1、控制和介面技術(shù)，講師：葉春生，英特爾3360027-8758370，華中科技大學(xué)材料學(xué)院，控制和介面技術(shù)，第一章介紹第二章線性離散系統(tǒng)分析和修正第三章控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析和整合第四章STM32處理器和應(yīng)用第五章CNC (CNC)系統(tǒng)和插補(bǔ)原理第六章數(shù)字控制機(jī)器例如，衛(wèi)星跟蹤天線控制、傳記傳動(dòng)控制、數(shù)字控制機(jī)器、伺服壓力機(jī)、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、力控制系統(tǒng)、飛機(jī)、大型油輪的自動(dòng)駕駛裝置等。2)許多常用的控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器已被計(jì)算機(jī)取代，計(jì)算機(jī)控制著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速、成分等生產(chǎn)的各種參數(shù)進(jìn)行了采樣。3)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理：生產(chǎn)流程的統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，復(fù)雜生產(chǎn)流程的數(shù)值模擬，內(nèi)容摘要，

2、控制基本復(fù)查1.1電腦控制系統(tǒng)的配置1.2通用電腦控制系統(tǒng)1.3現(xiàn)場(chǎng)巴士控制系統(tǒng)(FCS) 1.4電腦集成制造系統(tǒng)(CIMS) 1.5智能控制系統(tǒng)1.6機(jī)電一體化控制系統(tǒng)1.7產(chǎn)業(yè)控制電腦1.8總線控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)物理、化學(xué)、生物學(xué)等規(guī)律進(jìn)行說(shuō)明。例如機(jī)器系統(tǒng)的牛頓定律、傳記系統(tǒng)的克?；舴蚨傻榷际敲枋鱿到y(tǒng)模型的基本定律。自動(dòng)控制系統(tǒng)，幾個(gè)茄子重要概念的回顧，數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表示。數(shù)學(xué)模型可以有多種茄子形式。經(jīng)典理論中常用的數(shù)學(xué)模型有微方程、原理圖、信號(hào)流程圖等。現(xiàn)代控制理論使用狀態(tài)空間表示法。線路圖、信號(hào)流程圖、狀態(tài)圖是數(shù)學(xué)模型的圖形表現(xiàn)法。建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)

3、模型，建立合理的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)分析研究至關(guān)重要。合理地包括兩個(gè)。(1)必須準(zhǔn)確反映組件和系統(tǒng)的特性。(2)寫的數(shù)學(xué)式要簡(jiǎn)潔。控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的要求可以采用分析方法和實(shí)驗(yàn)方法。分析方法根據(jù)系統(tǒng)和構(gòu)件遵循的相關(guān)規(guī)律構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。用解釋法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)，要非常熟悉其中反映的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和科學(xué)規(guī)律，把握主要矛盾，無(wú)視次要矛盾，合理建立數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)方法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型。也就是說(shuō)，人為地向系統(tǒng)添加某種測(cè)試信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的輸入和輸出數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、階數(shù)和參數(shù)的方法也成為系統(tǒng)識(shí)別。線性系統(tǒng)最重要的特性是可用的疊加原理。對(duì)于非線性系統(tǒng)，如果非線性不嚴(yán)重或變量變化范圍不大，則可以使用小偏差線性化

4、方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性化。解析法建立運(yùn)動(dòng)方程，用解析法建立運(yùn)動(dòng)方程的步驟1)分析系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)內(nèi)變量之間的關(guān)系，以確定要研究的組件或系統(tǒng)的輸入量和輸出量。2)從輸入端開(kāi)始(閉環(huán)系統(tǒng)通常從比較開(kāi)始)，按照每個(gè)組件遵循的物理、化學(xué)、生物等規(guī)律編寫每個(gè)方程，但要注意負(fù)載效果。負(fù)荷效果是考慮下一步對(duì)上一級(jí)別的影響。3)求解所有方程，去掉中間變量，得到系統(tǒng)輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)方程。標(biāo)準(zhǔn)方程式包括三個(gè)茄子方面，將與輸入量相關(guān)的項(xiàng)目放在方程式的右側(cè)，將與輸出量相關(guān)的項(xiàng)目放在方程式的左側(cè)。每個(gè)派生項(xiàng)按平方排列。將方程式的系數(shù)參數(shù)化為具有實(shí)體意義的系數(shù)(透過(guò)元件或系統(tǒng)的參數(shù))。計(jì)算機(jī)模擬和輔助設(shè)計(jì)、電腦輔助設(shè)計(jì)

