第3章自動化控制技術(shù)

第3章自動化控制技術(shù)3.1自動控制技術(shù)概述3.2PID控制技術(shù)3.3模糊控制理淪3.4計算機控制系統(tǒng)3.5先進控制方法簡介

3.1自動控制技術(shù)概述3.1.1自動控制系統(tǒng)的組成由圖3-1可以看出，一般自動控制系統(tǒng)包括:(1)給定元件。由它調(diào)節(jié)給定信號(Ust)，以調(diào)節(jié)輸出量的大小，此處為給定電位器。

(2)檢測元件。由它檢測輸出量(如爐溫T)的大小，并反饋到輸入端。此外為熱電偶。

(3)比較環(huán)節(jié)。在此處反饋信號與給定信號進行疊加，信號的極性以“+”或“-”表示。若為負(fù)反饋，則兩信號極性相反。若極性相同，則為正反饋。

(4)放大元件。由于偏差信號一般很小，所以要經(jīng)過電壓放大和功率放大，以驅(qū)動執(zhí)行元件。此處為晶體管放大器或集成運算放大器。

(5)執(zhí)行元件。是驅(qū)動被控制對象的環(huán)節(jié)。此處為伺服電動機、減速器和調(diào)壓器。

(6)控制對象。亦稱被調(diào)對象。在此恒溫系統(tǒng)中即為電爐。下一頁返回3.1自動控制技術(shù)概述

(7)反饋環(huán)節(jié)。由它將輸出量引出，再回送到控制部分。一般的閉環(huán)系統(tǒng)中反饋環(huán)節(jié)包括檢測、分壓、濾波等單元，反饋信號與輸入信號極性相同則為正反饋相反，則為負(fù)反饋。下一頁上一頁返回3.1自動控制技術(shù)概述3.1.2自動控制系統(tǒng)的組成和性能指標(biāo)

1.系統(tǒng)的穩(wěn)定性當(dāng)擾動或給定值發(fā)生變化時，輸出量將會偏離原來的穩(wěn)定值，這時，由于反饋環(huán)節(jié)的作用，通過系統(tǒng)內(nèi)部的自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可能回到(或接近)原來的穩(wěn)定值或跟隨給定值穩(wěn)定下來，這屬于穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖3-3(a)所示。但也可能由于內(nèi)部的相互作用，使系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)散而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，成為不穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖3-3(b)所示。顯然，不穩(wěn)定的系統(tǒng)是無法進行工作的。因此，對任何自動控制系統(tǒng)，首要的條件便是系統(tǒng)能穩(wěn)定正常運行。

下一頁上一頁返回3.1自動控制技術(shù)概述2.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)當(dāng)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)，或系統(tǒng)受擾動作用又重新平衡后，系統(tǒng)會出現(xiàn)偏差，這種偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的大小反映了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度(或靜態(tài)精度)，它表明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度。

3.系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)由于系統(tǒng)的對象和元件通常都具有一定的慣性(如機械慣性、電磁慣性、熱慣性等)，并且也由于能源功率的限制，系統(tǒng)中各種量值(如速度、位移、電流、溫度等)的變化不可能是突變的。因此，系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到新的穩(wěn)態(tài)都需要經(jīng)歷一段時間，即需要經(jīng)歷一個過渡過程。表征這個過渡過程性能的指標(biāo)叫做態(tài)指標(biāo)。下一頁上一頁返回3.1自動控制技術(shù)概述3.1.3開環(huán)控制和閉環(huán)控制

1.開環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸出量不被引回來對系統(tǒng)的控制部分產(chǎn)生影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。例如，一般洗衣機就是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。其浸濕、洗滌、漂清和脫水過程都是依設(shè)定的時間程序依次進行的，而無需對輸出量(如衣服清潔程度、脫水程度等)進行測量;又如普通機床的自動加工過程，也是開環(huán)控制。它是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加工指令(切削深度、行程距離)進行加工的，而不去檢測其實際加工的程度。再如圖3-5所示的由步進電機驅(qū)動的數(shù)控加工機床，也是一個沒有反饋環(huán)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng)。下一頁上一頁返回3.1自動控制技術(shù)概述

