物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)1

緒論2e=r-y

y=f(e)控制系統(tǒng)的基本功能是信號(hào)的傳遞、加工和比較。由檢測(cè)變送裝置、控制器和執(zhí)行裝置來(lái)完成。1、控制系統(tǒng)的一般形式控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象變換發(fā)送單元測(cè)量元件

給定值r被控參數(shù)y控制系統(tǒng)的一般形式第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述一、計(jì)算機(jī)控制的一般概念32、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖計(jì)算機(jī)代替控制器；增加A/D、D/A轉(zhuǎn)換器；控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集（2）實(shí)時(shí)決策（3）實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖控制器A/D執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/A給定值被控量工控機(jī)測(cè)量變送生產(chǎn)過(guò)程ry+-eu4、在線方式和離線方式5、實(shí)時(shí)的含義 及時(shí)、快速。4二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成內(nèi)部總線被控對(duì)象CPU/MEM計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖人機(jī)接口系統(tǒng)支持板磁盤適配器測(cè)量變送執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣開關(guān)電氣開關(guān)AI通道AO通道DI通道DO通道工業(yè)控制機(jī)生產(chǎn)過(guò)程5從應(yīng)用特點(diǎn)、控制目的分：

1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OGC）（OperatorGuideControl)

2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC） （DirectDigitalControl）

3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）（SupervisoryComputerControl）

4）分散型控制系統(tǒng)（DCS）（DistributedControlSystem）

5）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）（FieldbusControlSystem）三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式6

功能：1）巡測(cè)、顯示、打印、報(bào)警

2）計(jì)算控制量，求出最佳設(shè)定值

優(yōu)點(diǎn)：靈活、安全

缺點(diǎn)：人力消耗大

適用：對(duì)控制規(guī)律尚未徹底了解的生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器采樣器工業(yè)對(duì)象CRT顯示打印機(jī)測(cè)量元件操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)組成框圖調(diào)節(jié)器在線檢測(cè)，離線控制1、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)（OGC）7工業(yè)對(duì)象檢測(cè)輸入通道接口工控機(jī)執(zhí)行器輸出通道接口顯示打印報(bào)警給定值直接數(shù)字控制系統(tǒng)組成框圖功能：1）同巡測(cè)系統(tǒng)

2）計(jì)算控制量（算法：PID） 3）輸出控制要求：實(shí)時(shí)性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)適用：多回路（經(jīng)濟(jì)、方便）2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）8監(jiān)督控制系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)形式(a)SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)(b)SCC＋DDC系統(tǒng)工業(yè)對(duì)象模擬調(diào)節(jié)器SCC用計(jì)算機(jī)記錄顯示打印調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)定值工藝數(shù)據(jù)工業(yè)對(duì)象SCC用計(jì)算機(jī)記錄顯示打印DDC用計(jì)算機(jī)工藝數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)測(cè)量設(shè)定值3、監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC）9功能：1）同OGC 2）對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)定 3）修改模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)、自適應(yīng)控制要求計(jì)算機(jī)：

計(jì)算能力強(qiáng)，內(nèi)、外存容量大，軟件系統(tǒng)豐富，高檔微機(jī)。適用：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的物、化機(jī)理了解透徹的場(chǎng)合。104、分散型控制系統(tǒng)（DCS）管理計(jì)算機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC智能調(diào)節(jié)器其它測(cè)控裝置工業(yè)對(duì)象DCS結(jié)構(gòu)示意圖綜合信息管理級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)工程師操作站操作員操作站監(jiān)控計(jì)算機(jī)網(wǎng)間連接器網(wǎng)間連接器局部網(wǎng)絡(luò)（LAN）集中操作監(jiān)控級(jí)分散過(guò)程控制級(jí)至其它局域網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)：任務(wù)分散、響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)模塊化，系統(tǒng)擴(kuò)展、 縮小方便， 子系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，故障時(shí)影響小，能共享資源。缺點(diǎn)：系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。115、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）“工作站－－現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表”二層結(jié)構(gòu)。121、工業(yè)控制機(jī)的硬件組成第二節(jié)工業(yè)控制機(jī)的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)一、工業(yè)控制機(jī)的組成主機(jī)板人－機(jī)接口系統(tǒng)支持磁盤系統(tǒng)通信接口AI通道AO通道DI通道DO通道外部總線內(nèi)部總線工業(yè)控制機(jī)的硬件組成結(jié)構(gòu)1）監(jiān)控定時(shí)器(Watchdog)2）電源掉電檢測(cè)3）后備存儲(chǔ)器4）實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘13

系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)，引導(dǎo)程序、調(diào)度程序等，與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。

