中国石油大学机电系统计算机控制 (1)

课程背景介绍：机电一体化背景课程：控制工程、高等数学、复变函数（线性代数）、微机原理、电子电工学、模拟电子技术、数字电子技术第1章主要内容：机电系统控制的基本概念计算机控制系统的组成和分类计算机控制系统的作用应用领域1、航空航天神六发射2、机器人机器人、集体演示、简单机器人；3、武器装备飞机、航母4、数控机床数控1、2、35、钻井平台第1章绪论1.1机电一体化系统概念机电一体化系统是指在系统主功能、信息处理功能和控制功能等方面引进了电子技术，并把机械装置、执行部件、计算机、检测与传感装置等电子设备以及软件等有机结合而构成的系统，即机械、执行、检测与传感、信息处理、接口和软件等部分在电子技术的支配下，以系统的观点进行结合而形成的一种新型机械系统。具体实例：计算机外设、办公自动化设备、微细加工设备、数控机床、数控加工中心、机器人、射压成型设备、武器系统、航空航天、航海设备、家用电子机械、电动玩具等。前这些系统的共性就是：绝大多数产品含有电子计算机或微处理器。1、定义控制：为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。包含：调节、调整、管理、监督、操作。引申概念：被控对象：一般广泛的系统，如：机械设备、工业过程被控参数：目标量，如：电机转速、大罐液位、压力等目标值：目标量的期望值一、控制（CONTROL）：2、分类手动控制：由人本身进行判断，并通过判断进行相应的控制；自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行；为实现复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来而形成的整体。可以实现系统的输出量保持某一恒定值，也可按某个运行规律实时调整。自动控制系统：自动控制的理论基础：自动控制理论2大分支：经典控制：以传递函数为基础，研究单输入单输出的线性定常系统。现代控制：以状态方程为基础，研究多变量变参数的系统。自动控制系统的发展方向：以控制论、信息论和人工智能为基础的智能控制。机械的发展和进步与控制是密不可分的。控制使得机械系统更加灵活、精确；机械使得控制理论更加完善和发展；稳定判据的产生：多个单独稳定的系统互相组合产生了不稳定的系统，可由劳斯判据、赫尔维兹判据、奈奎斯特判据等进行系统的稳定性判断。二、机械与控制三、机电控制系统的发展机电控制系统的发展按所用的控制器件来划分，经历了四个阶段。1、接触器、继电器控制2、晶体管、晶闸管控制3、计算机数字控制4、计算机集成制造系统四、机电一体化系统Mechatronics(Mechanics+Electronics)指在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能等方面引入了微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。机电一体化技术大致经历了参数显示、硬件控制、计算机数控、柔性生产系统、计算机集成制造系统、虚拟制造系统等过程。§1.2计算机控制系统的分类一、计算机控制系统定义：含有计算机并且由计算机完成全部或部分控制功能的控制系统。离线控制：分析、仿真、设计、建模、CAD；在线控制：实时控制（RealTime）；应用于两个方面：二、计算机控制系统的分类1、按照控制器的不同：继电器控制系统、液压控制系统、气压控制系统、计算机控制系统。2、按照控制精度：开环控制系统、闭环控制系统。3、按照控制规律：常规控制：反馈规律。高级控制：系统辨识、最优控制、自适应控制。智能控制：模糊控制、神经网络、专家系统、学习控制、分层递阶控制。DataAcquistionSystem在计算机的管理下，定期的对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及大量数据进行积累和分析。该系统不参与控制，提供监测和实时参考。4、按照功能和结构：分为DAS、DDC、SCC、DCS1）、操作指导控制系统（数据采集和数据处理系统DAS）数据采集和数据处理系统DirectDigitalControlSystem计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回检测，经采样、AD转换将其转换成数字量，再根据采样值和内部预先编制好的控制规律算法计算出控制量，最后发出控制信号，直接去控制执行机构，使各个被控制量达到预定要求。2）、直接数字控制系统DDC直接数字控制系统SupervisoryComputerControlSystem由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或DDC，最后由模拟调节器或DDC控制生产过程，从而使生产过程始终处于最优工况。3）、监督控制系统SCC监督控制系统_SCC+模拟调节器系统工艺数据记录显示打印SCC计算机A/D转换器采样器输出扫描地址D/A转换器输出扫描输出扫描地址模拟调参器执行机构测量元件工艺对象工艺数据记录显示打印SCC计算机A/D转换器采样器输出扫描地址D/A转换器输出扫描输出扫描地址模拟调参器执行机构测量元件工艺对象DOC计算机SCC+DOC控制系统DistributedControlSystem集中管理，分散控制4）、分布式计算机控制系统DCS5）、现场总线控制系统FCS在智能现场设备、自动化系统之间提供一个全数字化、双向的、多节点的通讯链接。§1.3计算机控制系统的作用自学§1.4计算机控制系统的要求一、稳定性(stability)系统动态过程的振荡倾向及恢复平衡状态的能力。稳定裕度：相位裕度γ，幅值裕度Kg控制系统的控制精度：误差e（理想输出－实际输出）偏差ε（输入信号－反馈信号）二、精确性(accuracy)三、快速性(fastness)指系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。超调量Mp,调节时间ts，峰值时间tp，振荡次数N。稳、准、快是相互制约的，提高快速性，易振荡；改善稳定性，过程可能过于迟缓，精度也不好。总结：本章总结：1、基本概念：机电、系统、控制、机电一体化系统；2、计算机控制系统：定义、计算机控制系统的组成；3、计算机控制系统的分类：DAS、DDC、SCC、DCS、FCS；其他分类方式；4、计算机控制系统的要求：