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)若系統(tǒng)輸出量通過反饋環(huán)節(jié)返回來作用于控制部分，形成閉合環(huán)路，這樣的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，又稱為反饋控制系統(tǒng)或自動控制系統(tǒng)。上一頁返回3.2PID控制技術(shù)

PID(ProportionalIntegralDifferential)控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在20世紀(jì)40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式，占整個工業(yè)過程控制算法的85%~90%

PID控制器根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用誤差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出控制量。圖3-6是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖。下一頁返回3.2PID控制技術(shù)其中廣義被控對象包括調(diào)節(jié)閥、被控對象和測量變送元件;虛線框內(nèi)部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值r(t)與被調(diào)量實測值y(t)構(gòu)成的控制偏差信號e(t)輸出為該偏差信號的比例、積分和微分的線性組合，也即PID控制律:下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)3.2.1數(shù)字PID控制

1.數(shù)字PID的控制算法考慮式((3-2)所述的模擬PID控制算法，為將其離散化，首先將連續(xù)的時間t離散化為一系列采樣時刻點kT(k為采樣序號，T為采樣周期)，而后以求和取代積分，以向后差分取代微分，于是得離散化的PID控制算法:下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)上式就是基本的數(shù)字PID算法。不難看出，基本的數(shù)字PID控制仍包含三個部分，比例部分，積分部分和微分部分。由于計算機輸出u(k)是直接控制執(zhí)行機構(gòu)動作的，u(k)的值與執(zhí)行機構(gòu)的位置一一對應(yīng)，所以通常稱式(3一4)為位置式PID控制算法。下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)實際應(yīng)用中，位置式PID控制算法會遇到一些問題:由于計算時要對e(k)累加，所以過去的所有狀態(tài)均要保存，這無疑增大了計算機的存儲量和運算的工作量;由于計算機輸出u(k)的直接對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，所以一旦計算機出現(xiàn)故障使得u(k)大幅度變化，必會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅變化，而這在生產(chǎn)實踐中是不允許的，在某些場合甚至?xí)斐芍卮蟮纳a(chǎn)事故;有些執(zhí)行機構(gòu)(如步進電機)要求控制器的輸出為增量形式，這些情況下位置式PID控制都不能使用，為此對位置式PID控制算法進行改進，引入增量式PID控制。所謂增量即兩個相鄰時刻控制輸出的絕對量之差。根據(jù)式((3-4)不難寫出u(k-1)的表達(dá)式，即下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)用式(3-4)減去式((3一5)即得增量式PID控制算法:為編程方便，可將式(3-5)整理成如下形式下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)圖3-7給出了增量式PID控制系統(tǒng)示意圖。2.數(shù)字PID參數(shù)的整定實際確定采樣周期(頻率)時主要考慮以下幾個方面。

(1)給定值的變化頻率。系統(tǒng)的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高。這樣，給定值的改變可以迅速通過采樣得到反映。

(2)被控對象的特性。若被控對象是慢速的熱工或化工對象時，采樣周期一般取得較大;若被控對象是較快速的系統(tǒng)時，如機電系統(tǒng)，采樣周期應(yīng)取得較小。

(3)執(zhí)行機構(gòu)的類型。若執(zhí)行機構(gòu)動作慣性大，采樣周期也應(yīng)大一些，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。如用步進電動機時，采樣周期較小;用氣動、液壓機構(gòu)時，采樣周期較大。下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)

(4)控制的回路數(shù)?？刂频幕芈窋?shù)n與采樣周期T有下列關(guān)系3.2.2智能PID控制方法

1.模糊PID控制自適應(yīng)PID控制通過在線辨識被控過程參數(shù)來實時整定控制參數(shù)，其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的。而實際上，盡管有些系統(tǒng)非常復(fù)雜，操作人員仍有許多成功的經(jīng)驗對其進行控制，人們自然就想到將這些經(jīng)驗存人計算機，由計算機根據(jù)現(xiàn)場實際情況自動調(diào)整PID參數(shù)進而實時控制，于是就出現(xiàn)了模糊PID控制。下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)模糊控制和PID控制的結(jié)合形式有很多。圖3-8給出利用模糊推理自整定PID參數(shù)的一種實現(xiàn)方法。