支持軟件：程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)、診斷程序等。

應(yīng)用軟件：描述生產(chǎn)過(guò)程及控制規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)作的程序。涉及生產(chǎn)工藝、控制原理、控制工具，由用戶編制。一般應(yīng)包括：過(guò)程輸入模塊、基本運(yùn)算模塊、控制算法模塊、報(bào)警限幅模塊、過(guò)程輸出模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。2、工業(yè)控制機(jī)的軟件組成計(jì)算機(jī)控制的任務(wù)：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)硬、軟件的配合。14

強(qiáng)電、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、高溫、高濕、腐蝕性氣體、抗干擾，防腐蝕，濾波、屏蔽…

MBTF

運(yùn)轉(zhuǎn)率＝

MBTF＋平均機(jī)器失效時(shí)間

可靠性：系統(tǒng)能夠正常工作的能力。

平均故障間隔時(shí)間（MBTF）≥數(shù)千小時(shí)1）高可靠性和可維護(hù)性好國(guó)際上提出運(yùn)轉(zhuǎn)率為99.95％，即年平均停機(jī)4小時(shí)（雙機(jī)）?？删S護(hù)性好：插件式，標(biāo)準(zhǔn)芯片；診斷程序→故障部分2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)二、工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)15實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、診斷程序、監(jiān)控程序、通訊軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)…3）控制的實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)：響應(yīng)速度快；定時(shí)4）完善的輸入輸出通道6）適當(dāng)?shù)挠?jì)算精度和運(yùn)算速度5）豐富的軟件16

18世紀(jì)：鍋爐水位調(diào)節(jié)

19世紀(jì)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

20世紀(jì)30年代：各類生產(chǎn)過(guò)程的控制（基地式儀表、單參數(shù)T、P、Q…調(diào)節(jié)）

40-50年代：QDZ、DDZ集中控制自動(dòng)化儀表的局限性：實(shí)現(xiàn)1-2個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，對(duì)新型的調(diào)節(jié)規(guī)律，或是造價(jià)過(guò)高，或是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。電子計(jì)算機(jī)（40年代問(wèn)世）：速度快，精度高，容量大，邏輯判斷能力強(qiáng)。第三節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)一、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展171、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程

1952：化工生產(chǎn)、自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，累計(jì)并 打印出對(duì)管理有用的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)（開環(huán)）

1957：石油蒸餾過(guò)程的調(diào)節(jié)（閉環(huán)）。P、Q、T、A…

1958：試驗(yàn)性地采用DDC系統(tǒng)在電站、煉油廠實(shí)現(xiàn)了閉

環(huán)定值控制

1960：在合成氨和丙烯晴生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān) 督控制

1966年以來(lái)，開始側(cè)重于過(guò)程最優(yōu)控制并向分級(jí)控 制，網(wǎng)絡(luò)控制方向發(fā)展。

70年代：微機(jī)控制，分級(jí)分布式控制，用微機(jī)取代 DDZ—Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。依賴于：自動(dòng)化水平、計(jì)算機(jī)硬、軟件水平二、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況18可按４個(gè)階段描述其發(fā)展過(guò)程：

1）開創(chuàng)時(shí)期（1955～1962）

2）直接數(shù)字控制時(shí)期（1962～1967）

3）小型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1967～1972）

4）微型計(jì)算機(jī)時(shí)期（1972～）2、計(jì)算機(jī)控制理論的發(fā)展過(guò)程

1）采樣定理

2）差分方程

3）z變換法

4）狀態(tài)空間理論

5）最優(yōu)控制與隨機(jī)控制

6）代數(shù)系統(tǒng)理論

7）系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制19

1）應(yīng)用PLC

2）廣泛使用智能調(diào)節(jié)器

3）采用新型的DCS和FCS三、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1、推廣應(yīng)用成熟的先進(jìn)技術(shù)2、研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

1）分級(jí)遞階智能擴(kuò)展系統(tǒng)

2）模糊控制系統(tǒng)

3）專家控制系統(tǒng)

4）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

5）神經(jīng)控制系統(tǒng)20第四節(jié)工業(yè)控制機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線：定義了信號(hào)，電氣和機(jī)械特性的一些引線的集合，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各部件之間及外部各系統(tǒng)之間建立信號(hào)聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信?？偩€目的:1）使生產(chǎn)廠家能按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造計(jì)算機(jī)；2）用戶可以把不同廠家生產(chǎn)的各種型號(hào)的模板和設(shè)備連接起來(lái)，組成自己需要的系統(tǒng)。片內(nèi)總線、內(nèi)部總線、外部總線一、總線的分類DIDORAMROMA/DD/ACPU外部總線接口內(nèi)部總線系統(tǒng)A系統(tǒng)B外部總線DIDORAMROMA/DD/ACPU外部總線接口內(nèi)部總線計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)示例22計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的模板和模板之間進(jìn)行通信的總線，稱為內(nèi)部總線（系統(tǒng)總線：STD、PC）。機(jī)械要素：模板尺寸，接插件尺寸和針數(shù)；電氣要素：信號(hào)的電平和時(shí)序。

