自动化学科概论课件.pptx

1、第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论3.2 被控对象及其数学模型的建立3.3 自动控制基本原理3.4 数字控制及计算机控制系统3.5 自动化基本设备3.6 小结 自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。“系统”是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理简单的水箱液位控制

2、 水箱液位自动控制系统一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程(2)给定环节 产生给定输入信号的环节(3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置(4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较(5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标(6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作 自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：系统的模型 系统的分析 控制系统的综合不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (

3、3)大系统理论和智能控制技术 3.2.1 被控对象的类型3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法3.2.3 复杂系统建模的困难第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理工程技术领域的被控对象不同的分类法（1）按被控对象的特性可分为线性线性和非线性非线性（2）按被控对象结构参数可分为定常定常和时变时变（3）按系统传输信号的性质可分为连续系统连续系统和离散系统离散系统（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统恒值控制系统和随动控制系统随动控制系统 建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。解析法-建立起输入与输出之间的因果关系实验法-把需建模的对象看成为一个“黑箱”复

4、杂系统的建模，会存在更多的困难：对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达式去描述。对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微分方程或大维数的状态方程。实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。3.3.1 自动控制系统的基本性能要求3.3.2 开环控制与闭环控制3.3.3 单回路控制与多回路控制3.3.4 基本控制规则3.3.5 单变量控制与多变量控制3.3.6 非线性系统控制及其困难第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状

5、态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态动态，处于平衡状态时称为静态静态。自动控制系统动态过程常见形式：单调收敛过程单调发散过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程自动控制系统的基本性能 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个控制系统过渡过程的好坏。快速性 准确性 对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行的。开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。1.开环控制 扰动补偿控制，也称为“前馈控制”2.闭环系统 自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施

6、有效控制，达到消除或减少偏差的目的。按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。液位自动控制系统 ryyy y()()kyG sG sy()()()1()()krkG sG sysyG sG s()s()()kG sG s 即为液位偏差信号，假设H(s)=1,则系统输出y为 最后可得：表示了整个系统输出与输入之间的传递关系，称为系统的“闭环传递函数”，而把 称为系统的“开环传递函数”。复合控制 复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的

7、高精度。这是一种得到广泛应用的控制形式。单回路控制具有一个闭合环路的控制多回路控制具有多个控制器、多个反馈闭合环路 用简单的一个闭合环路控制往往不能得到好的控制系统特性，必须采用具有多个控制器、多个反馈闭合环路的多回路控制。电动机的控制是多回路控制的典型例子。1.速度闭环控制调速系统2.双闭环控制调速系统3.位置随动系统 比例控制 比例+积分控制 比例+微分控制 在实际的自动控制系统中，为保持系统具有良好的动态特性和静态特性，往往使控制器同时具有比例、微分、积分控制作用，构成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I（积分）D（微分）控制。控制规则的确定是控制器设计的核心 单变量控制系统只有一个

8、输入量和一个输出量的控制系统多变量控制系统有多于一个输入量或多于一个输出量的控制系统混合槽液位控制系统 多变量控制系统用状态空间方法描述 解耦控制对解决多变量控制系统控制问题最具价值 非线性系统是指含有非线性元件的系统，需用非线性微分方程或状态方程描述。饱和特性典型非线性特性带滞环的继电特性死区特性非线性控制系统与线性系统相比的特点：线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参数，与系统的初始条件以及外加输入无关。对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法在

9、非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法各种智能控制方法3.4.1 从模拟量到数字量3.4.2 计算机控制3.4.3 基于网络技术的计算机控制第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 绝大多控制系统的被控量是连续时间信号 计算机等数字运算装置只能处理数字信号连续信号变换为离散信号的采样过程 零阶保持器的信号保持过程 A/D和D/A构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁，一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图。数字计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件，一个计算机控制系统也必须包括硬件和软件两部分。1.硬件组成 (1)计算机主机 由中央

10、处理器(CPU)、存储器和接口组成的主机是控制系统的核心，它根据输入设备送来的反映设备或过程工作状态的信息，以及既定的控制规则(算法)，进行运算处理，并将处理结果通过输出设备向设备或过程发送控制命令。另外，主机还要接受来自操作台的操作命令。(2)输入输出设备 A/D、D/A是模拟量输入输出设备。除此之外，还有开关量输入输出设备，负责将设备或过程的开关、触点等开关量信号送入主机，将主机关于通/断的控制命令传至设备或过程。(3)人机接口设备 除了通用的CRT显示器、键盘和打印机外，还包括专用的操作显示面板或操作显示台，主要用于操作员发操作命令、设置控制系统参数、显示工作状态等。二、软件组成 软件是

11、计算机控制系统的神经中枢，负责指挥计算机控制系统的活动。软件主要有系统软件和应用软件两部分。系统软件 指为用户使用、管理、维护计算机所提供的计算机程序，一般包括操作系统、算法语言、数据库、诊断程序等。应用软件 指为完成具体对象自动控制任务而编制的专用软件，通常包括数据采集及处理程序、控制程序、过程监视程序、打印制表程序等。1.计算机集散控制系统DCS2.现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统具有系统的高度分散性系统的开放性使用的经济性3.可编程序控制器系统PLCOMRON公司开发的PLC网络3.5.1 信息获取传感器3.5.2 信息传输信号转换与传输网络3.5.3 信息处理控制器3.5.4

12、 信息应用执行器3.5.5 系统集成、优化的重要性第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 传感器的任务 检测系统内部或外部的物理参数，以获取相应的信息待测量的物理量 电压、电流等电量 温度、流量、物位、成分等非电量传感器种类繁多 按被测参量 温度传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器、荷重传感器等 按信号转换机理 电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式 按输出信号形式 模拟式传感器、数字式传感器传感器的要求(1)精确性 传感器的输出信号必须精确地反映被测量的变化，它们之间应该是严格的单值函数关系，最好是线性关系。(2)稳定性 传感器输出与被测量之间的单值函数关系不应受时间及工作环

