1 输入c(t) 1 2 理想的 调节过程 实际 自动控制理论的发展 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出 多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶 盘和加速踏板）和两个输出（方向和速度 ）的控制系统。 计算机科学地发展，极大地促进了控 制科学的发展 自动控制理论的发展 3、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结 合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大 、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特 点。它是一个多输入、多输出、多干扰、

3、多变量的 系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分 的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。 自动控制理论的发展 4、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是 人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据 人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前 需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有 争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验 与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题 （如建模等），因此得到了人们极大的重视，。 自动控制系统的分类 一、按信号的传递路径来分类

4、 1、开环控制系统 特点：系统的输出端与输入端不存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用不发生影响的系统。 自动控制系统的分类 2、闭环控制系统（反馈控制系统） 特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。 “ 闭环”这个术语的含义，就是将输出信号通过测量元件反馈 到系统的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。 自动控制系统的分类 二、按系统的控制作用来分类 1、恒值控制系统（或称自动调节系统、自 动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。工业 生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于 这一类型。 水泵直接给水系统 自动控制系统的分类 2、过程控制系统（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一

5、个已知的函数。系统 的控制过程 按预定的程序进行，要求被控量 能迅速准确地复现输入，如化工中的压力、 温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程 控制系统。 自动控制系统的分类 3、随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的 输出量跟随输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。 自动控制系统的分类 三、按系统传输信号的性质来分类 1、连续系统 特点：系统各部分信号都是模拟的连续函数。目前工业中 普遍采用的常规仪表PID调节器控制的系统。 2、离散系统 特点：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数码形式传 递的控制系统。系统中用脉冲

6、开关或采样开关，将连续信号 转变为离散信号。其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫 脉冲控制系统，离散信号以数码形式传递的系统又叫数字控 制系统。 自动控制系统的分类 自动控制系统的分类 四、按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性系统 特点：系统由线性元件构成，描述运动规律的数学模型为线 性微分方程。运动方程一般形式： 式中：r(t)系统输入量； c(t)系统输出量 主要特点是具有叠加性和齐次性。 自动控制系统的分类 2、非线性系统 特点：在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性 环节。 非线性的理论研究远不如线性系统那么完整，目前尚无 通用的方法可以解决各类非线性系统。 其他的分类方法：

7、按功能来分： 温度控制系统、速度控制系统、 位置控系统等。 按元件组成分：机电系统、液压系统、生物系统等。 自动控制系统的分类 分类小结 反馈控制系统的基本组成 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。 从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。 反馈控制系统的基本组成 1. 温控系统人工控制 反馈控制系统的基本组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程： 反馈控制系统的基本组成 2.温控系统自动控制 反馈控制系统的基本组成 控制目标：要求炉子的温度恒定在期望的数值上。 控制过程： 反馈控

8、制系统的基本组成 一般的形式 输入信号系统控制目标的反映，是人的意志的具体体。 控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制 量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状。 反馈控制系统的基本组成 火炮自动跟踪系统“火炮打飞机” 反馈控制系统的基本组成 3. 典型的反馈控制系统的结构图 对控制系统的要求及典型信号 基本要求： 稳定性 稳态特性 动态特性 （稳、准、快） 典型信号： 1. 脉冲信号 2.阶跃信号 3.斜坡信号 对控制系统的要求及典型信号 对控制系统的要求及典型信号 4. 加速度信号 5. 谐波信号 6. 指数信号 微型计算机控制系统原理图 计

9、算机控制系统的软件 软件是指能完成各种功能的计算机程序 的总和。 它是微型计算机控制系统的神经中枢， 整个系统的工作都是在程序的指挥下进 行协调工作的。 软件通常分为两大类：一类是系统软件 ，另一类是应用软件。 1可编程控制器（PLC） 2集散控制系统(DCS) 3人工智能(AI) 4神经网络(NN)控制系统 计算机控制系统的发展趋势 1可编程控制器（PLC） PLC与传统的继电器控制相比， 具有如下一些特点： （1）抗干扰能力强 （2）适应性好 （3）编程直观、简单 （4）功能完善，接口功能强 2集散控制系统（DCS ） Distributed Control Systems 3人工智能 人

10、工智能是用计算机模拟人类大脑的逻辑判断功能， 其中具有代表性的两个尖端领域是专家系统和机器人 。 所谓专家系统即计算机专家咨询系统，是一个存储了 大量专门知识的计算机程序系统。不同的专家系统将 不同领域专家的知识，以适当的形式存放于计算机中 。根据这些专家知识，专家系统可以对用户提出的问 题做出判断和决策，以回答用户的咨询。 机器人是一种能模拟人类智能和肢体动作的装置，从 本世纪70年代微处理机问世以来，机器人便逐渐涉 足于各工业生产领域和科学研究领域。目前已出现的 机器人可以分为两类，工业机器人和智能机器人。 4神经网络控制系统 国外在20世纪80年代掀起了神经网络（ Neural Netw