5、的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的快速準(zhǔn)確計(jì)算能力、海量存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合設(shè)計(jì)師的綜合分析、邏輯判斷和創(chuàng)造性思維來(lái)加速設(shè)計(jì)過(guò)程、縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。說(shuō)明：電腦輔助設(shè)計(jì)從廣義上包含電腦仿真的內(nèi)容，從狹義上說(shuō)，主要任務(wù)是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力處理設(shè)計(jì)師手動(dòng)處理的不便和麻煩。模擬的定義模擬的基本思想是使用物理或數(shù)學(xué)模型模仿實(shí)際過(guò)程，以尋找對(duì)實(shí)際過(guò)程的理解。它遵循的基本原則是相似性原理。電腦仿真的定義：基于建立的系統(tǒng)模擬模型，使用計(jì)算機(jī)分析和研究系統(tǒng)的方法。計(jì)算機(jī)模擬，相似原理，1.1電腦控制系統(tǒng)的配置，圖1-1電腦控制系統(tǒng)基本框，控制器，D/A，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制對(duì)象，測(cè)

6、量傳輸，A/D，電腦控制系統(tǒng)組件，2，電腦控制系統(tǒng)組件，CPU/MEM，人機(jī)介面，系統(tǒng)支持，內(nèi)部巴士，模擬輸入通道(AI)，模擬輸入通道(AO)，數(shù)字輸出通道(DO)，數(shù)字輸出通道2一般電腦控制系統(tǒng)，包括目前常用的一般電腦控制系統(tǒng)(主要包括1)PC總線的卡和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的電腦控制系統(tǒng))2)數(shù)字調(diào)節(jié)器電腦控制系統(tǒng)；3)PLC電腦控制系統(tǒng)；4)嵌入式系統(tǒng)電腦控制系統(tǒng)；1基于PC巴士的主板工業(yè)電腦，產(chǎn)業(yè)控制電腦是用于測(cè)量和控制產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)流程、機(jī)械和傳記設(shè)備以及工藝設(shè)備的電腦，也就是工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一款能夠在產(chǎn)業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)。與普通微型計(jì)算機(jī)相比，工業(yè)計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)工業(yè)總

7、線設(shè)計(jì)，支持多種模塊化CPU卡和所有PCI/ISA巴士介面主板。(2)開(kāi)放、相容性好，能吸收PC的所有功能，直接執(zhí)行PC上的各種應(yīng)用程式軟體。(3)機(jī)箱使用完全剛性機(jī)架，防止電磁干擾。具有充分的負(fù)載驅(qū)動(dòng)功能。機(jī)箱配備雙風(fēng)扇、正壓對(duì)流排氣、防止灰塵的灰塵過(guò)濾器。典型應(yīng)用節(jié)目，疊層制造系統(tǒng)(LOM)控制系統(tǒng)1)X、Y、Z 3軸由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。2)加熱輥、進(jìn)紙、收紙裝置由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。3)變位變速器和激光控制主要是A/D和D/A轉(zhuǎn)換。2數(shù)字調(diào)節(jié)器的電腦控制系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)節(jié)器可以根據(jù)用途和性能分為節(jié)目控制器、可編程調(diào)節(jié)器、混合控制器、批量控制器等多種類型。硬件電路包括主機(jī)電路、進(jìn)程輸入通道、進(jìn)程輸出

