計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)概論

第五講計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程基本要求了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的形成，發(fā)展過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì);掌握控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)分析；掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)方法;了解智能控制系統(tǒng)；了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)；教材及主要參考書(shū)1.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》熊靜琪電子工業(yè)出版社20032.《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》王勤編東南大學(xué)出版社2003主要內(nèi)容：2.3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成和分類三、控制用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例五、控制理論的發(fā)展史一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是：

自動(dòng)控制技術(shù)：

18世紀(jì):鍋爐供水的水位調(diào)節(jié)裝置等

19世紀(jì)：直觀創(chuàng)造發(fā)明，設(shè)計(jì)出一些自動(dòng)控制系統(tǒng)

20世紀(jì)：在軍事、航天、航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)技術(shù)：計(jì)算機(jī)技術(shù)50年代末，計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制60年代，從早期的操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）60年代后期，小型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）70年代，分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem）80年代后期到90年代，CIPS系統(tǒng)和CIMS系統(tǒng)二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類以自動(dòng)控制的方式分類以參與控制方式來(lái)分類以自動(dòng)控制的方式分類計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)在線控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)離線控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)若計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出對(duì)生產(chǎn)過(guò)程能行使控制,但控制結(jié)果---生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)沒(méi)有影響計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng),計(jì)算機(jī)\控制器\生產(chǎn)過(guò)程等環(huán)節(jié)沒(méi)有構(gòu)成閉合環(huán)路,則稱之為計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng).生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)沒(méi)有反饋給計(jì)算機(jī),而是由操作人員監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài),決定控制方案,并告訴控制計(jì)算機(jī)使其行使控制作用.計(jì)算機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行控制時(shí),生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)能直接影響計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng),稱之為計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng).

計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng),利用數(shù)學(xué)模型設(shè)置生產(chǎn)過(guò)程最佳值與檢測(cè)結(jié)果反饋值之間的偏差,控制達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行在最佳狀態(tài).計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)在線控制系統(tǒng)只要計(jì)算機(jī)對(duì)受控對(duì)象或受控生產(chǎn)過(guò)程,能夠行使直接控制,不需要人工干預(yù)的都稱之為控制計(jì)算機(jī)在線控制或稱聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng).計(jì)算機(jī)離線控制系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)沒(méi)有直接參與控制對(duì)象或受控生產(chǎn)過(guò)程.它只完成受控對(duì)象或受控過(guò)程的狀態(tài)檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;而后制定出控制方案,輸出控制指示,操作人員參考控制指示,人工手動(dòng)操作使控制部件對(duì)受控對(duì)象或受控過(guò)程進(jìn)行控制.這種控制形式稱之為計(jì)算機(jī)離線控制系統(tǒng).計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是指受控制的對(duì)象或受控過(guò)程,每當(dāng)請(qǐng)求處理或請(qǐng)求控制時(shí),控制機(jī)能及時(shí)處理并進(jìn)行控制的系統(tǒng),常用在生產(chǎn)過(guò)程是間斷進(jìn)行的場(chǎng)合.如煉鋼,每煉一爐鋼是一個(gè)過(guò)程;又如軋鋼過(guò)程,每軋出一塊鋼算一個(gè)過(guò)程,每個(gè)過(guò)程都重復(fù)進(jìn)行.只有進(jìn)入過(guò)程才要求計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制.在計(jì)算機(jī)一旦進(jìn)行控制時(shí),就要求計(jì)算機(jī)對(duì)來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程的信息在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)或控制.這種系統(tǒng)常使用完善的中斷系統(tǒng)和中斷處理程序來(lái)實(shí)現(xiàn).一個(gè)在線系統(tǒng)并不一定是實(shí)時(shí)系統(tǒng).但是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必是一個(gè)在線系統(tǒng).以參與控制方式來(lái)分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)督控制系統(tǒng)分級(jí)控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)操作人員通過(guò)控制儀表對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制；計(jì)算機(jī)未施加直接的控制作用，實(shí)際的操作控制是由人和控制儀表進(jìn)行的；開(kāi)環(huán)指導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，用于指導(dǎo)人們對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的操作和控制。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）由控制計(jì)算機(jī)取代常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)儀表而直接對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制,由于計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)為數(shù)字量，故得名DDC控制。實(shí)際上受控的生產(chǎn)過(guò)程的控制部件,接受的控制信號(hào)可以通過(guò)控制機(jī)的過(guò)程輸入/輸出通道中的數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量中轉(zhuǎn)換成模擬量;輸入的模擬量也要經(jīng)控制機(jī)的過(guò)程輸入/輸出通道的模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)入計(jì)算機(jī).監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)是針對(duì)某一種生產(chǎn)過(guò)程,依據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的各種狀態(tài),按生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)行的最佳給定值,并將最佳值自動(dòng)地或人工對(duì)DDC執(zhí)行級(jí)的計(jì)算機(jī)或?qū)δM調(diào)節(jié)儀表進(jìn)行調(diào)正或設(shè)定控制的目標(biāo)值.由DDC或調(diào)節(jié)儀表對(duì)生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)點(diǎn)(運(yùn)行設(shè)備)行使控制.SCC系統(tǒng)的特點(diǎn)是能保證受控的生產(chǎn)過(guò)程始終處于最佳狀態(tài)情況下運(yùn)行,因而獲得最大效益.直接影響SCC效果優(yōu)劣的首先是它的數(shù)學(xué)模型,為此要經(jīng)常在運(yùn)行過(guò)程中改進(jìn)數(shù)學(xué)模型,并相應(yīng)修改控制算法和應(yīng)用控制程序.分級(jí)控制系統(tǒng)（HC）DDC級(jí)主要用于直接控制生產(chǎn)過(guò)程,進(jìn)行PID或前饋控制;SCC級(jí)主要用于進(jìn)行最佳控制或自適應(yīng)控制或自學(xué)習(xí)控制計(jì)算,并指揮DDC級(jí)控制同時(shí)向MIS級(jí)匯報(bào)情況.DDC級(jí)通常用微型計(jì)算機(jī)，SCC級(jí)一般用小型計(jì)算機(jī)或高檔微型計(jì)算機(jī).MIS級(jí)主要功能是實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)處理,為各級(jí)決策者提供有用的信息,作出關(guān)于生產(chǎn)計(jì)劃\調(diào)度和管理方案,使計(jì)劃協(xié)調(diào)和經(jīng)營(yíng)管理處于最優(yōu)狀態(tài).分級(jí)控制系統(tǒng)（HC）分散控制系統(tǒng)（DCS）DCS是將控制系統(tǒng)分成若干個(gè)獨(dú)立的局部控制子系統(tǒng),用以完成受控生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制任務(wù).由于微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與迅速發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)分散控制提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ),近年來(lái)分散控制得以異乎尋常的發(fā)展,且已成為計(jì)算機(jī)控制發(fā)展的重要趨勢(shì).自70年代起,又出現(xiàn)集中分散式的控制系統(tǒng),簡(jiǎn)稱集散系統(tǒng).它是采用分散局部控制的新型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).三、控制用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