2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NeuralNetwork)模仿了人腦神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理、存儲和檢索機制，是一種以簡單計算處理單元(即神經(jīng)元)為節(jié)點，采用某種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的活性網(wǎng)絡(luò)，可以用來描述幾乎任意的非線性系統(tǒng);不僅如此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有學(xué)習(xí)能力、記憶能力、計算能力以及各種智能處理能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制相結(jié)合，將PID控制算法用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來表達(dá)，就可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機制對PID控制參數(shù)進行調(diào)整，從而使PID控制能適應(yīng)生產(chǎn)過程的變化，保證甚至優(yōu)化控制性能，圖3-10所示的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制即體現(xiàn)了這一思想。下一頁上一頁返回3.2PID控制技術(shù)3.專家智能自整定PID控制典型的專家智能自整定PID控制系統(tǒng)如圖3-11所示。專家系統(tǒng)包含了專家知識庫、數(shù)據(jù)庫和邏輯推理機三個部分。此處的專家系統(tǒng)可視為廣義調(diào)節(jié)器，專家知識庫中已經(jīng)把熟練操作工或?qū)＜业慕?jīng)驗和知識構(gòu)成PID參數(shù)選擇手冊，這部手冊記載了各種工況下被控對象特性所對應(yīng)的P,I,D參數(shù)，數(shù)據(jù)庫將被控對象的輸入與輸出信號及給定信號提供給知識庫和推理機。推理機能進行啟發(fā)式推理，決定控制策略。優(yōu)秀的專家系統(tǒng)可對已有知識和規(guī)則進行學(xué)習(xí)和修正，這樣對被控過程對象的知識了解可大大降低，僅根據(jù)輸入、輸出信息，就能實現(xiàn)智能自整定控制。上一頁返回3.3模糊控制理論所謂“模糊”，其意思是指客觀事物彼此間的差異在中間過渡時，界限不分明。比如，我們說“天氣熱”，那么氣溫到底多少度才算“熱”?顯然，沒有明確的界限，這種概念稱之為模糊概念?？诔Ｉ钪泻蜕a(chǎn)實踐中，存在著大量的模糊現(xiàn)象，以精確性為主要特點的經(jīng)典數(shù)學(xué)，對于這類問題是無能為力的，而這類問題，正是模糊數(shù)學(xué)的用武之地。3.3.1模糊集合的基本概念模糊數(shù)學(xué)是用精確的數(shù)學(xué)方法來描述模糊現(xiàn)象的數(shù)學(xué)。在模糊數(shù)學(xué)中，用模糊集合來表征模糊現(xiàn)象。普通集合的特征函數(shù)只有2個值:1或0，分別表示元素屬于或不屬于某集合。而模糊集合的特征函數(shù)可以在[0,1」區(qū)間內(nèi)連續(xù)取值。下一頁返回3.3模糊控制理論模糊集合的表示方法有:(1)當(dāng)模糊集合中的元素為有限個時，模糊集合可以表示為令zadeh表示法向量表示發(fā)序偶表示法下一頁上一頁返回3.3模糊控制理論(2)當(dāng)模糊集合中的元素為無窮多個時，模糊集合可用Zadeh表示法表示為3.3.2模糊推理

1.模糊語言算子模糊語言是用來表達(dá)一定淪域上的模糊集合，其任務(wù)是對人類語言進行定量化。模糊語言算子是指一類加強或削弱模糊語言表達(dá)程度的同。如“特別”“很”“相當(dāng)”等，可加在其他模糊同的前面進行修飾。下一頁上一頁返回3.3模糊控制理論

