控制技術(shù)基礎(chǔ)內(nèi)容概述集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自動化（Automation或Automatization）1.自動控制

就是指在脫離人的直接干預(yù)，利用控制裝置（簡稱控制器）使被控對象（或生產(chǎn)過程等）的某些物理量（如溫度、壓力、PH值等）準(zhǔn)確地按照預(yù)期的規(guī)律運(yùn)行。2.自動控制系統(tǒng)

是指實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。概述水泵直接給水系統(tǒng)并聯(lián)氣壓給水系統(tǒng)排水監(jiān)控系統(tǒng)自動控制理論2.現(xiàn)代控制理論

3.大系統(tǒng)理論

4.智能控制理論自動控制理論的發(fā)展1、經(jīng)典控制理論

研究的主要對象是單輸入、單輸出——單變量系統(tǒng)。如：調(diào)節(jié)電壓改變電機(jī)的速度；調(diào)整方向盤改變汽車的運(yùn)動軌跡等。t01輸入r(t)t01輸入c(t)12理想的調(diào)節(jié)過程實際自動控制理論的發(fā)展2、現(xiàn)代控制理論研究的主要對象是多輸入、多輸出——多變量系統(tǒng)。如，汽車看成是一個具有兩個輸入（駕駛盤和加速踏板）和兩個輸出（方向和速度）的控制系統(tǒng)。計算機(jī)科學(xué)地發(fā)展，極大地促進(jìn)了控制科學(xué)的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展3、大系統(tǒng)控制理論

大系統(tǒng)控制理論是一種過程控制與信息處理相結(jié)合的動態(tài)系統(tǒng)工程理論，研究的對象具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點。它是一個多輸入、多輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。如：人體，我們就可以看作為一個大系統(tǒng)，其中有體溫的控制、情感的控制、人體血液中各種成分的控制等等。大系統(tǒng)控制理論目前仍處于發(fā)展階段。自動控制理論的發(fā)展

4、智能控制

這是近年來新發(fā)展起來的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。 學(xué)派：結(jié)構(gòu)派和功能派它是一門新興的控制學(xué)科，有些問題尚存有爭議，然而由于它實用性強(qiáng)，能運(yùn)用人們的經(jīng)驗與技巧解決許多以往控制中難以解決的棘手問題（如建模等），因此得到了人們極大的重視，。

自動控制系統(tǒng)的分類

一、按信號的傳遞路徑來分類

1、開環(huán)控制系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)的輸出端與輸入端不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用不發(fā)生影響的系統(tǒng)。

自動控制系統(tǒng)的分類2、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)）特點：系統(tǒng)輸出信號與測量元件之間存在反饋回路。“閉環(huán)”這個術(shù)語的含義，就是將輸出信號通過測量元件反饋到系統(tǒng)的輸入端，通過比較、控制來減小系統(tǒng)誤差。

自動控制系統(tǒng)的分類

二、按系統(tǒng)的控制作用來分類

1、恒值控制系統(tǒng)（或稱自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動鎮(zhèn)定系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個恒定的數(shù)值。工業(yè)生產(chǎn)中的恒溫、恒壓等自動控制系統(tǒng)都屬于這一類型。

水泵直接給水系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類2、過程控制系統(tǒng)（或稱程序控制系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個已知的函數(shù)。系統(tǒng)的控制過程按預(yù)定的程序進(jìn)行，要求被控量能迅速準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入，如化工中的壓力、溫度、流量控制。

恒值控制系統(tǒng)可看成輸入等于常值的過程控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類3、隨動系統(tǒng)（或稱伺服系統(tǒng)）

特點：輸入信號是一個未知函數(shù)。要求控制系統(tǒng)的輸出量跟隨輸入信號變化。

如：火炮自動跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)要求有較好的跟蹤能力。

自動控制系統(tǒng)的分類三、按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)來分類

1、連續(xù)系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)各部分信號都是模擬的連續(xù)函數(shù)。目前工業(yè)中普遍采用的常規(guī)儀表PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)。

