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工业系统的驱动、测量、建模与控制下册 教学课件 ppt 作者 王孙安 任华 第19、20、21章

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  • 上传时间:2019-05-25
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    • 1、工业系统的驱动、测量、建模与控制(下册),主编:王孙安,第19章 工业系统建模与控制概述 第20章 工业计算机及数据通道 第21章 开关量通道与顺序控制 第22章 模拟量通道与信号离散化 第23章 工业系统静态、动态特性 第24章 工业系统静态、动态特性 第25章 工业系统的解析建模与 第26章 工业系统的PID控制 第27章 三相异步电动机转速控制 第28章 温度控制系统及简单智能,第19章 工业系统建模与控制概述,19.1 工业系统的一般性质 19.2 工业系统的模型 19.2.1 工业系统的描述方法 19.2.2 工业系统的数学模型 19.3 工业系统的控制 19.3.1 二值型变量的控制 19.3.2 连续型变量的控制 19.4 阅读材料 19.4.1 几个术语 19.4.2 连续型变量系统的三类控制,19.1 工业系统的一般性质,在本书上册中,我们已经知道,工业系统是若干个部分组成的整体,具有设计规定的结构,在规定的环境中运行时,具有预定的功能,系统整体功能是它的任何组成部分单独所不具备的。工业系统是人造的系统,在设计、建造、运行工业系统时,总是力图使工业系统的行为符合特定的

      2、预期。,19.2 工业系统的模型,19.2.1 工业系统的描述方法 19.2.2 工业系统的数学模型,19.2.1 工业系统的描述方法,1.工业系统的状态信息 2.状态变量的几种类型,1.工业系统的状态信息,工业系统运行中会发生一些事件。比如,某一个部件移动到指定位置;液位达到规定高度;油箱中燃油少于一定量;炉温达到预定的温度。又如,操作者按下了某一个按钮,引起开关的通、断,使电动机起动、停止,或导致某一信号的有、无变化,或导致信号电平的高、低变化。如果用变量表示这些事件,变量只取两个值。,2.状态变量的几种类型,(1)二值型变量 是表示系统“动、不动”、“有、无”、“到达、未到达”等事件的量,如液位是否达到规定高度,工件是否移动到限定位置,阀门开、闭,指示灯亮、熄,发动机转动、停止,继电器吸合、释放。 (2)等级型变量 是表示系统“动了多少”、“有多少”的量,量值可以分为若干个确定的等级。 (3)模糊语言变量 简称语言变量,也是表示系统“动了多少”、“有多少”的量,也可以有若干个等级,但是没有清晰的等级值,或等级之间没有清晰的界限。 (4)连续型变量 也是表示系统“动了多少”、“有多

      3、少”的量,但能够用某个实数区间上的连续数值表示,如力、转矩、转速、位置、倾角、温度、压力、液位。,19.2.2 工业系统的数学模型,1.数学模型的一般形式 2.不同类型的变量与不同类型的模型 3.连续型变量工业系统的建模方法,1.数学模型的一般形式,图19-1 系统因果关系的映射,2.不同类型的变量与不同类型的模型,1)二值型变量可以用布尔变量表示,布尔变量的取值是集合0,1中的元素,它们之间的运算关系可以用布尔逻辑表示,例如: 2)如果采用等级型变量,可以用一组规则描述系统行为,例如: 3)如果采用模糊语言变量,系统行为要用模糊规则来描述,例如: 4)对于连续型变量的工业系统,常可以用解析模型。,3.连续型变量工业系统的建模方法,有些对象的内部结构和机理不明,或者内部结构和机理很繁复,难以写出原因-结果映射的解析形式。工程中,对于这类对象,往往进行一系列实际的输入输出测试,用实际测试获得的数据、曲线和波形表示它的输入输出关系,这种方法称为实验法。输入输出关系也称为外部特性,输入输出测试也称为外部特性测试。,19.3 工业系统的控制,19.3.1 二值型变量的控制 19.3.2 连续型