2.模糊推理推理是由已知判斷獲得另一個新判斷的思維過程。其中的已知判斷稱為前提，新判斷稱為結(jié)淪。判斷句與推理句:①判斷句型為“u是a”;②推理句型為“若u是a，則u是b”。以上u為研究對象(論域中的元素),a和b為概念同或概念同組。當(dāng)a和b的概念為模糊集合時，則為模糊推理語句。模糊條件推理，模糊條件推理語句可用模糊關(guān)系表示。設(shè)A是淪域X上的模糊子集，B和C是Y上的模糊子集，若條件推理語句為“若A則B，否則C”則該條件推理語句可用模糊關(guān)系表示為下一頁上一頁返回3.3模糊控制理論上式所表示的R中的元素可按下式求得:3.3.3模糊控制器原理及設(shè)計模糊控制首先根據(jù)人的思維方式，總結(jié)人的操作經(jīng)驗，然后用模糊語言和一系列的模糊條件語句，描述控制策略(控制規(guī)則)，最后通過計算機或?qū)Ｓ媚K實現(xiàn)這些規(guī)則，完成控制作用。模糊控制的設(shè)計不依賴于被控對象的精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制系統(tǒng)的組成如圖3-12所示。下一頁上一頁返回3.3模糊控制理論1.模糊控制原理圖3-13是一個二維模糊控制系統(tǒng)的示意圖。

2.模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計模糊控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計出模糊控制器。由圖3-13可知，模糊控制器由三部分組成:模糊化處理，模糊控制算法器(包含模糊規(guī)則和模糊推理決策)和非模糊化處理。下面以二維模糊控制器為例，詳細(xì)介紹模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟。一般說來，設(shè)計一個模糊控制系統(tǒng)包括:模糊系統(tǒng)中個模糊概念的確定;輸入精確量的模糊化;模糊控制算和模糊控制規(guī)則的確定;控制量的非模糊化處理和模糊控制查詢表的生成共5個環(huán)節(jié)。上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.1計算機控制系統(tǒng)的組成將模擬式自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)，如圖3-15所示。因此，簡單地說，計算機控制系統(tǒng)就是采用計算機來實現(xiàn)的工業(yè)自動控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。當(dāng)計算機接收了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算(如PID運算)，計算結(jié)果(數(shù)字信號)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬控制信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，便完成了對系統(tǒng)的控制作用。

下一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)典型的機電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用圖3一16來示意，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器、內(nèi)存儲器、磁盤驅(qū)動器、各種接口電路、以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運行操作臺等。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.2計算機在控制中的應(yīng)用方式

1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)如圖3-17所示，在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象。計算機只是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進行采集，然后根據(jù)一定的控制算法計算出供操作人員參考、選擇的操作方案和最佳設(shè)定值等，操作人員根據(jù)計算機的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，或者根據(jù)計算機輸出的控制量執(zhí)行相應(yīng)的操作。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活安全，特別適用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)，常常被用于計算機控制系統(tǒng)研制的初級階段，或用于試驗新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序等。由于最終需人工操作，故不適用于快速過程的控制。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖3-18所示。計算機通過輸入通道對一個或多個物理量進行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，然后發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。

3.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)(SCC)

在監(jiān)督計算機控制(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)中yl_算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，按照所設(shè)計的控制算法進行計算，計算出最佳設(shè)定值直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DCC計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器或SCC計算機控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DCC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖3-19所示。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

4.分級計算機控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。同時，設(shè)備一般分布在不同的區(qū)域，其中各工序，各設(shè)備同時并行地工作，基本相互獨立，故全系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。這種系統(tǒng)的特點是功能分散，用多臺計算機分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進行控制又能實現(xiàn)管理。圖3-20是一個四級計算機控制系統(tǒng)。其中過程控制級為最底層，對生產(chǎn)設(shè)備進行直接數(shù)字控制;車間管理級負(fù)責(zé)本車間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理;工廠管理級負(fù)責(zé)全廠各車間生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括安排生產(chǎn)計劃、備品備件等;企業(yè)(公司)管理級負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計劃，進行企業(yè)(公司)經(jīng)營方向的決策等。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.3工業(yè)控制計算機工業(yè)控制計算機是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的計算機，它是處理來自檢測傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，同時可對生產(chǎn)進行監(jiān)督、管理的計算機系統(tǒng)。應(yīng)用于工業(yè)控制的計算機主要有單片微型計算機、可編程序控制器(PLC)、總線工控機等類型。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)由于工業(yè)控制計算機的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性，決定了工業(yè)控制機主要有以下一些特點和要求。

1.實時性實時性是指計算機控制系統(tǒng)能在限定的時間內(nèi)對外來事件做出反應(yīng)的能力。為滿足實時控制要求，通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時間盡可能短，又要求系統(tǒng)能實時地監(jiān)視現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)，并進行在線修正，對緊急事故能及時處理。因此，工業(yè)控制計算機應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號通道。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