內(nèi)部總線構(gòu)成CPURAMROMA/DD/A外部總線接口總線母板DACP二、內(nèi)部總線23STD總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微型計(jì)算機(jī)總線，模板尺寸：165×114mm、56芯插座。

①小模板結(jié)構(gòu)。機(jī)械強(qiáng)度大，抗沖擊，一塊模板上只有1~2種功能，元器件少，便于散熱、故障診斷和維修。

②開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。沒有固定的模式或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，大量功能模板(注意：一個(gè)系統(tǒng)只允許選用一塊CPU模板，稱主板)。

③兼容式總線結(jié)構(gòu)。可支持8位CPU，如：8085、Ｚ80、MCS-51，也支持16位CPU，如：8086、6800、便于擴(kuò)充和升級(jí)，避免重復(fù)投資，降低改變費(fèi)用，縮短開發(fā)周期。1）STD總線的特點(diǎn)2、STD總線24共56根：邏輯電源線：1~6數(shù)字，模擬地各自獨(dú)立，干擾↓；數(shù)據(jù)總線： 7~14雙向，三態(tài)，高有效， 分時(shí)復(fù)用，擴(kuò)展D8~D15；地址總線：15~30三態(tài)，高有效， 分時(shí)復(fù)用，擴(kuò)展A16~A23；控制總線：31~52讀，寫，I/O地址請(qǐng)求，中斷控制 等；輔助電源線：53~562）STD總線的信號(hào)分配25機(jī)械要素：接插件型號(hào)和電纜線。電氣要素：發(fā)送與接收信號(hào)的電平和時(shí)序。功能要素：發(fā)送和接收雙方的管理能力，控制功能和

編碼規(guī)則等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和系統(tǒng)（或外設(shè)）之間進(jìn)行通訊的總線（IEEE---488，RS--232---C)。三、外部總線26串行外部總線，25線。最基本：發(fā)送數(shù)據(jù)線2，接收數(shù)據(jù)線3，信號(hào)地線7。其它線在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)使用。接口連接器采用DB-25插頭和插座，插頭與DTE相連，插座與DCE相連。

信號(hào)采用負(fù)邏輯:1）機(jī)械特性標(biāo)準(zhǔn)2）電氣特性標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) -15V＜V1＜-5V +5V＜V1＜+15V邏輯狀態(tài) 1

0信號(hào)條件傳號(hào)(MARK)空號(hào)(SPACE)功能 OFF ON1、RS-232-C總線27一般CRT，計(jì)算機(jī)采用TTL電平輸入輸出。發(fā)送器：MC1488TTL

RS-232-C接收器：MC1489RS-232-C

TTLRS-232-COUTOUTTTL+5V+15VMC1488TTLIN≈MC1489IN-15VRS-232-C發(fā)送和接收電路28RS-232-C總線規(guī)定：距離≤15Ｍ，速率≤20kbps，共用信號(hào)地易引進(jìn)干擾。TTLOUTTTLMC1489DTEMC1488DCEMC1489MC1488TTLTTLININOUT地線RS-232-C接口電路示例293）RS-422-A總線使用雙端發(fā)送器和接收器負(fù)邏輯，傳輸速率高達(dá)10Mbps。采用電壓信號(hào)，DTE與DCE之間無(wú)光電隔離。DTEMC3487DCEMC3486MC3486MC3487TTLTTLTTLTTLININOUTOUTRS-422-A接口電路示例304）采用光電隔離的電流環(huán)接口電路+15V-15V+5VTTLTTLINOUTTTL+15V+5V+5V+5V-15VTTLINOUTOUTDATADATAIN20mA20mADCEDTE

光電隔離的電流環(huán)接口技術(shù)20mA邏輯“1”，0mA邏輯“0”。傳輸距離長(zhǎng)達(dá)1000m，具有抗共模干擾的能力。31異步雙向并行簡(jiǎn)易型總線

①無(wú)源電纜線，16條信號(hào)線，9條地線；

②總線上最多可接15個(gè)設(shè)備；

③整個(gè)系統(tǒng)的連接電纜最大長(zhǎng)度為20m；

④最大傳輸速度為1Mbps；

⑤地址容量：“聽”，31，“講”，31，可擴(kuò)展到961個(gè)；

⑥負(fù)邏輯：“1”+0.8V，”0”+2.0V；

⑦三線式信號(hào)交換異步確認(rèn)方式控制數(shù)據(jù)傳輸。2、IEEE-488總線（HP-IB，GP-IB總線）1）總線的約定及特點(diǎn)322）總線的一般描述設(shè)備B————講者聽者————數(shù)字電壓表1接口管理線DIO1~DIO8DAVNRFDNDACIFCATNSRQRENEOI設(shè)備A————控者講者聽者————計(jì)算機(jī)設(shè)備C————講者聽者————數(shù)字電壓表2設(shè)備D————聽者———打印機(jī)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)控制線IEEE-488總線的連接示意圖333）總線的引線分配及功