《控制与接口技术引言2010ppt培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制与接口技术引言2010ppt培训课件（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、控制与接口技术,主讲教师：叶春生, Tel:027-87558370,华中科技大学材料学院,控制与接口技术,第一章 绪论 第二章 线性离散系统的分析与校正 第三章 控制系统的状态空间分析与综合 第四章 STM32处理器及其应用 第五章 数控（CNC）系统及其插补原理 第六章 数控机床的伺服驱动系统 第七章 SIMULINK交互式仿真集成环境,第一章 绪论,1）计算机以其运算速度快，可靠性高，价格便宜，被广泛地应用于工业、农业、国防以及日常生活的各个领域。例如，卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的控制、数控机床、伺服压力机、工业机器人的运动、力控系统、飞机、大型油轮的自动驾驶仪等等；2）许多常规的
2、控制仪表和调节器已经被计算机所取代，计算机正在控制整个生产过程，对生产中的各种参数，如温度、压力、流量、液位、转速和成分等进行采样；3）复杂的数据处理：生产工艺过程的统计数字和数据处理，复杂生产工艺过程的数值仿真。,内容提要,控制基础回顾 1.1计算机控制系统的组成 1.2典型计算机控制系统 1.3现场总线控制系统（FCS） 1.4计算机集成制造系统（CIMS） 1.5智能控制系统 1.6机电一体化控制系统 1.7工业控制计算机 1.8计算机总线,自动控制系统的组成可以是电气的，机械的，液压的，气动的等等，然而描述这些系统的数学模型却可以是相同的。通过数学模型来研究自动控制系统，就摆脱了各种类
3、型系统的外部关系而抓住这些系统的共同运动规律；控制系统的数学模型是通过物理学，化学，生物学等定律来描述的，如机械系统的牛顿定律，电气系统的克希霍夫定律等都是用来描述系统模型的基本定律。,自动控制系统,几个重要概念的回顾,数学模型是描述系统动态特性的数学表达式；数学模型可以有多种形式。在经典理论中，常用的数学模型是微（差）分方程，结构图，信号流图等；在现代控制理论中，采用的是状态空间表达式。结构图，信号流图，状态图是数学模型的图形表达形式。,数学模型,数学模型,数学模型的建立,建立合理的数学模型，对于系统的分析研究是十分重要的。合理包括两条：（1）反映元件及系统的特性要正确；（2）写出的数学式子
4、要简明；控制系统数学模型的要求可采用解析法和实验法。解析法是根据系统和元件所遵循的有关定律来建立数学模型的。用解析法建立数学模型时，对其内部所体现的运动机理和科学规律要十分清楚，要抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，力求所建立的数学模型要合理。实验法是根据实验数据来建立数学模型的，即人为地在系统上加上某种测试信号，用实验所得的输入和输出数据来辨识系统的结构，阶次和参数，这种方法也成为系统辨识。线性系统最重要的特性是可用叠加原理。对非线性系统当非线性不严重或变量变化范围不大时，可利用小偏差线性化的方法使数学模型线性化。,解析法建立运动方程,用解析法建立运动方程的步骤1）分析系统的工作原理和系统中各变量间
5、的关系，确定出待研究元件或系统的输入量和输出量；2）从输入端入手（闭环系统一般从比较环节入手），依据各元件所遵循的物理，化学，生物等规律，列写各自方程式，但要注意负载效应。所谓负载效应，就是考虑后一级对前一级的影响。3）将所有方程联解，消去中间变量，得出系统输入输出的标准方程。所谓标准方程包含三方面的内容：将与输入量有关的各项放在方程的右边，与输出量有关的各项放在方程的左边；各导数项按降幂排列；将方程的系数通过元件或系统的参数化成具有一定物理意义的系数。,计算机仿真和辅助设计,计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计
6、者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。 说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。,仿真的定义仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。计算机仿真的定义：是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。,计算机仿真,相似原理,1.1 计算机控制系统的组成,图 1-1 计算机控制系统基本框图,控制器,D/A,执行机构,被控对象,测量变送,A/D,工业控制计算机
7、,生产过程,给 定 量,输 出 量,在计算机控制系统中，对于给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，根据给定量和反馈量后，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）再经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟控制信号输出到执行机构，便完成了对系统的控制作用。,计算机控制系统组成,2、计算机控制系统组成,CPU/MEM,人机接口,系统支持,内 部 总 线,模拟量输入通道(AI),模拟量输入通道(AO),数字量输出通道(DO),数字量输入通道(DI),测量变送,执行机构,电气开关,电气开关,被 控 对 象,工业控制计算机,检测及执行机构,1. 2 典型计算机控制系统,目前