2.高可靠性工業(yè)控制計算機通?？刂浦I(yè)過程的運行，如果其質(zhì)量不高，運行時發(fā)生故障，又沒有相應(yīng)的冗余措施，則輕者使生產(chǎn)停頓，重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。很多生產(chǎn)過程是口夜不停地連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此要求與這些過程相連的工業(yè)控制機也必須無故障地連續(xù)運行，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的正確控制。另外，許多用于工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)控制機，環(huán)境惡劣，振動、沖擊、噪聲、高頻輻射及電磁波干擾往往I一分嚴(yán)重，以上這一切都要求工業(yè)控制計算機具有高質(zhì)量和很強的抗干擾能力，并且具有較長的平均無故障間隔時間。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.硬件配置的可裝配可擴充性工業(yè)控制計算機的使用場合千差萬別，系統(tǒng)性能、容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場相連接的外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量等差別更大，因此宜采用模塊化設(shè)計方法。

4.可維護性工業(yè)控制計算機應(yīng)有很好的可維護性，這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于維修，系統(tǒng)使用的板級產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運行狀態(tài)和精度不受影響;軟件和硬件的診斷功能強，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能快速準(zhǔn)確地定位。另外，模塊化模板上的信號應(yīng)加上隔離措施，保證發(fā)生故障時故障不會擴散，這也使故障定位變得容易。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.3.1單片微型計算機單片微型計算機簡稱為單片機，它是將CPU,RAM,ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時還具有定時/計數(shù)、通信和中斷等功能的微型計算機。自1976年Intel公司首片單片機問世以來，隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，單片機的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機型，并使運行速度、存儲器容量和集成度不斷提高。現(xiàn)在比較常用的單片機一般具有數(shù)十KB的閃存、16位的A/D及看門狗等功能，而各種滿足專門需要的單片機也可由生產(chǎn)廠家定做。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

1.MCS-51單片機系列

MCS51系列是市場上應(yīng)用最普遍的機型。它具有強大的存儲器擴展能力、豐富的指令系統(tǒng)和配置了較多的實用功能。MCS51單片機是8位的單片機，該系列包括有8031,8051,8751,2051,89051等多種機型。

2.MCS-96單片機系列

MCS96系列是16位單片機，適用于高速控制和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，硬件和指令系統(tǒng)的設(shè)計上較8位機有很多不同之處。MCS96單片機系列主要有8096,8094,8396,8394,8796等多種機型。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.3.2可編程序邏輯控制器(PLC)1.PLC的組成原理(1)CPU。與通用微機CPU一樣，它按PC系統(tǒng)程序的要求，接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù);用掃描的方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)寄存器中;診斷電源、內(nèi)部電路的故障和編程過程中的語法錯誤等。PC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀入用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出，去啟動有關(guān)的控制門電路，分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等工作;完成用戶程序規(guī)定的邏輯和算術(shù)運算等任務(wù);根據(jù)運算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表打印和數(shù)據(jù)通信等內(nèi)容。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

(2)存儲器。存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)程序存儲器的作用是存放監(jiān)控程序、命令解釋、功能子程序、調(diào)用管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。系統(tǒng)程序是由PC生產(chǎn)廠家提供的，并固化在存儲器中。用戶存儲器的作用是存儲用戶編寫的梯形邏輯圖等程序。用戶程序是使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。PC產(chǎn)品說明中提供的存儲器型號和容量一般指的是用戶程序存儲器。

(3)接口模塊。它是CPU與現(xiàn)場I/O裝置和其他外部設(shè)備之間的連接部件。PLC是通過接口模塊來實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的檢測、控制和聯(lián)網(wǎng)通信。各個生產(chǎn)廠家都有各自的模塊系列供用戶選用。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

2.PLC的性能特點

(1)存儲器。可以是帶有電源保護的RnM,EPROM或EEPROM(2)數(shù)字量輸入/輸出端子。具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能，端子點數(shù)多少是決定PLC控制規(guī)模的主要參數(shù)。