和發(fā)展趨勢(shì)特點(diǎn)：

較高的可靠性實(shí)時(shí)控制與外部世界的緊密聯(lián)系對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不同的軟件配置發(fā)展趨勢(shì)：

標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、組合化和模塊化發(fā)展四、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)舉例1衛(wèi)星姿態(tài)控制2.計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)

1、衛(wèi)星姿態(tài)控制計(jì)算機(jī)衛(wèi)星助推器點(diǎn)火控制采樣開(kāi)關(guān)測(cè)量姿態(tài)角θ

其余各軸的姿態(tài)角天線驅(qū)動(dòng)馬達(dá)天線仰角θ其他各種參數(shù)方位角天線方位控制伺服系統(tǒng)2、計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)溫度,壓力,質(zhì)量,液面,速度等生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與控制的,這種系統(tǒng)稱為過(guò)程控制系統(tǒng),主控設(shè)備采用計(jì)算機(jī)則為計(jì)算機(jī)過(guò)程系統(tǒng).大多數(shù)的化工生產(chǎn)過(guò)程均屬于這類系統(tǒng).3、

微機(jī)控制的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)4、

采用微機(jī)的順序控制系統(tǒng)順序控制是使生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的時(shí)序或事序,而順序進(jìn)行控制的自動(dòng)控制系統(tǒng).如:PLC控制系統(tǒng)5、

計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)常用的數(shù)控機(jī)床:點(diǎn)控和線控6、

工業(yè)機(jī)器人

現(xiàn)代所說(shuō)的機(jī)器人大多指的是工業(yè)機(jī)器人，是一種能自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)。

1954年美國(guó)的Devol最早提出了工業(yè)機(jī)器人思想，并申請(qǐng)了專利，該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人實(shí)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)，這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上，1958年美國(guó)Consolidated公司制作了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，作為機(jī)器人產(chǎn)品出售的最早的實(shí)用機(jī)型是1962年美國(guó)的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE（如圖所示）。工業(yè)機(jī)器人第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE

1970年以后機(jī)器人的研究得到了迅速?gòu)V泛的普及，1970年在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際工業(yè)機(jī)器人學(xué)術(shù)會(huì)議，1973年在意大利召開(kāi)了第一屆RMS，辛辛那提.米拉克隆公司于1973年制成了第一臺(tái)由小型計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人T3，它是液壓驅(qū)動(dòng)的，能提升的有效負(fù)載達(dá)45Kg。

工業(yè)機(jī)器人T3

1979年Unimation公司推出了Puma系列工業(yè)機(jī)器人，它是全電驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，多CPU兩級(jí)微機(jī)控制，采用VAL專用語(yǔ)言并可配置視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)傳感器，是技術(shù)較為先進(jìn)的機(jī)器人

