自動化學(xué)科概論ppt課件

1、自動化學(xué)科概論第3章 自動化的根本原理 .自動化學(xué)科概論第3章 自動化的根本原理3.1 自動化、自動控制系統(tǒng)與自動控制實際3.2 被控對象及其數(shù)學(xué)模型的建立3.3 自動控制根本原理3.4 數(shù)字控制及計算機控制系統(tǒng)3.5 自動化根本設(shè)備3.6 小結(jié). 自動化作為一種行為和一種形狀，它是經(jīng)過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。 “系統(tǒng)是由相互作用、相互聯(lián)絡(luò)的假設(shè)干個組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體。 自動控制系統(tǒng)那么是指可以實現(xiàn)“自動化義務(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)。自動控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對象組成。3.1自動化、自動控制系統(tǒng)與自動控制實際第3章 自動化的根本原理.簡單的水箱液

2、位控制 .水箱液位自動控制系統(tǒng).一個典型的自動控制系統(tǒng)由以下根本部分組成：(1)被控對象 控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過程(2)給定環(huán)節(jié) 產(chǎn)生給定輸入信號的環(huán)節(jié)(3)丈量環(huán)節(jié) 隨時將被控制量檢測出來的安裝(4)比較環(huán)節(jié) 其功能是將給定的輸入信號被控制量的希望值與丈量環(huán)節(jié)得到的被控制量實踐值加以比較(5)控制環(huán)節(jié) 它的功能是根據(jù)偏向信號，決策如何去操作被控對象，實現(xiàn)被控量到達所希望的目的(6)執(zhí)行環(huán)節(jié) 按控制環(huán)節(jié)的控制決策，詳細實施對控制對象的操作. 自動控制實際從三個方面對自動控制系統(tǒng)進展研討和論述： 系統(tǒng)的模型 系統(tǒng)的分析 控制系統(tǒng)的綜合不同特征的實際和技術(shù)體系 (1)經(jīng)典控制實際 (2)現(xiàn)代控

3、制實際 (3)大系統(tǒng)實際和智能控制技術(shù) .3.2.1 被控對象的類型3.2.2 建立被控對象數(shù)學(xué)模型的根本方法3.2.3 復(fù)雜系統(tǒng)建模的困難3.2 被控對象及其數(shù)學(xué)模型的建立第3章 自動化的根本原理.工程技術(shù)領(lǐng)域的被控對象不同的分類法1按被控對象的特性可分為線性和非線性 2按被控對象構(gòu)造參數(shù)可分為定常和時變3按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)可分為延續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)4按系統(tǒng)期望輸出信號的變化規(guī)律還可分為恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)3.2.1 被控對象的類型.3.2.2 建立被控對象數(shù)學(xué)模型的根本方法 建立被控對象數(shù)學(xué)模型的方法主要有解析法和實驗法兩種。解析法-建立起輸入與輸出之間的因果關(guān)系實驗法-把需建模的對

4、象看成為一個“黑箱. 復(fù)雜系統(tǒng)的建模，會存在更多的困難： 對于大范圍變化或非線性特性劇烈的對象，不能進展線性近似，必需用準(zhǔn)確非線性的數(shù)字表達式去描畫。 對于變量多的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型將是高階微分方程或大維數(shù)的形狀方程。 實踐系統(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。 實踐系統(tǒng)的參數(shù)往往是分布的，這時要用偏微分方程描畫。3.2.3 復(fù)雜系統(tǒng)建模的困難.3.3.1 自動控制系統(tǒng)的根本性能要求3.3.2 開環(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 根本控制規(guī)那么3.3.5 單變量控制與多變量控制3.3.6 非線性系統(tǒng)控制及其困難3.3 自動控制根本原理第3章 自動

5、化的根本原理. 一個自動控制系統(tǒng)從原來的平衡形狀過渡到一個新的平衡形狀，兩個平衡形狀之間的過渡過程稱為動態(tài)，處于平衡形狀時稱為靜態(tài)。 自動控制系統(tǒng)動態(tài)過程常見方式：3.3.1 自動控制系統(tǒng)的根本性能要求.單調(diào)收斂過程單調(diào)發(fā)散過程.衰減振蕩過程等幅振蕩過程.發(fā)散振蕩過程.自動控制系統(tǒng)的根本性能 穩(wěn)定性 與穩(wěn)定性相關(guān)，還可以用平穩(wěn)性來衡量一個控制系統(tǒng)過渡過程的好壞。 快速性 準(zhǔn)確性 對自動控制系統(tǒng)的研討(包括分析、綜合)就是從動態(tài)、靜態(tài)兩方面圍繞上面三個特性進展的。. 開環(huán)控制和閉環(huán)控制是按信號的傳送途徑來區(qū)分的兩種不同的控制方式。 3.3.2 開環(huán)控制與閉環(huán)控制1. 開環(huán)控制. 擾動補償控制，也