(3)計數(shù)器和定時器。在PLC的邏輯順序控制中，替代繼電器邏輯控制中的時間繼電器和計數(shù)繼電器。

(4)標(biāo)志(軟繼電器)。在PLC的邏輯順序控制中用作中間繼電器，其中的部分標(biāo)志具有保持作用。

下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)(5)平均掃描時間。指掃描用戶程序的時間，決定了PLC的控制響應(yīng)速度。

(6)診斷。由通電檢查和故障指示的軟件完成。

(7)通信接口。一般采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可以連接打印機和上位機等設(shè)備。

(8)編程語言。一般采用繼電器控制方式的梯形圖語言和語句表，并在此基礎(chǔ)上建立的控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語言。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.PLC的結(jié)構(gòu)特點

(1)單元式。特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便。它是將所有的電路都裝在一個機箱內(nèi)，構(gòu)成一個整體。為了實現(xiàn)輸入/輸出點數(shù)的靈活配置和易于擴展，通常都有不同點數(shù)的基本單元和擴展單元，其中某些單元為全輸入和全輸出型。

下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)(2)采用積木式組成方式。在機架上按需要插上CPU、電源、I/O模塊、及各種特殊功能模塊，構(gòu)成一個綜合控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的特點是CPU與各種接口模塊都是獨立的模塊，因此配置很靈活，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模要求選用不同檔次的CPU等各種模塊。由于不同檔次模塊的結(jié)構(gòu)尺寸和連接方式相同，對I/O點數(shù)很多的系統(tǒng)選型、安裝調(diào)試、擴展、維護都非常方便。目前大的PLC控制系統(tǒng)均采用該種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的PLC除了各種模塊外，還需要用主基板、擴展基板及基板間連接電纜將各模塊聯(lián)成整體。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)3.4.3.3總線工控機

1.STD總線工業(yè)控制機

STD總線最早是由美國的Pro-log公司在1978年推出的，是目前國際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，也是我國優(yōu)先重點發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機總線之一，它的正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE961標(biāo)準(zhǔn)。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的模塊式計算機系統(tǒng)，稱為STD總線工業(yè)控制機。典型STD總線工控機系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3-21所示，其突出特點是:模塊化設(shè)計，系統(tǒng)組成、修改和擴展方便;各模塊間相對獨立，使檢測、調(diào)試、故障查找簡便迅速;有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設(shè)計工作量;系統(tǒng)中可運行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。因此，在用STD總線進行控制系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件設(shè)計工作是選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)化功能模板，并將這些模板通過STD總線連接成所需的控制裝置。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)

2.PC總線工業(yè)控制機

IBM公司的PC總線微機最初是為了個人或辦公室使用而設(shè)計的，它早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個I/O擴充槽。大底板上具有8088處理器，加上一些存儲器，控制邏輯電路等。加入I/O擴充槽的目的是為了外接一些打印機、顯示器、內(nèi)存擴充和軟盤驅(qū)動器接口卡等。隨著微處理器的更新?lián)Q代，為了充分利用16位機如Intc180286等的性能，通過在原Pc總線的基礎(chǔ)上增加一個36引腳的擴展插座，形成了AT總線。這種結(jié)構(gòu)也稱為ISA(IndustryStandardArchitecture)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)PC/AT總線工業(yè)控制機，對原有微機作了以下幾方面的改進。

(1)機械結(jié)構(gòu)加固，使微機的抗振性好。

(2)采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。改進整機結(jié)構(gòu)，用CPU模板取代原有的大底板，使硬件構(gòu)成積木化，便于維修更換，也便于用戶組織硬件系統(tǒng)。

(3)加上帶過濾器的強力通風(fēng)系統(tǒng)，加強散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。

(4)采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。

(5)根據(jù)工業(yè)控制的特點，常采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。下一頁上一頁返回3.4計算機控制系統(tǒng)采用PC總線工業(yè)控制機有許多優(yōu)點，尤其是支持軟件特別豐富，各種軟件包不計其數(shù)，這可大大減少軟件開發(fā)的工作量，而且PC機聯(lián)網(wǎng)方便，容易構(gòu)成多微機控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。