      4、变量的控制,19.3.1 二值型变量的控制,有一些变量受到的干扰不大,精度要求不高,比如一般工业现场照明灯的亮度、排风扇的转速,对于这样的变量,往往采用二值型变量处理。对二值型变量的控制命令只有“开”或“关”。二值型变量系统中,往往设有一系列预定的操作,这些操作有预设的顺序。这种系统的控制就是使系统按照预定的操作顺序完成一系列“开”或“关”的操作。,19.3.2 连续型变量的控制,1.开环控制 2.闭环控制 3.采用计算机作控制器的闭环控制,1.开环控制,图19-2 开环控制系统的基本组成,2.闭环控制,图19-3 闭环控制系统的基本组成,3.采用计算机作控制器的闭环控制,图19-4 采用计算机作控制器的闭环控制系统的一般组成,19.4 阅读材料,19.4.1 几个术语 19.4.2 连续型变量系统的三类控制,19.4.1 几个术语,图19-5 按扰动控制,19.4.2 连续型变量系统的三类控制,1) 恒值调节系统(Regulation Systems):设定值r恒定,使被控量y保持恒定。 2) 程序控制系统(Programmed Control Systems):设定值r(t)已知,

      5、使被控量y(t)复现r(t)。 3)随动系统(Servo-Mechanism Systems):设定值r(t)未知,要使被控量y(t)跟随r(t)。,第20章 工业计算机及数据通道简介,20.1 计算机的基本组成 20.2 微型计算机的基本结构 20.3 微处理器 20.4 存储器 20.4.1 存储器的分类 20.4.2 存储器的性能指标 20.5 外部设备 20.5.1 输入设备 20.5.2 输出设备 20.6 接口 20.6.1 接口概述 20.6.2 接口电路分类,第20章 工业计算机及数据通道简介,20.6.3 常见接口 20.6.4 接口的地址 20.6.5 接口的软件设计 20.7 总线 20.7.1 总线概述 20.7.2 数据总线、地址总线和控制总线 20.7.3 系统总线 20.8 工业计算机 20.8.1 工控机的特点 20.8.2 工控机的结构 20.8.3 工控机的I/O设备 20.9 计算机数据通道,第20章 工业计算机及数据通道简介,20.9.1 信号的分类 20.9.2 数据通道的分类 20.10 阅读材料 20.10.1 几个术语 20.10.2 几

      6、种常用的数字控制器,20.1 计算机的基本组成,图20-1 冯诺依曼计算机结构,20.2 微型计算机的基本结构,图20-2 微型计算机的组成框图,20.3 微处理器,随着微电子技术的进步,将上述的运算器和控制器集成在一块半导体芯片上,这种芯片就称为微处理器。以微处理器为核心组成计算机,所以又把微处理器称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU),它是微型计算机的核心部件,由控制器和运算器两部分组成。控制器用来发布命令,协调和指挥整个计算机系统的操作;运算器用于执行各种算术运算和逻辑运算。,20.4 存储器,20.4.1 存储器的分类 20.4.2 存储器的性能指标,20.4.1 存储器的分类,1.按存取速度和在计算机系统中的地位分类 2.按存储介质和作用机理分类 3.按存取方式分类,1.按存取速度和在计算机系统中的地位分类,1)主存储器:速度较快,容量较小,价格较高,用于存储当前计算机运行所需要的程序和数据,可与CPU直接交换信息,习惯上称为主存,又称内存。 2)辅存储器:速度较慢,容量较大,价格较低,用于存放计算机当前暂时不用的程序、数据或需要永久保持的信

      7、息,称为辅存,又称外存或海量存储器。,2.按存储介质和作用机理分类,1)磁存储器:主要有磁心、磁带、磁盘、磁泡和磁鼓。 2)光存储器:只读式CD-ROM、可擦写光盘,还有一种存储设备是磁光盘,也称MO盘。 3)半导体存储器:当前计算机系统的主存主要用半导体存储器。,3.按存取方式分类,1)微型机内部:可读写存储器(RAM),特点是存储器中的信息可读可写,半导体RAM断电后信息会全部丢失。 2)微型机外部:有磁带、磁盘、光盘等。,20.4.2 存储器的性能指标,1.存储器容量:存储器的位容量是指存储器可以容纳的二进制信息总量,即存储信息的总位(bit)数。 2.存取速度:存储器的位容量是指存储器可以容纳的二进制信息总量,即存储信息的总位(bit)数。 3.可靠性:存储器的可靠性用平均故障间隔时间 (Mean Time Between Failures,MTBF)来衡量,MTBF越长,可靠性越高。 4.性能价格比:性能价格比是一个综合性指标,性能主要包括上述三项指标存储容量、存取速度和可靠性。,20.5 外部设备,20.5.1 输入设备 20.5.2 输出设备,20.5.1 输入设备,输入