2、離散系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)的某一處或幾處信號以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中用脈沖開關(guān)或采樣開關(guān)，將連續(xù)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散信號。其中離散信號以脈沖形式傳遞的系統(tǒng)又叫脈沖控制系統(tǒng)，離散信號以數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)又叫數(shù)字控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)的分類四、按描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不同來分類

1、線性系統(tǒng)

特點：系統(tǒng)由線性元件構(gòu)成，描述運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為線性微分方程。運(yùn)動方程一般形式：

式中：r(t)——系統(tǒng)輸入量；c(t)——系統(tǒng)輸出量主要特點是具有疊加性和齊次性。自動控制系統(tǒng)的分類2、非線性系統(tǒng)特點：在構(gòu)成系統(tǒng)的環(huán)節(jié)中有一個或一個以上的非線性環(huán)節(jié)。非線性的理論研究遠(yuǎn)不如線性系統(tǒng)那么完整，目前尚無通用的方法可以解決各類非線性系統(tǒng)。其他的分類方法：

按功能來分：溫度控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控系統(tǒng)等。按元件組成分：機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、生物系統(tǒng)等。自動控制系統(tǒng)的分類分類小結(jié)反饋控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的組成：輸入部分、控制系統(tǒng)部分和輸出部分。從物理角度上看，自動控制研究的是特定激勵作用下的系統(tǒng)響應(yīng)變化情況；從數(shù)學(xué)角度上看，研究的是輸入與輸出之間的映射關(guān)系。反饋控制系統(tǒng)的基本組成1.溫控系統(tǒng)——人工控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上?？刂七^程：反饋控制系統(tǒng)的基本組成2.溫控系統(tǒng)——自動控制反饋控制系統(tǒng)的基本組成

控制目標(biāo)：要求爐子的溫度恒定在期望的數(shù)值上?？刂七^程：反饋控制系統(tǒng)的基本組成一般的形式

輸入信號——系統(tǒng)控制目標(biāo)的反映，是人的意志的具體體?？刂葡到y(tǒng)——主要完成對有關(guān)信號的變換、處理，發(fā)出控制量，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制功能。輸出信號——系統(tǒng)的控制結(jié)果，反映了被控對象的運(yùn)行狀。

反饋控制系統(tǒng)的基本組成火炮自動跟蹤系統(tǒng)——“火炮打飛機(jī)”

反饋控制系統(tǒng)的基本組成3.典型的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖對控制系統(tǒng)的要求及典型信號基本要求：