表3-2給出了三種常用工業(yè)控制計算機的性能比較關(guān)系。上一頁返回3.5先進控制方法簡介3.5.1模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制是一種基于模型的滾動優(yōu)化控制策略，已在煉油、化工、冶金和電力等復(fù)雜工業(yè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。模型預(yù)測控制具有控制效果好、魯棒性強等優(yōu)點，可有效地克服過程的不確定性、非線性和關(guān)聯(lián)性，并能方便地處理過程的被控變量和操縱變量中的各種約束。一般而言，可將模型預(yù)測控制分為三大類。第一類，基于非參數(shù)模型的預(yù)測控制算法。代表性的算法有模型算法控制(MAC)和動態(tài)矩陣控制(DMC)。這類算法分別采用有限脈沖響應(yīng)模型和有限階躍響應(yīng)模型作為過程預(yù)測模型，無需考慮模型結(jié)構(gòu)和階次?？蓪⑦^程時滯納入模型中，尤其適合表示動態(tài)響應(yīng)不規(guī)則的對象特性，適合處理開環(huán)穩(wěn)定多變量過程約束問題的控制。下一頁返回3.5先進控制方法簡介第二類，基于ARMA或CARIMA等輸入/輸出參數(shù)化模型的預(yù)測控制算法。這類算法由經(jīng)典自適應(yīng)控制發(fā)展而來，融合了自校正控制和預(yù)測控制的優(yōu)點，其反饋校正通過模型的在線辨識和控制律的在線修正以自校正的方式實現(xiàn)，其中最具代表性的是廣義預(yù)測控制(GPC)算法，它可用于開環(huán)不穩(wěn)定、非最小相位和時變時滯等較難控制的對象，并對系統(tǒng)的時滯和階次不確定有良好的魯棒性。但對于多變量系統(tǒng)，算法實施較困難。第三類，稱為“滾動時域控制”，在理淪界，由著名的LQ或LQG算法發(fā)展而來。對于狀態(tài)空間模型，用有限時域二次性能指標(biāo)再加終端約束的滾動時域控制方法來保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。它已拓展至跟蹤控制和輸出反饋控制。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介模型預(yù)測控制的算法形式多樣，但其基本原理都是相同的，都是在每個采樣周期，以系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為起點，在線求解有限時域開環(huán)最優(yōu)問題，得到一個最優(yōu)控制序列，并將該序列的第一個控制量應(yīng)用到被控系統(tǒng)。作為一種有限時域滾動優(yōu)化控制策略，MPC具有三個基本要素，預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正，概括如下。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介

(1)在當(dāng)前時刻，基于過程的動態(tài)模型，對未來某段時域內(nèi)的過程輸出序列做出預(yù)測，這些預(yù)測值是當(dāng)前和未來控制作用的函數(shù);(2)按照某個目標(biāo)函數(shù)確定當(dāng)前和未來控制作用的大小，這些控制作用將使未來輸出預(yù)測序列沿某個參考軌跡“最優(yōu)地”達(dá)到期望的輸出設(shè)定值，但只實施當(dāng)前控制量;(3)在下一時刻，根據(jù)最新實測數(shù)據(jù)對前一時刻的過程輸出預(yù)測序列做出校正，并重復(fù)執(zhí)行(1),(2)下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介基于對生產(chǎn)過程測試中得到的過程動態(tài)數(shù)學(xué)模型，模型預(yù)測控制算法采用在線滾動優(yōu)化，且在優(yōu)化過程中不斷通過系統(tǒng)實際輸出與模型預(yù)測輸出之差來進行反饋校正。因此，它能在一定的程度上克服由于預(yù)測模型誤差和某些不確定性干擾等的影響，從而增強控制系統(tǒng)的魯棒性。從理淪上看，模型預(yù)測控制具有下列三個基本特征:(1)建立預(yù)測模型方便。(2)采用滾動優(yōu)化策略。(3)采用誤差反饋校正。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介3.5.2自適應(yīng)控制

1.模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(ModelReferenceAdaptiveSystem,MRAS)

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成，即參考模型、被控對象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機構(gòu)等部分，如圖3-23所示。從圖可以看出這類控制系統(tǒng)包含兩個環(huán)路:內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)是由被控對象和控制器組成的普通反饋回路，而控制器的參數(shù)則由外環(huán)調(diào)整。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介

2.自校正調(diào)節(jié)器(Self-tuningRegulator,STR)