13、境的影响，有好的重复性。(3)灵敏性 传感器的输出信号能反映被测量较小的变化。自动控制系统的通信网络与商业通信网络相比较，在技术性能上有如下特点：(1)高实时性要求。网络堵塞以及网络传输引起的大延时在控制系统中都是不允许的。(2)高可靠性、高安全性要求。网络传输过程中引起的信息出错及信息丢失将导致控制系统错控或失控，也是不允许的。(3)良好的确定性要求。网络传输的信息必须语义明确，解释单一。控制器外部信息内部信息被控制对象的控制信号控制器类型 传统的模拟控制器 现代的控制器为计算机执行器信息处理的落足点，实现对信息的应用 执行器是信息流对能量流、物质流的转换装置，执行器将控制信号变换为导致被控

14、量按要求变化所需要的能量或物质。电机调速系统的执行器晶闸管触发及整流装置 蒸汽加热温度控制系统的执行器电动调节阀 水箱液位控制系统的执行器电动阀门 自动化已经渗透进各行各业 工业自动化是社会生产力发展的重要保障 自动化设备的制造、自动化工程的实施都已形成庞大的产业 必须根据自动控制任务的要求，合理地选择自动化设备，构建有效的自动控制系统“优化”所构建的系统最合理 系统最合理 首先是由所选取的自动化设备有机地组合起来的自动控制系统能完成给定的自动控制任务，达到给定的性能指标要求。其次要把系统要求的性能指标分解，分配到组成系统的各自动化设备，确定各自动化设备的性能指标并选取符合要求的设备。还要考虑

15、各自动化设备组合时相互的匹配性等。系统的合理性还要从性价比的角度去考虑。本章从三个层面介绍了自动化的基本概念和原理：第一个层面是自动控制原理(自动控制理论)第二个层面是自动控制系统 第三个层面是自动控制工程第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理1、Genius only means hard-working all ones life.(Mendeleyer,Russian Chemist)天才只意味着终身不懈的努力。20.8.58.5.202011:0311:03:10Aug-2011:032、Our destiny offers not only the cup of despa

16、ir,but the chalice of opportunity.(Richard Nixon,American President)命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二二年八月五日2020年8月5日星期三3、Patience is bitter,but its fruit is sweet.(Jean Jacques Rousseau,French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.20204、All that you do,do with your mi

17、ght;things done by halves are never done right.-R.H.Stoddard,American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:105、You have to believe in yourself.Thats the secret of success.-Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday,August 5,2020August 20Wednesday,August 5,20208/5/20206、Almos

18、t any situation-good or bad-is affected by the attitude we bring to.-Lucius Annaus Seneca差不多任何一种处境-无论是好是坏-都受到我们对待处境态度的影响。11时3分11时3分5-Aug-208.5.20207、Although the world is full of suffering,it is full also of the overcoming of it.-Hellen Keller,American writer虽然世界多苦难，但是苦难总是能战胜的。20.8.520.8.520.8.5。202

19、0年8月5日星期三二二年八月五日8、For man is man and master of his fate.-Tennyson人就是人，是自己命运的主人11:0311:03:108.5.2020Wednesday,August 5,20209、When success comes in the door,it seems,love often goes out the window.-Joyce Brothers成功来到门前时，爱情往往就走出了窗外。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.202010、Life is

20、measured by thought and action,not by time.Lubbock 衡量生命的尺度是思想和行为，而不是时间。8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:1011、To make a lasting marriage we have to overcome self-centeredness.要使婚姻长久，就需克服自我中心意识。Wednesday,August 5,2020August 20Wednesday,August 5,20208/5/202012、Treat other people as you hope they

21、 will treat you.你希望别人如何对待你，你就如何对待别人。11时3分11时3分5-Aug-208.5.202013、To do whatever needs to be done to preserve this last and greatest bastion of freedom.(Ronald Reagan,American President)为了保住这最后的、最伟大的自由堡垒，我们必须尽我们所能。20.8.520.8.5Wednesday,August 5,202014、Where there is a will,there is a way.(Thomas Edis

22、on,American inventor)有志者，事竟成。11:01:1911:01:1911:018/5/2020 11:01:19 AM15、Every man is the master of his own fortune.-Richard Steele每个人都主宰自己的命运。20.8.511:01:1911:01Aug-205-Aug-2016、As selfishness and complaint cloud the mind,so love with its joy clears and sharpens the vision.-Helen Keller自私和抱怨是心灵的阴暗，

23、愉快的爱则使视野明朗开阔。11:01:1911:01:1911:01Wednesday,August 5,202017、Do not,for one repulse,give up the purpose that you resolved to effect.-Willian Shakespeare,British dramatist不要只因一次失败，就放弃你原来决心想达到的目的。20.8.520.8.511:01:1911:01:19August 5,202018、There is no absolute success in the world,only constant progres

24、s.世界上的事没有绝对成功，只有不断的进步。2020年8月5日星期三上午11时1分19秒11:01:1920.8.519、Nothing is more fatal to happiness than the remembrance of happiness.没有什么比回忆幸福更令人痛苦的了。2020年8月上午11时1分20.8.511:01August 5,202020、No man is happy who does not think himself so.Publilius Syrus认为自己不幸福的人就不会幸福。2020年8月5日星期三11时1分19秒11:01:195 August 202021、The emperor treats talent as tools,using their strongpoint to his advantage.君子用人如器，各取所长。上午11时1分19秒上午11时1分11:01:1920.8.5谢谢观看THE END