穩(wěn)定性穩(wěn)態(tài)特性動態(tài)特性（穩(wěn)、準(zhǔn)、快）典型信號：

1.脈沖信號

2.階躍信號3.斜坡信號

對控制系統(tǒng)的要求及典型信號對控制系統(tǒng)的要求及典型信號4.加速度信號

5.諧波信號6.指數(shù)信號微型計算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件軟件是指能完成各種功能的計算機(jī)程序的總和。它是微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，整個系統(tǒng)的工作都是在程序的指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。軟件通常分為兩大類：一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。1．可編程控制器（PLC）2．集散控制系統(tǒng)(DCS)3．人工智能(AI)4．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)控制系統(tǒng)計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1．可編程控制器（PLC）PLC與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有如下一些特點：（1）抗干擾能力強(qiáng)（2）適應(yīng)性好（3）編程直觀、簡單（4）功能完善，接口功能強(qiáng)2．集散控制系統(tǒng)（DCS）DistributedControlSystems3．人工智能人工智能是用計算機(jī)模擬人類大腦的邏輯判斷功能，其中具有代表性的兩個尖端領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。所謂專家系統(tǒng)即計算機(jī)專家咨詢系統(tǒng)，是一個存儲了大量專門知識的計算機(jī)程序系統(tǒng)。不同的專家系統(tǒng)將不同領(lǐng)域?qū)＜业闹R，以適當(dāng)?shù)男问酱娣庞谟嬎銠C(jī)中。根據(jù)這些專家知識，專家系統(tǒng)可以對用戶提出的問題做出判斷和決策，以回答用戶的咨詢。機(jī)器人是一種能模擬人類智能和肢體動作的裝置，從本世紀(jì)70年代微處理機(jī)問世以來，機(jī)器人便逐漸涉足于各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和科學(xué)研究領(lǐng)域。目前已出現(xiàn)的機(jī)器人可以分為兩類，工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人。4．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)國外在20世紀(jì)80年代掀起了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NeuralNetwork）計算機(jī)的研究和應(yīng)用熱潮，我國在90年代也開始了這方面的研究。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點（大規(guī)模的并行處理和分布式的信息存儲，良好的自適應(yīng)性、自組織性和很強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想功能及容錯功能），使它的應(yīng)用越來越廣泛，其中一個重要的方面是智能控制，包含機(jī)器人控制。常用接口技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動電路D/A轉(zhuǎn)換器在微機(jī)的各種接口中，完成外設(shè)信號到微機(jī)所需數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的，稱為模擬∕數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）器；D/A轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件；A/D轉(zhuǎn)換器完成微機(jī)輸出數(shù)字信號到外設(shè)所需信號轉(zhuǎn)換的，稱為數(shù)字∕模擬轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）器。A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter）則相反，它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。它們的功能及在實時控制系統(tǒng)中的地位，如圖所示。單片機(jī)和被控實體間的接口示意圖白熾燈驅(qū)動接口開關(guān)量輸出隔離電路光電耦合控制直流電機(jī)LED顯示器件工作原理發(fā)光二極管顯示字段。7個發(fā)光二極管組成字符“8”，1個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。鍵盤接口中小功率直流電機(jī)設(shè)電機(jī)在恒定電壓下的轉(zhuǎn)速為Vmax，控制信號的占空比D=t/τ（其中t代表通電時間，τ代表脈沖周期），則電機(jī)的的轉(zhuǎn)速和控制信號的關(guān)系可用如下公式表示：

V=Vmax×D返回本節(jié)方向控制步進(jìn)電機(jī)集散型控制系統(tǒng)

（1）計算機(jī)控制系統(tǒng)階段

1）數(shù)字計算機(jī)控制系統(tǒng)

2）計算機(jī)、模擬儀表混合控制系統(tǒng)

3）計算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)（2）集散控制系統(tǒng)階段第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展DCS基本結(jié)構(gòu)分為過程控制單元操作顯示站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)管理計算機(jī)四部分第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與特點集散型控制系統(tǒng)四層結(jié)構(gòu)模式第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與特點集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能

DCS的骨架——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

DCS的現(xiàn)場I/O控制站

DCS的操作員站

DCS的工程師站第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述典型的DCS體系結(jié)構(gòu)第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與特點集散控制系統(tǒng)的特點

功能全、采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、實現(xiàn)了人－機(jī)對話技術(shù)、系統(tǒng)擴(kuò)展靈活、可靠性高、管理能力強(qiáng)、使用方便、完備的開放系統(tǒng)、采用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、具有綜合性和專業(yè)性第一節(jié)集散型控制系統(tǒng)概述集散型控制系統(tǒng)的

現(xiàn)場控制站集散型控制系統(tǒng)一般分為三級管理級操作監(jiān)控級現(xiàn)場控制級第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站現(xiàn)場控制站的功能與結(jié)構(gòu)第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站控制站機(jī)柜第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站機(jī)籠的正、背面結(jié)構(gòu)圖1—機(jī)籠2—走線槽3—左進(jìn)線孔4—右進(jìn)線孔5—走線槽擋板6—機(jī)籠擴(kuò)展接口7—端子排8—交流輸入接口9—直流輸入接口第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站硬件配置常用芯片1.CPU2.存儲器只讀存儲器(ROM)

隨機(jī)存貯器(RAM)第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站現(xiàn)場輸入與輸出單元模擬量輸入(AI)通道

端子板、信號調(diào)理器、A/D模板、柜內(nèi)連接電纜模擬量輸出(AO)通道開關(guān)量輸入(SI)通道開關(guān)量蔬菜(SO)通道脈沖量輸入(PI)通道第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站電源保證交流供電系統(tǒng)可靠性的幾種措施端子板第二節(jié)DCS的現(xiàn)場控制站現(xiàn)場通信接口第三節(jié)現(xiàn)場主控單元與通信單元現(xiàn)場通信接口串行接口設(shè)計