8、通道、人機(jī)介面電路和通信介面電路。軟件分為系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分。其特點(diǎn)包括計(jì)算控制功能、通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)所需功能、自我診斷功能、數(shù)字通信功能、相對(duì)好的人機(jī)介面、通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)器的人機(jī)界面，使操作員可以輕松操作調(diào)節(jié)器。，數(shù)字調(diào)節(jié)器的應(yīng)用節(jié)目，控制器具有一系列信息，如手、自動(dòng)操作狀態(tài)、PID參數(shù)值、輸入和輸出值，并通過(guò)通信模塊設(shè)置控制器控制所需的信息，如操作狀態(tài)更改、參數(shù)設(shè)置等。3基于可編程控制器的電腦控制系統(tǒng)、可編程控制器(PLC)將電腦編程的靈活性、功能、應(yīng)用節(jié)目范圍等優(yōu)點(diǎn)與繼電器系統(tǒng)的控制相結(jié)合，結(jié)合了易于使用、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。它本身體積小，重量輕，功耗小，因此可以在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程

9、中進(jìn)行控制。PLC的特點(diǎn)是可靠性、功能、應(yīng)用靈活性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試周期短，操作服務(wù)方便。PLC的主要缺點(diǎn)是，盡管某些大型PLC有很大的發(fā)展，但人機(jī)界面相對(duì)較差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力差。可節(jié)目控制器的應(yīng)用節(jié)目，圖7-29機(jī)器人控制圖表，機(jī)器人控制的基本要求，按下啟動(dòng)按鈕后，傳送帶A運(yùn)行，直到光電開(kāi)關(guān)PS檢測(cè)到物體為止，機(jī)器人不會(huì)停止工作，機(jī)器人會(huì)下落。落在原地，機(jī)器人鉗住物體，2s后開(kāi)始上升，機(jī)器人保持鉗住。上升到原地左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)到原地，下降松開(kāi)機(jī)械臂，2s后機(jī)械臂上升。上升后，傳送帶B開(kāi)始工作，機(jī)器臂右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，傳送帶B停止。此時(shí)，輸送機(jī)A不會(huì)停止循環(huán)，直到光電開(kāi)關(guān)PS再次檢測(cè)到物體。為了確保機(jī)器

10、人動(dòng)作正確，在機(jī)器手里安裝限位開(kāi)關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，分別使機(jī)器手臂脫落并上升。基于嵌入式系統(tǒng)的電腦控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的概念表明，嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個(gè)茄子主要特征：專業(yè)化、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)核小、嵌入式軟件開(kāi)發(fā)要標(biāo)準(zhǔn)化，必須使用多任務(wù)操作系統(tǒng)。為了提高運(yùn)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)的軟件通常固化在內(nèi)存芯片或單個(gè)籌碼本身，而不是硬盤等載體上，嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要專業(yè)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域可以包括產(chǎn)業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)和電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)控、機(jī)器人等?；谇度胧较到y(tǒng)的硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)、圖2.3嵌入式硬件平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)、嵌入式系統(tǒng)的LIN

11、通信、嵌入式LIN通信、嵌入式系統(tǒng)的CAN通信、嵌入式CAN通信、嵌入式系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制、嵌入式電動(dòng)機(jī)控制、1.3現(xiàn)場(chǎng)巴士電腦控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線是90年代初期出現(xiàn)的高級(jí)產(chǎn)業(yè)控制技術(shù)電腦技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合集成將通信線路擴(kuò)展到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，即用于流程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。將現(xiàn)有的DCS三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電腦工作站現(xiàn)場(chǎng)巴士智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，以降低成本、提高可靠性，并實(shí)現(xiàn)控制管理集成的結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)。目前各種現(xiàn)場(chǎng)巴士產(chǎn)品有40多種。電腦控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程、現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)、通信線路電源：通信線路電源供應(yīng)方式，使現(xiàn)場(chǎng)儀表可以直接從通信線路攝取能量。

