自動(dòng)化學(xué)科概論

1、自動(dòng)化學(xué)科概論自動(dòng)化學(xué)科概論第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化學(xué)科概論自動(dòng)化學(xué)科概論3.1 自動(dòng)化、自動(dòng)控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制理論3.2 被控對(duì)象及其數(shù)學(xué)模型的建立3.3 自動(dòng)控制基本原理3.4 數(shù)字控制及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.5 自動(dòng)化基本設(shè)備3.6 小結(jié) 自動(dòng)化作為一種行為和一種狀態(tài)，它是通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。 “系統(tǒng)”是由相互作用、相互聯(lián)系的若干個(gè)組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體。 自動(dòng)控制系統(tǒng)則是指能夠?qū)崿F(xiàn)“自動(dòng)化”任務(wù)的設(shè)備，它是人造系統(tǒng)，而且是工程技術(shù)領(lǐng)域的人造系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對(duì)象組成。第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理簡(jiǎn)單的水

2、箱液位控制 水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)由下列基本部分組成：(1)被控對(duì)象 控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過(guò)程(2)給定環(huán)節(jié) 產(chǎn)生給定輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)(3)測(cè)量環(huán)節(jié) 隨時(shí)將被控制量檢測(cè)出來(lái)的裝置(4)比較環(huán)節(jié) 其功能是將給定的輸入信號(hào)（被控制量的希望值）與測(cè)量環(huán)節(jié)得到的被控制量實(shí)際值加以比較(5)控制環(huán)節(jié) 它的功能是根據(jù)偏差信號(hào)，決策如何去操作被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)被控量達(dá)到所希望的目標(biāo)(6)執(zhí)行環(huán)節(jié) 按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實(shí)施對(duì)控制對(duì)象的操作 自動(dòng)控制理論從三個(gè)方面對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和闡述： 系統(tǒng)的模型 系統(tǒng)的分析 控制系統(tǒng)的綜合不同特色的理論和技術(shù)體系 (1)經(jīng)典控制理論 (2)現(xiàn)代

3、控制理論 (3)大系統(tǒng)理論和智能控制技術(shù) 3.2.1 被控對(duì)象的類(lèi)型3.2.2 建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基本方法3.2.3 復(fù)雜系統(tǒng)建模的困難第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理工程技術(shù)領(lǐng)域的被控對(duì)象不同的分類(lèi)法（1）按被控對(duì)象的特性可分為線(xiàn)性線(xiàn)性和非線(xiàn)性非線(xiàn)性 （2）按被控對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)可分為定常定常和時(shí)變時(shí)變（3）按系統(tǒng)傳輸信號(hào)的性質(zhì)可分為連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)離散系統(tǒng)（4）按系統(tǒng)期望輸出信號(hào)的變化規(guī)律還可分為恒值控制系統(tǒng)恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng) 建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法主要有解析法和實(shí)驗(yàn)法兩種。解析法-建立起輸入與輸出之間的因果關(guān)系實(shí)驗(yàn)法-把需建模的對(duì)象看成為

4、一個(gè)“黑箱” 復(fù)雜系統(tǒng)的建模，會(huì)存在更多的困難： 對(duì)于大范圍變化或非線(xiàn)性特性強(qiáng)烈的對(duì)象，不能進(jìn)行線(xiàn)性近似，必須用精確非線(xiàn)性的數(shù)字表達(dá)式去描述。 對(duì)于變量多的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型將是高階微分方程或大維數(shù)的狀態(tài)方程。 實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常不是固定不變的，系統(tǒng)的模型應(yīng)為變參數(shù)微分方程。 實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)往往是分布的，這時(shí)要用偏微分方程描述。3.3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求3.3.2 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制3.3.3 單回路控制與多回路控制3.3.4 基本控制規(guī)則3.3.5 單變量控制與多變量控制3.3.6 非線(xiàn)性系統(tǒng)控制及其困難第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)從原來(lái)的平衡

5、狀態(tài)過(guò)渡到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，兩個(gè)平衡狀態(tài)之間的過(guò)渡過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)，處于平衡狀態(tài)時(shí)稱(chēng)為靜態(tài)靜態(tài)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程常見(jiàn)形式：?jiǎn)握{(diào)收斂過(guò)程單調(diào)發(fā)散過(guò)程衰減振蕩過(guò)程等幅振蕩過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能 穩(wěn)定性 與穩(wěn)定性相關(guān)，還可以用平穩(wěn)性來(lái)衡量一個(gè)控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的好壞。 快速性 準(zhǔn)確性 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究(包括分析、綜合)就是從動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩方面圍繞上面三個(gè)特性進(jìn)行的。 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制是按信號(hào)的傳遞路徑來(lái)區(qū)分的兩種不同的控制形式。 1. 開(kāi)環(huán)控制 擾動(dòng)補(bǔ)償控制，也稱(chēng)為“前饋控制”2. 閉環(huán)系統(tǒng) 自動(dòng)控制最基本的形式，將被控量測(cè)量出來(lái)，反饋至控制系統(tǒng)的輸入端與給定信號(hào)進(jìn)行比較得出