上位機(jī)與通信軟件及通信系統(tǒng)第三節(jié)現(xiàn)場主控單元與通信單元抗干擾措施接地系統(tǒng)抗干擾和抗靜電干擾問題軟件抗干擾措施第三節(jié)現(xiàn)場主控單元與通信單元集散型控制系統(tǒng)軟件技術(shù)操作系統(tǒng)基本概念實時多任務(wù)操作系統(tǒng)

任務(wù)、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)互斥與同步、任務(wù)之間的數(shù)據(jù)傳遞、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理第五節(jié)集散型控制系統(tǒng)軟件技術(shù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理方式及數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫實時數(shù)據(jù)庫的作用

1.實時數(shù)據(jù)庫是樓宇機(jī)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)的集成平臺

2.實時數(shù)據(jù)庫是操作信息、數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示的平臺

3.實時數(shù)據(jù)庫是先進(jìn)控制、裝置優(yōu)化的平臺第五節(jié)集散型控制系統(tǒng)軟件技術(shù)集散型控制系統(tǒng)組態(tài)系統(tǒng)組態(tài)軟件功能系統(tǒng)組態(tài)軟件的功能DCS組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)示意圖現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線的產(chǎn)生從集中控制走向分散控制從DCS走向FCS

從集團(tuán)協(xié)議走向國際標(biāo)準(zhǔn)從國外走向國內(nèi)現(xiàn)場總線的產(chǎn)生圖：傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線技術(shù)特點系統(tǒng)的開放性互可操作性與互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線的基本內(nèi)容

現(xiàn)場總線的含義通信網(wǎng)絡(luò)互操作性分散功能塊通信線供電開放式互連網(wǎng)絡(luò)第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線的基本內(nèi)容FCS的分散功能塊控制方案第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線的基本內(nèi)容OSI及其幾種現(xiàn)場總線開放互連模型的對應(yīng)關(guān)系第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述現(xiàn)場總線的基本內(nèi)容FCS體系結(jié)構(gòu)第一節(jié)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)概述幾種常見的現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線基金會(FF)

FieldbusFoundation(FF)組織FF現(xiàn)場總線的特點與優(yōu)勢

設(shè)備互操作性、改善過程數(shù)據(jù)、對進(jìn)程增加更多的了解、改善現(xiàn)場安全、更早的預(yù)測維護(hù)、減少的線纜和安裝費(fèi)用第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線基金會(FF)FF現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線過程現(xiàn)場總線(PROFIBUS)

Profibus現(xiàn)場總線包括三種類型的總線形式：通用自動化Profibus-FMS總線、工業(yè)自動化Profibus-DP總線和過程自動化Profibus-PA總線，以適應(yīng)于高速和時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸或大范圍的復(fù)雜通信場合。第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線過程現(xiàn)場總線(PROFIBUS)Profibus現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線HART

可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)

CAN概述版本發(fā)布時間內(nèi)容變化1.01985年1.11987年位定時要求重新定義1.21990年振蕩器容錯能力提高2.01991年P(guān)artA,與1.2版相同PartB,引入數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu)CAN協(xié)議版本發(fā)展第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)CAN總線系統(tǒng)

CAN總線系統(tǒng)由CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點和上位機(jī)構(gòu)成。第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)CAN總線系統(tǒng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)CAN網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式CAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)連接方式原理示意圖第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線控制局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)CAN總線分布工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓韴D第二節(jié)幾種常見的現(xiàn)場總線局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)LonWorks概述

LonWorks的技術(shù)核心—神經(jīng)元芯片

LonWorks技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片(NeuronChip)。該芯片內(nèi)部裝有3個CPU。第三節(jié)局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)神經(jīng)元芯片

共享存儲器第三節(jié)局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)LonWorks節(jié)點以神經(jīng)元芯片為核心的控制節(jié)點神經(jīng)元節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖第三節(jié)局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)LonWorks節(jié)點采用宿主(HostBase)結(jié)構(gòu)典型宿主結(jié)構(gòu)框圖第三節(jié)局部操作網(wǎng)絡(luò)(LonWorks)LonTalk協(xié)議的功能

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