6、稱為“前饋控制.2. 閉環(huán)系統(tǒng) 自動控制最根本的方式，將被控量丈量出來，反響至控制系統(tǒng)的輸入端與給定信號進展比較得出偏向信號，然后根據(jù)偏向?qū)Ρ豢貙ο髮嵤┯行Э刂?，到達消除或減少偏向的目的。 按負反響原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才是真正意義上的自動控制系統(tǒng)，反響控制是自動控制最根本的方式，自動控制實際主要就是圍繞反響控制來研討自動控制系統(tǒng)的。.液位自動控制系統(tǒng) . 即為液位偏向信號，假設(shè)H(s)=1,那么系統(tǒng)輸出y為 最后可得： 表示了整個系統(tǒng)輸出與輸入之間的傳送關(guān)系，稱為系統(tǒng)的“閉環(huán)傳送函數(shù)，而把 稱為系統(tǒng)的“開環(huán)傳送函數(shù)。.復(fù)合控制 復(fù)合控制系統(tǒng)中的補償控制(前饋控制)能及時地抵消可測擾動量對被控

7、量的不利影響，而反響控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛運用的控制方式。.單回路控制具有一個閉合環(huán)路的控制多回路控制具有多個控制器、多個反響閉合環(huán)路3.3.3 單回路控制與多回路控制. 用簡單的一個閉合環(huán)路控制往往不能得到好的控制系統(tǒng)特性，必需采器具有多個控制器、多個反響閉合環(huán)路的多回路控制。 電動機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. 位置隨動系統(tǒng). 比例控制 比例+積分控制 比例+微分控制 在實踐的自動控制系統(tǒng)中，為堅持系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，往往使控制器同時具有比例、微分、積分控制造用，構(gòu)成比例+積分+微分控制，或稱為P

8、比例I積分D微分控制。3.3.4 根本控制規(guī)那么控制規(guī)那么確實定是控制器設(shè)計的中心 .單變量控制系統(tǒng)只需一個輸入量和一個輸出量的控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng)有多于一個輸入量或多于一個輸出量的控制系統(tǒng)3.3.5 單變量控制與多變量控制.混合槽液位控制系統(tǒng) 多變量控制系統(tǒng)用形狀空間方法描畫 解耦控制對處理多變量控制系統(tǒng)控制問題最具價值 . 非線性系統(tǒng)是指含有非線性元件的系統(tǒng)，需用非線性微分方程或形狀方程描畫。飽和特性典型非線性特性3.3.6 非線性系統(tǒng)控制及其困難.帶滯環(huán)的繼電特性死區(qū)特性.非線性控制系統(tǒng)與線性系統(tǒng)相比的特點： 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全取決于系統(tǒng)的構(gòu)造及其參數(shù)，與系統(tǒng)的初始條件以及外加輸入無

9、關(guān)。 對于非線性系統(tǒng)而言，發(fā)生并維持一定頻率和振幅的穩(wěn)定的周期運動完全是能夠的，通常把這種運動稱為自激振蕩，并在信號發(fā)生器等場所得以有效運用。.非線性控制系統(tǒng)的分析方面 相平面法 描畫函數(shù)法在非線性系統(tǒng)的綜合方面 基于幾何方法的反響線性化方法 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 計算機控制3.4.3 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機控制3.4 數(shù)字控制及計算機控制系統(tǒng)第3章 自動化的根本原理. 絕大多控制系統(tǒng)的被控量是延續(xù)時間信號 計算機等數(shù)字運算安裝只能處置數(shù)字信號3.4.1 從模擬量到數(shù)字量延續(xù)信號變換為離散信號的采樣過程 .零階堅持器的信號堅持過程. A/

10、D和D/A構(gòu)成了計算機與自動控制系統(tǒng)其它部分聯(lián)絡(luò)的橋梁，一個采用計算機控制的典型自動控制系統(tǒng)可以表示成以下圖。3.4.2 計算機控制. 數(shù)字計算機的任務(wù)需求硬件和軟件兩大支撐條件，一個計算機控制系統(tǒng)也必需包括硬件和軟件兩部分。1. 硬件組成 .(1)計算機主機 由中央處置器(CPU)、存儲器和接口組成的主機是控制系統(tǒng)的中心，它根據(jù)輸入設(shè)備送來的反映設(shè)備或過程任務(wù)形狀的信息，以及既定的控制規(guī)那么(算法)，進展運算處置，并將處置結(jié)果經(jīng)過輸出設(shè)備向設(shè)備或過程發(fā)送控制命令。另外，主機還要接受來自操作臺的操作命令。(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，還有開關(guān)量輸入輸出設(shè)備，