6、偏差信號(hào)，然后根據(jù)偏差對(duì)被控對(duì)象實(shí)施有效控制，達(dá)到消除或減少偏差的目的。 按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才是真正意義上的自動(dòng)控制系統(tǒng)，反饋控制是自動(dòng)控制最基本的形式，自動(dòng)控制理論主要就是圍繞反饋控制來(lái)研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的。液位自動(dòng)控制系統(tǒng) ryyy y( )( )kyG sG sy( )( )( )1( )( )krkG sG sysyG sG s( ) s( )( )kG sG s 即為液位偏差信號(hào)，假設(shè)H(s)=1,則系統(tǒng)輸出y為 最后可得： 表示了整個(gè)系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳遞關(guān)系，稱(chēng)為系統(tǒng)的“閉環(huán)傳遞函數(shù)”，而把 稱(chēng)為系統(tǒng)的“開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)”。復(fù)合控制 復(fù)合控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償控制(前饋控制)能

7、及時(shí)地抵消可測(cè)擾動(dòng)量對(duì)被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應(yīng)用的控制形式。單回路控制具有一個(gè)閉合環(huán)路的控制多回路控制具有多個(gè)控制器、多個(gè)反饋閉合環(huán)路 用簡(jiǎn)單的一個(gè)閉合環(huán)路控制往往不能得到好的控制系統(tǒng)特性，必須采用具有多個(gè)控制器、多個(gè)反饋閉合環(huán)路的多回路控制。 電動(dòng)機(jī)的控制是多回路控制的典型例子。 1. 速度閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)2. 雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)3. 位置隨動(dòng)系統(tǒng) 比例控制 比例+積分控制 比例+微分控制 在實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為保持系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，往往使控制器同時(shí)具有比例、微分、積分控制作用，構(gòu)成比例+積分+微分控制，或稱(chēng)為P（比例）I（積分）

8、D（微分）控制?？刂埔?guī)則的確定是控制器設(shè)計(jì)的核心 單變量控制系統(tǒng)只有一個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng)有多于一個(gè)輸入量或多于一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng)混合槽液位控制系統(tǒng) 多變量控制系統(tǒng)用狀態(tài)空間方法描述 解耦控制對(duì)解決多變量控制系統(tǒng)控制問(wèn)題最具價(jià)值 非線(xiàn)性系統(tǒng)是指含有非線(xiàn)性元件的系統(tǒng)，需用非線(xiàn)性微分方程或狀態(tài)方程描述。飽和特性典型非線(xiàn)性特性帶滯環(huán)的繼電特性死區(qū)特性非線(xiàn)性控制系統(tǒng)與線(xiàn)性系統(tǒng)相比的特點(diǎn)： 線(xiàn)性系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，與系統(tǒng)的初始條件以及外加輸入無(wú)關(guān)。 對(duì)于非線(xiàn)性系統(tǒng)而言，發(fā)生并維持一定頻率和振幅的穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)完全是可能的，通常把這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為自激振蕩，并在信

9、號(hào)發(fā)生器等場(chǎng)合得以有效應(yīng)用。非線(xiàn)性控制系統(tǒng)的分析方面 相平面法 描述函數(shù)法在非線(xiàn)性系統(tǒng)的綜合方面 基于幾何方法的反饋線(xiàn)性化方法 基于微分代數(shù)的代數(shù)方法各種智能控制方法3.4.1 從模擬量到數(shù)字量3.4.2 計(jì)算機(jī)控制3.4.3 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理 絕大多控制系統(tǒng)的被控量是連續(xù)時(shí)間信號(hào) 計(jì)算機(jī)等數(shù)字運(yùn)算裝置只能處理數(shù)字信號(hào)連續(xù)信號(hào)變換為離散信號(hào)的采樣過(guò)程 零階保持器的信號(hào)保持過(guò)程 A/D和D/A構(gòu)成了計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制系統(tǒng)其它部分聯(lián)系的橋梁，一個(gè)采用計(jì)算機(jī)控制的典型自動(dòng)控制系統(tǒng)可以表示成下圖。 數(shù)字計(jì)算機(jī)的工作需要硬件和軟件兩大支撐條件，一個(gè)計(jì)