8、常用的比较典型的计算机控制系统，主要包括：1）PC总线的板卡与工控机组成的计算机控制系统；2）数字调节器的计算机控制系统；3）PLC的计算机控制系统；4）嵌入式系统的计算机控制系统；,1基于PC总线的板卡的工控机,工业控制计算机（Industrial Control Computer）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工控机与普通微机相比，有以下特点：（1）工控机总线设计支持各种模块化CPU卡和所有PCI/ISA总线接口板。（2）开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可
9、直接运行PC机的各种应用软件。（3）机箱采用全刚机架，可防止电磁干扰；具有足够地负载驱动能力。机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。,典型应用,叠层制造系统 （LOM）控制系统 1）X、Y、Z三轴由伺服电机驱动。 2）加热辊、送纸、收纸装置由异步电机驱动。 3）位移变速器和激光器的控制主要是A/D和D/A转换。,2数字调节器的计算机控制系统,数字调节器根据用途和性能的差异可以分为以下几种类型：定程序控制器、可编程调节器、混合控制器、批量控制器等。硬件电路由主机电路、过程输入通道、过程输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成。软件分为系统程序和用户程序两大部分。特点是运算
10、控制功能强、通过软件实现所需功能、带有自诊断功能、带有数字通讯功能、具有较有好的人机界面，通过数字调节器的人机接口，操作人员可以方便的对调节器进行操作。,数字调节器的应用,控制器具有手、自动工作状态、PID参数值、输入及输出值等一系列信息，并通过通信模块对控制器的控制设置必要的信息，如工作状态的变更、参数的设置等。,3 基于可编程控制器的计算机控制系统,可编程控制器（PLC）把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，而其本身又具有体积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。PLC的特点是高可靠
11、性、功能齐全、应用灵活、系统设计且调试周期短、操作维修方便。PLC主要缺点是人机界面比较差，数据存储和管理能力较差，虽然一些大型PLC在这方面有了较大发展。,可编程控制器的应用,图7-29 机械手控制示意图,机械手控制的基本要求,按起动按钮后，传送带A运行直到光电开关PS检测到物体，才停止，同时机械手下降。下降到位后机械手夹紧物体，2s后开始上升，而机械手保持夹紧。上升到位左转，左转到位下降，下降到位机械手松开，2s后机械手上升。上升到位后，传送带B开始运行，同时机械手右转，右转到位，传送带B停止，此时传送带A运行直到光电开关PS再次检测到物体，才停止循环,为了保证机械手动作准确，机械手上安装
12、了限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分别对机械手进行下降、上升、左转、右转等动作的限位，并给出动作到位的信号。,基于嵌入式系统的计算机控制系统,嵌入式系统所作的概念可以看出嵌入式系统具有以下几个主要特征是：专用性强、精简设计、系统内核小、嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于硬盘等载体中。嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统的应用领域可以包括为：工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统 、POS网络及电子商务、环境监测、机器人等。,基于嵌入式系统的硬件
13、平台体系结构,图2.3嵌入式硬件平台体系结构,嵌入式系统的LIN通讯,嵌入式LIN通讯,嵌入式系统的CAN通讯,嵌入式CAN通讯,嵌入式系统的电机控制,嵌入式电机控制,1.3 现场总线计算机控制系统,现场总线是90年代初期兴起的一种先进工业控制技术，和DCS相比是一种全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术，通信技术和控制技术的综合与集成;它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，它将传统的 DCS三层网络结构变成两层网络结构“工作站现场总线智能现场仪表”，降低了成本，提高了可靠性，实现了控
14、制管理一体化的结构体系。目前各类现场总线产品有40多种。,计算机控制系统的发展进程,现场总线的特点,通信线供电：通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。 全数字化通信：在现场总线控制系统中，从变法器的传感器到调节阀其信号一直保持数字性。工业现场环境的噪声及其它干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的强抗干扰能力使得过程控制的准确性和可靠性更高。 开放式互联网络：现场总线为开放式互联网络，可与不同层网络相连。不同制造厂家的产品可以十分方便地挂接在现场总线上而具有可互操作，用户可以根据性能价格比选用最优的，不
15、必保持任何修改，就可以构成所需的控制回路，自由地集成开放式控制系统。,现场总线的应用,图2 局域网路数控系统框图 功能模块结构简图，每个子模块都具有独立的编程、PLC和通讯功能，同时具有特殊功能的编程，以满足不同的控制要求，模块的基本结构如下：,图3 功能模块结构简图,1.4 现代集成制造系统,现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体
16、地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。,现代集成制造系统的技术构成,先进制造技术（AMTAdvanced Manufacturing Technology）作为一个专有名词至今还没有一个明确的、一致公认的定义。通过对其内涵和特征的研究，目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称 。,