12、全數(shù)字通信：在現(xiàn)場(chǎng)巴士控制系統(tǒng)中，從變送器的傳感器到調(diào)節(jié)閥，信號(hào)保持?jǐn)?shù)字狀態(tài)。產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的噪聲和其他干擾信號(hào)難以扭曲現(xiàn)場(chǎng)巴士控制系統(tǒng)中的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大抗干擾能力提高了過(guò)程控制的準(zhǔn)確性和可靠性。開(kāi)放互連網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放互連網(wǎng)絡(luò)，可以連接到不同層次的網(wǎng)絡(luò)。其他制造商的產(chǎn)品可以輕松連接到現(xiàn)場(chǎng)總線，并且可以互操作。用戶可以根據(jù)性能價(jià)格選擇最佳性能，配置所需的控制環(huán)路，而無(wú)需保留修改，并可以自由集成開(kāi)放式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)巴士應(yīng)用節(jié)目、圖2 LAN NC系統(tǒng)塊圖表功能模塊結(jié)構(gòu)圖表、每個(gè)子模塊具有單獨(dú)的編程、PLC和通信功能，具有滿足各種控制要求的特殊功能編程。模塊的基本結(jié)構(gòu)如下：圖3功能模

13、塊結(jié)構(gòu)圖表，1.4現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)具體地說(shuō)，將傳統(tǒng)制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)電腦技術(shù)使企業(yè)產(chǎn)品成為企業(yè)產(chǎn)品在企業(yè)號(hào)產(chǎn)品生命周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了信息、智能、集成優(yōu)化，產(chǎn)品上市快、服務(wù)好，現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的集成概念得到了廣泛而深入的擴(kuò)展，除了信息集成之外，還實(shí)現(xiàn)了企業(yè)號(hào)產(chǎn)品生命周期內(nèi)各種業(yè)務(wù)流程的總體最優(yōu)化，即流程集成。發(fā)展到完善企業(yè)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)之間的集成階段?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成，“高級(jí)制造技術(shù)”(AMT advanced manufacturing technology)是專有名詞，目前還沒(méi)有明確、一致公認(rèn)的定義。通過(guò)對(duì)其內(nèi)

14、涵和特征的研究，現(xiàn)在的共同認(rèn)識(shí)是，先進(jìn)的制造技術(shù)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料、能源、現(xiàn)代管理等，并全面應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、管理、銷售、使用、服務(wù)制造的全過(guò)程。技術(shù)特性、1、并行工程(CEConcurrent Engineering)并行工程是集成和同時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品和相關(guān)流程(包括制造流程和支持流程)的系統(tǒng)方法。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員從一開(kāi)始就應(yīng)考慮產(chǎn)品生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的所有因素，包括質(zhì)量、成本、時(shí)間表和用戶要求。2、虛擬制造(VMVirtual Manufacturing)虛擬制造使用信息技術(shù)、模擬技術(shù)和電腦技術(shù)，在實(shí)際制造活動(dòng)中全面模擬人、物、信息和制造流程。3.敏捷制造(AMAg

15、ile Manufacturing)敏捷制造以競(jìng)爭(zhēng)力和可靠性為基礎(chǔ)，選擇合作者組成虛擬公司，進(jìn)行分工合作，為相同的目標(biāo)共同努力，提高整體競(jìng)爭(zhēng)力，快速響應(yīng)用戶的要求，滿足用戶的需求。4.綠色制造(GMGreen Manufacturing)綠色制造是綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模型，其目標(biāo)是在從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)，將對(duì)環(huán)境的影響(負(fù)面影響)降至最低并釋放資源。1.5智能控制概述，1智能控制與傳統(tǒng)控制的主要區(qū)別是基于模型的控制，適用于控制對(duì)象可以用數(shù)學(xué)模型描述的線性常數(shù)系統(tǒng)。智能控制是對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性、非線性和不確定性的，人工智能和控制理論相結(jié)合，解決問(wèn)題的能力和水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)控制。智能控制與現(xiàn)有控制的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)茄子方面：(1)復(fù)雜性處理、不確定性問(wèn)題處理能力、現(xiàn)有控制能力下降，而智能控制系統(tǒng)具有模仿者的智能，處理復(fù)雜