11、ork）计算机的研究和应用 热潮，我国在90年代也开始了这方面的 研究。由于神经网络的特点（大规模的 并行处理和分布式的信息存储，良好的 自适应性、自组织性和很强的学习功能 、联想功能及容错功能），使它的应用 越来越广泛，其中一个重要的方面是智 能控制，包含机器人控制。 常用接口技术 D/A转换器 A/D转换器 驱动电路 D/A转换器 在微机的各种接口中，完成外设信号到 微机所需数字信号转换的，称为模拟 数字转换（A/D转换）器； D/A转换器（Digital to Analog Converter）是一种能把数字量转换成 模拟量的电子器件； A/D转换器 完成微机输出数字信号到外设所需信号

12、转换的，称为数字模拟转换（D/A转 换）器。 A/D转换器（Analog to Digital Converter）则相反，它能把模拟量转 换成相应的数字量。在微机控制系统中 ，经常要用到A/D和D/A转换器。它们 的功能及在实时控制系统中的地位，如 图所示。 单片机和被控实体间的接口示意图 白炽灯驱动接口 开关量输出隔离电路 光电耦合控制直流电机 LED显示器件工作原理 发光二极管显示 字段。 7个发光二极管组 成字符“8”，1个发 光二极管构成小 数点。 键盘接口 中小功率直流电机 设电机在恒定电压下的转速为Vmax，控 制信号的占空比D= t /（其中t代表通 电时间，代表脉冲周期），则

13、电机的的 转速和控制信号的关系可用如下公式表 示： V=VmaxD 返回本节 方向控制 步进电机 集散型控制系统 （1）计算机控制系统阶段 1）数字计算机控制系统 2）计算机、模拟仪表混合控制系统 3）计算机监视控制系统 （2）集散控制系统阶段 第一节 集散型控制系统概述 集散型控制系统的产生与 发展 DCS基本结构分为 过程控制单元 操作显示站 数据通信网络 管理计算机 四部分 第一节 集散型控制系统概述 集散型控制系统的基本结构与特点 集散型控制系统四层结构模式 第一节 集散型控制系统概述 集散型控制系统的基本结构与特点 集散型控制系统的基本结构与功能 DCS的骨架系统网络 DCS的现场I

14、/O控制站 DCS的操作员站 DCS的工程师站 第一节 集散型控制系统概述 典型的DCS体系结构 第一节 集散型控制系统概述 集散型控制系统的基本结构与 特点 集散控制系统的特点 功能全、采用网络通信技术、实现了 人机对话技术、系统扩展灵活、可靠性高、 管理能力强、使用方便、完备的开放系统、采 用先进的计算机技术、具有综合性和专业性 第一节 集散型控制系统概述 集散型控制系统的 现场控制站 集散型控制系统一般分为三级 管理级 操作监控级 现场控制级 第二节 DCS的现场控制站 现场控制站的功能与结构 第二节 DCS的现场控制站 控制站机柜 第二节 DCS的现场控制站 机笼的正、背面结构图 1机

15、笼 2走线槽 3左进线孔 4右进线孔 5走线槽挡 板 6机笼扩展接口 7端子排 8交流输入接口 9直流输 入接口 第二节 DCS的现场控制站 硬件配置常用芯片 1. CPU 2. 存储器 只读存储器(ROM) 随机存贮器(RAM) 第二节 DCS的现场控制站 现场输入与输出单元 模拟量输入(AI)通道 端子板、信号调理器、A/D模板、柜内 连接电缆 模拟量输出(AO)通道 开关量输入(SI)通道 开关量蔬菜(SO)通道 脉冲量输入(PI)通道 第二节 DCS的现场控制站 电源 保证交流供电系统可靠性的几种措施 端子板 第二节 DCS的现场控制站 现场通信接口 第三节 现场主控单元与通信单元 现

16、场通信接口 串行接口 设计 上位机与通信软件及通信系统 第三节 现场主控单元与通信单元 抗干扰措施 接地系统抗干扰和抗静电干扰问题 软件抗干扰措施 第三节 现场主控单元与通信单元 集散型控制系统软件技术 操作系统 基本概念 实时多任务操作系统 任务、任务调度、任务互斥与同步、任务之 间的数据传递、存储器管理、设备管理、文件管理 第五节 集散型控制系统软件技术 数据库 数据库管理方式及数据库 实时数据库 实时数据库的作用 1.实时数据库是楼宇机电设备运行产生各种 数据的集成平台 2.实时数据库是操作信息、数据监测显示的 平台 3.实时数据库是先进控制、装置优化的平台 第五节 集散型控制系统软件技术 集散型控制系统组态 系统组态软