      8、设备将各种形式的输入信息转换成计算机可以接受的编码形式。通用输入设备有键盘和鼠标等。工业用的输入设备有很多种,如控制面板上的开关、按钮、旋钮、操纵杆、脚踏板,还有摄像机、多种采集卡和输入模块等。,20.5.2 输出设备,输出设备将计算机的输出信息转换成人或其它设备可以接受的信息形式。通用输出设备有显示器以及显卡、打印机、投影仪、绘图仪、声卡、蜂鸣器、网卡等,工业用的输出设备有很多种,如各种控制卡和输出模块。,20.6 接口,20.6.1 接口概述 20.6.2 接口电路分类,20.6.1 接口概述,计算机系统中有两类数据传送操作:一类是CPU和存储器之间的数据读/写操作,另一类是CPU和外设之间的数据输入/输出(I/O)操作。CPU与存储器、外部设备的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现,前者称为存储器接口,后者称为I/O接口。,20.6.2 接口电路分类,I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外部设备联系在一起。按照电路和设备的复杂程度,I/O接口的硬件主要分为两大类:I/O接口芯片和I/O接口板卡。 I/O接口芯片大都是集成电路,在I/O电路与CPU之间传送命

      9、令和参数,控制相关的I/O电路和一些简单外设作相应的操作。常用的接口芯片有定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。,20.6.3 常见接口,1.并行接口 2.串行接口 3.USB接口,1.并行接口,并行接口简称并行口、并口。目前,计算机中的并行接口主要作为打印机端口,接口使用的不再是36针接头,而是25针D形接头。所谓“并行”,是指8位数据通过并行线同时传送,这样数据传送速度大大提高,但并行传送的线路长度受到限制,因为长度增加,干扰就会增加,容易出现误码。,2.串行接口,计算机的另一种标准接口是串行接口,串行接口简称串行口、串口,现在的微型机一般至少有两个串行接口:COM1和COM2。串行接口不同于并行接口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送。这样,虽然速度会慢一些,但传送距离比并行接口的长,因此长距离的通信应使用串行接口。通常COM1使用的是9针D形连接器,而COM2有些使用的是老式的DB25针连接器。,3.USB接口,USB接口提供机箱外的热即插即用连接。用户在连接外设时不用再打开机箱、关闭电源,每个USB设备用一个USB插头连接到一个外设的USB插座上。USB接口统一的插头插座可以取代机箱上的众多串口、并口插头插座。USB接口的驱动软件能识别USB接口上外部设备的插入或拆卸。除了能够连接键盘、鼠标等外,USB接口还可以连接电话系统、数字音响、打印机、扫描仪、数字照相机等多种低速外设。用USB 集线器可以把多个USB设备同时接入。,20.6.4 接口的地址,1)凡是被系统配置占用了的端口地址一律不能使用,表20-1和表20-2分别给出在微型机或工控机主板上I/O端口地址和外部I/O接口地址分配情况。 2)从原则上讲,未被系统占用的地址用户可以使用,但是对于计算机厂家声明保留的地址,不要使用,以免发生I/O端口地址重叠冲突,造成所设计的产品与计算机系统不相容。 3)为了避免地址冲突,商品化的各种板卡上都设置有地址开关,可以通过地址开关来选择正确的端口地址。,20.6.4 接口的地址,表20-1 主板上I/O端口地址分配,20.6.4 接口的地址。,表20-2 外部I/O接口地址分配,20.6.5 接口的软件设计,在设计接口软件时,首先要考虑采用何种语言进行编程。汇编语言设计的程序执行速度

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