這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的一個主要特點是具有一個被控對象數(shù)學(xué)模型的在線辨識環(huán)節(jié)，具體地說是加入了一個對象參數(shù)的遞推估計器。由于估計的是對象參數(shù)，而且調(diào)節(jié)器參數(shù)還要求解一個設(shè)計問題方能解出，所以這種自適應(yīng)控制系統(tǒng)可用圖3-24的結(jié)構(gòu)描述。這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)器也可設(shè)想成有內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對象和一個普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，這個調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個遞推參數(shù)估計器和一個設(shè)計機構(gòu)所組成。這種系統(tǒng)過程建模和控制的設(shè)計都是自動進行的，每個采樣周期都要更新一次。這種結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制器稱為自校正調(diào)節(jié)器。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介3.5.3智能控制智能控制就是應(yīng)用人工智能的理淪和技術(shù)及運籌學(xué)的優(yōu)化方法同控制理淪方法和技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效人類的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。一般可以把智能控制系統(tǒng)功能概括為下面的三點:(1)學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)對一個過程或未知環(huán)境所提供的信息進行識別、記憶、學(xué)習(xí)并利用積累的經(jīng)驗進一步改善系統(tǒng)的性能，這種功能同人的學(xué)習(xí)過程相類似。

(2)適應(yīng)功能。這種適應(yīng)能力包括更高層次的含義，除包括對輸入/輸出自適應(yīng)估計外，還包括故障情況下自修復(fù)等。

(3)組織功能。對于復(fù)雜任務(wù)和分散的傳感信息具有自組織和協(xié)調(diào)功能，使系統(tǒng)具有主動性和靈活性。智能控制器可以在任務(wù)要求范圍內(nèi)進行自行決策，主動采取行動，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)沖突時，在一定的限制下，各控制器可以在一定范圍內(nèi)自行解決。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介智能控制系統(tǒng)分為智能控制器和外部環(huán)境兩大部分。智能控制器由智能信息識別和處理、數(shù)據(jù)庫、控制決策、認(rèn)知實習(xí)、控制知識庫、評價機構(gòu)6部分組成;外部環(huán)境由廣義被控對象、傳感器和執(zhí)行器、外部各種干擾等不確定性因素等組成。智能控制系統(tǒng)的種類有:遞階控制、基于知識的專家控制和仿人智能控制。下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介專家控制是指將專家系統(tǒng)的理淪和技術(shù)同控制理淪方法與技術(shù)結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。專家控制的原理所設(shè)計的系統(tǒng)或控制器，分別稱為專家控制系統(tǒng)或?qū)＜铱刂破?。專家控制系統(tǒng)是指相當(dāng)于(領(lǐng)域)專家處理知識和解決問題能力的計算機智能軟件系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)不同于離線的專家系統(tǒng)，它不僅是獨立的決策者，而且具有獲得反饋信息并能實時在線控制的系統(tǒng)。專家控制系統(tǒng)的特點:高可靠性及長期運行的連續(xù)行、在線控制的實時性、優(yōu)良的控制性能及抗干擾性、使用的靈活性。如圖3-25所示為一個專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介3.5.4神經(jīng)控制傳統(tǒng)的基于模型的控制方式，是根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)來設(shè)計控制器，并對控制規(guī)律加以數(shù)學(xué)解析描述;模糊控制是基于專家經(jīng)驗和領(lǐng)域知識總結(jié)出若干條模糊控制規(guī)則，構(gòu)成描述具有不確定性復(fù)雜對象的模糊關(guān)系，通過被控系統(tǒng)輸出誤差及誤差變化和模糊關(guān)系的推理合成獲得控制量，從而對系統(tǒng)控制。這兩種控制方式都具有顯式表達(dá)知識的特點，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不善于顯式表達(dá)知識，但是它具有很強的逼近非線性函數(shù)的能力，即非線性映射能力。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制正是利用它的這個獨特優(yōu)點。

下一頁上一頁返回3.5先進控制方法簡介眾所周知，控制系統(tǒng)的目的在于通過確定適當(dāng)?shù)目刂屏枯斎?，使得系統(tǒng)獲得期望的輸出特性，圖3-26給出了一般反饋