.工業(yè)機(jī)器人Puma

同年日本山梨大學(xué)的牧野洋研制成具有平面關(guān)節(jié)的SCARA型機(jī)器人，由于簡(jiǎn)單、精確，在插裝電子元器件等許多工作上得到了廣泛的應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大提高。到目前為止，機(jī)器人已進(jìn)入了第三代：智能化的高級(jí)機(jī)器人，具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的機(jī)器人系統(tǒng)，這類機(jī)器人目前還處于研究開(kāi)發(fā)階段；第一代工業(yè)機(jī)器人主要是指示教再現(xiàn)控制的操作機(jī)器人，目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)器人絕大多數(shù)都是這一類；第二代工業(yè)機(jī)器人具有感受功能，是具有光覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別等功能的工業(yè)機(jī)器人，此時(shí)工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)感受信息調(diào)整控制算法，這類工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制成功并開(kāi)始得到試用，但由于成本較高，其工業(yè)應(yīng)用的普及還要有一個(gè)過(guò)程。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于70年代初期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期，80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。70年代世界上工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用掀起一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。80年代，我國(guó)完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。

1986年國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)開(kāi)始實(shí)施，智能機(jī)器人主題跟蹤世界機(jī)器人技術(shù)的前沿，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。90年代初期我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)一大步，先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。

在工業(yè)機(jī)器人方面，我國(guó)已具有獨(dú)立設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)機(jī)器人本體和控制器的能力，又經(jīng)歷“八五”攻關(guān)，逐步開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用工程開(kāi)發(fā)，開(kāi)始了機(jī)器人噴漆線、機(jī)器人點(diǎn)焊、弧焊工作站的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。在智能機(jī)器人和特種機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)方面，國(guó)家“863”計(jì)劃在第一階段作為高技術(shù)跟蹤的目標(biāo)，重點(diǎn)發(fā)展了在惡劣環(huán)境下的工作機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及裝配系統(tǒng)。

研制了水下1000米無(wú)纜機(jī)器人和6000米無(wú)纜機(jī)器人，進(jìn)行了太平洋洋底探測(cè)試驗(yàn)；開(kāi)發(fā)了用于核工業(yè)的遙控移動(dòng)機(jī)器人和爬壁機(jī)器人，以及在室外惡劣環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)的機(jī)器人。這些機(jī)器人都是在良好的人機(jī)界面下，以遙控為主，具有一定的自主能力。

在裝配機(jī)器人方面，研制了高精度裝配機(jī)器人和實(shí)用機(jī)器人，研制了風(fēng)扇電機(jī)裝配系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，使我國(guó)在智能機(jī)器人方面的技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。從第一臺(tái)機(jī)器人問(wèn)世，至今已經(jīng)有40多年的歷史，伴隨時(shí)代的脈搏，機(jī)器人在經(jīng)歷了70年代進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，80年代初中期的迅速發(fā)展之后，80年代后期和90年代進(jìn)入了新的發(fā)展階段，到2000年服役機(jī)器人約100萬(wàn)臺(tái)，機(jī)器人學(xué)仍然保持較好的發(fā)展勢(shì)頭，滿懷希望跨入了21世紀(jì)。

五、控制理論的發(fā)展史經(jīng)典控制理論

40~50年代形成SISO系統(tǒng)基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù)目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器(頻域)現(xiàn)代控制理論

1960年前后有了重大的突破和創(chuàng)新60~70年代形成MIMO系統(tǒng)

基于：冷戰(zhàn)時(shí)期空間技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程（時(shí)域）現(xiàn)代控制理論的進(jìn)一步發(fā)展經(jīng)典控制理論主要的研究對(duì)象：SISO線性定常系統(tǒng)；數(shù)學(xué)工具：拉氏變換；系統(tǒng)描述:傳遞函數(shù)；

(微分方程或差分方程變換到復(fù)數(shù)域中)系統(tǒng)分析方法：頻率法和根軌跡法；系統(tǒng)分析目的：確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論特性1．經(jīng)典控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對(duì)最簡(jiǎn)單的非線性系統(tǒng)也是無(wú)法處理的；2．經(jīng)典控制理論只限于分析和設(shè)計(jì)單變量系統(tǒng)，實(shí)際上，大多數(shù)工程對(duì)象都是多輸入－多輸出系統(tǒng)，盡管人們做了很多嘗試，但是，用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)這類系統(tǒng)都沒(méi)有得到滿意的結(jié)果；

3．經(jīng)典控制理論采用試探法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用合適的、簡(jiǎn)單的、工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。經(jīng)典理論的缺點(diǎn)：缺乏精確化、數(shù)學(xué)化及理論化。現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論的研究對(duì)象:既可以是單變量的、線性的、定