10、算機(jī)控制系統(tǒng)也必須包括硬件和軟件兩部分。1. 硬件組成 (1)計(jì)算機(jī)主機(jī) 由中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器和接口組成的主機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)輸入設(shè)備送來(lái)的反映設(shè)備或過(guò)程工作狀態(tài)的信息，以及既定的控制規(guī)則(算法)，進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備向設(shè)備或過(guò)程發(fā)送控制命令。另外，主機(jī)還要接受來(lái)自操作臺(tái)的操作命令。(2)輸入輸出設(shè)備 A/D、D/A是模擬量輸入輸出設(shè)備。除此之外，還有開(kāi)關(guān)量輸入輸出設(shè)備，負(fù)責(zé)將設(shè)備或過(guò)程的開(kāi)關(guān)、觸點(diǎn)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)送入主機(jī)，將主機(jī)關(guān)于通/斷的控制命令傳至設(shè)備或過(guò)程。(3)人機(jī)接口設(shè)備 除了通用的CRT顯示器、鍵盤(pán)和打印機(jī)外，還包括專(zhuān)用的操作顯示面板或操作顯示臺(tái)，

11、主要用于操作員發(fā)操作命令、設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)、顯示工作狀態(tài)等。二、軟件組成 軟件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)指揮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的活動(dòng)。軟件主要有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。 系統(tǒng)軟件 指為用戶(hù)使用、管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)所提供的計(jì)算機(jī)程序，一般包括操作系統(tǒng)、算法語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、診斷程序等。 應(yīng)用軟件 指為完成具體對(duì)象自動(dòng)控制任務(wù)而編制的專(zhuān)用軟件，通常包括數(shù)據(jù)采集及處理程序、控制程序、過(guò)程監(jiān)視程序、打印制表程序等。1. 計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS2. 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)的高度分散性系統(tǒng)的開(kāi)放性使用的經(jīng)濟(jì)性3. 可編程序控制器系統(tǒng)PLCOMRON公司開(kāi)發(fā)的PLC網(wǎng)絡(luò)3.5.1

12、 信息獲取傳感器3.5.2 信息傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)3.5.3 信息處理控制器3.5.4 信息應(yīng)用執(zhí)行器3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理 傳感器的任務(wù) 檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部或外部的物理參數(shù)，以獲取相應(yīng)的信息待測(cè)量的物理量 電壓、電流等電量 溫度、流量、物位、成分等非電量傳感器種類(lèi)繁多 按被測(cè)參量 溫度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器、荷重傳感器等 按信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理 電阻式、電容式、電感式、壓電式、霍爾式 按輸出信號(hào)形式 模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器傳感器的要求(1)精確性 傳感器的輸出信號(hào)必須精確地反映被測(cè)量的變化，它們之間應(yīng)該是嚴(yán)格的單值函數(shù)

13、關(guān)系，最好是線(xiàn)性關(guān)系。(2)穩(wěn)定性 傳感器輸出與被測(cè)量之間的單值函數(shù)關(guān)系不應(yīng)受時(shí)間及工作環(huán)境的影響，有好的重復(fù)性。(3)靈敏性 傳感器的輸出信號(hào)能反映被測(cè)量較小的變化。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比較，在技術(shù)性能上有如下特點(diǎn)： (1)高實(shí)時(shí)性要求。網(wǎng)絡(luò)堵塞以及網(wǎng)絡(luò)傳輸引起的大延時(shí)在控制系統(tǒng)中都是不允許的。 (2)高可靠性、高安全性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中引起的信息出錯(cuò)及信息丟失將導(dǎo)致控制系統(tǒng)錯(cuò)控或失控，也是不允許的。 (3)良好的確定性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒈仨氄Z(yǔ)義明確，解釋單一?？刂破魍獠啃畔?nèi)部信息被控制對(duì)象的控制信號(hào)控制器類(lèi)型 傳統(tǒng)的模擬控制器 現(xiàn)代的控制器為計(jì)算機(jī)執(zhí)行器信息處理的落足點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的應(yīng)用 執(zhí)行器是信息流對(duì)能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換裝置，執(zhí)行器將控制信號(hào)變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需要的能量或物質(zhì)。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行器晶閘管觸發(fā)及整流裝置 蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 水箱液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動(dòng)閥門(mén) 自動(dòng)化已經(jīng)滲透進(jìn)各行各業(yè) 工業(yè)自動(dòng)化是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要保障 自動(dòng)化設(shè)備的制造、自動(dòng)化工程的實(shí)施都已形成龐大的產(chǎn)業(yè) 必須根據(jù)自動(dòng)控制任務(wù)的要求，合理地選擇自動(dòng)化設(shè)備，構(gòu)建有效的自動(dòng)控制系統(tǒng)“優(yōu)化”所構(gòu)建的系統(tǒng)最合理 系統(tǒng)最合理 首先是由所選取的自動(dòng)化設(shè)備有機(jī)地組合起來(lái)的自動(dòng)控制