11、擔(dān)任將設(shè)備或過程的開關(guān)、觸點等開關(guān)量信號送入主機，將主機關(guān)于通/斷的控制命令傳至設(shè)備或過程。(3)人機接口設(shè)備 除了通用的CRT顯示器、鍵盤和打印機外，還包括公用的操作顯示面板或操作顯示臺，主要用于操作員發(fā)操作命令、設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)、顯示任務(wù)形狀等。.二、軟件組成 軟件是計算機控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，擔(dān)任指揮計算機控制系統(tǒng)的活動。軟件主要有系統(tǒng)軟件和運用軟件兩部分。 系統(tǒng)軟件 指為用戶運用、管理、維護計算機所提供的計算機程序，普通包括操作系統(tǒng)、算法言語、數(shù)據(jù)庫、診斷程序等。 運用軟件 指為完成詳細對象自動控制義務(wù)而編制的公用軟件，通常包括數(shù)據(jù)采集及處置程序、控制程序、過程監(jiān)視程序、打印制表程序等。

12、.1. 計算機集散控制系統(tǒng)DCS3.4.3 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機控制.2. 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS).現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)的高度分散性系統(tǒng)的開放性運用的經(jīng)濟性.3. 可編程序控制器系統(tǒng)PLC.OMRON公司開發(fā)的PLC網(wǎng)絡(luò).3.5.1 信息獲取傳感器3.5.2 信息傳輸信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)3.5.3 信息處置控制器3.5.4 信息運用執(zhí)行器3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性3.5 自動化根本設(shè)備第3章 自動化的根本原理. 傳感器的義務(wù) 檢測系統(tǒng)內(nèi)部或外部的物理參數(shù)，以獲取相應(yīng)的信息待丈量的物理量 電壓、電流等電量 溫度、流量、物位、成分等非電量3.5.1 信息獲取傳感器.傳感器種類繁多 按

13、被測參量 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 按信號轉(zhuǎn)換機理 電阻式、電容式、電感式、壓電式、霍爾式 按輸出信號方式 模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器.傳感器的要求(1)準(zhǔn)確性 傳感器的輸出信號必需準(zhǔn)確地反映被丈量的變化，它們之間應(yīng)該是嚴(yán)厲的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系。(2)穩(wěn)定性 傳感器輸出與被丈量之間的單值函數(shù)關(guān)系不應(yīng)受時間及任務(wù)環(huán)境的影響，有好的反復(fù)性。(3)靈敏性 傳感器的輸出信號能反映被丈量較小的變化。. 自動控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)相比較，在技術(shù)性能上有如下特點： (1)高實時性要求。網(wǎng)絡(luò)堵塞以及網(wǎng)絡(luò)傳輸引起的大延時在控制系統(tǒng)中都是不允許的。 (2)高

14、可靠性、高平安性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中引起的信息出錯及信息喪失將導(dǎo)致控制系統(tǒng)錯控或失控，也是不允許的。 (3)良好確實定性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒈匦枵Z義明確，解釋單一。3.5.2 信息傳輸信號轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò).控制器外部信息內(nèi)部信息被控制對象的控制信號控制器類型 傳統(tǒng)的模擬控制器 現(xiàn)代的控制器為計算機3.5.3 信息處置控制器.執(zhí)行器信息處置的落足點，實現(xiàn)對信息的運用 執(zhí)行器是信息流對能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換安裝，執(zhí)行器將控制信號變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需求的能量或物質(zhì)。 電機調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行器晶閘管觸發(fā)及整流安裝 蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動調(diào)理閥 水箱液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動閥門3.5.4 信息運用執(zhí)行器. 自動化曾經(jīng)浸透進各行各業(yè) 工業(yè)自動化是社會消費力開展的重要保證 自動化設(shè)備的制造、自動化工程的實施都已構(gòu)成龐大的產(chǎn)業(yè) 必需根據(jù)自動控制義務(wù)的要求，合理地選擇自動化設(shè)備，構(gòu)建有效的自動控制系統(tǒng)“優(yōu)化所構(gòu)建的系統(tǒng)最合理 3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性.系統(tǒng)最合理 首先是由所選取的自動化設(shè)