1、自動(dòng)化學(xué)科概論第3章 自動(dòng)化的根本原理 .自動(dòng)化學(xué)科概論第3章 自動(dòng)化的根本原理3.1 自動(dòng)化、自動(dòng)控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制實(shí)際3.2 被控對(duì)象及其數(shù)學(xué)模型的建立3.3 自動(dòng)控制根本原理3.4 數(shù)字控制及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)3.5 自動(dòng)化根本設(shè)備3.6 小結(jié). 自動(dòng)化作為一種行為和一種形狀，它是經(jīng)過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。 “系統(tǒng)是由相互作用、相互聯(lián)絡(luò)的假設(shè)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)那么是指可以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對(duì)象組成。3.1自動(dòng)化、自動(dòng)控制系統(tǒng)與自動(dòng)控制實(shí)際第3章 自動(dòng)化的根本原理.簡單的水箱液

2、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)由以下根本部分組成：(1)被控對(duì)象 控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過程(2)給定環(huán)節(jié) 產(chǎn)生給定輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)(3)丈量環(huán)節(jié) 隨時(shí)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(hào)被控制量的希望值與丈量環(huán)節(jié)得到的被控制量實(shí)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(hào)，決策如何去操作被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)被控量到達(dá)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(xì)實(shí)施對(duì)控制對(duì)象的操作. 自動(dòng)控制實(shí)際從三個(gè)方面對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際和技術(shù)體系 (1)經(jīng)典控制實(shí)際 (2)現(xiàn)代控

3、制實(shí)際 (3)大系統(tǒng)實(shí)際和智能控制技術(shù) .3.2.1 被控對(duì)象的類型3.2.2 建立被控對(duì)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(duì)象及其數(shù)學(xué)模型的建立第3章 自動(dòng)化的根本原理.工程技術(shù)領(lǐng)域的被控對(duì)象不同的分類法1按被控對(duì)象的特性可分為線性和非線性 2按被控對(duì)象構(gòu)造參數(shù)可分為定常和時(shí)變3按系統(tǒng)傳輸信號(hào)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(hào)的變化規(guī)律還可分為恒值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)3.2.1 被控對(duì)象的類型.3.2.2 建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的根本方法 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)

4、象看成為一個(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性特性劇烈的對(duì)象，不能進(jìn)展線性近似，必需用準(zhǔn)確非線性的數(shù)字表達(dá)式去描畫。 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)的形狀方程。 實(shí)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(shí)踐系統(tǒng)的參數(shù)往往是分布的，這時(shí)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(dòng)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(dòng)控制根本原理第3章 自動(dòng)

5、化的根本原理. 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)從原來的平衡形狀過渡到一個(gè)新的平衡形狀，兩個(gè)平衡形狀之間的過渡過程稱為動(dòng)態(tài)，處于平衡形狀時(shí)稱為靜態(tài)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程常見方式：3.3.1 自動(dòng)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(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)過渡過程的好壞。 快速性 準(zhǔn)確性 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研討(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)展的。. 開環(huán)控制和閉環(huán)控制是按信號(hào)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(dòng)補(bǔ)償控制，也

6、稱為“前饋控制.2. 閉環(huán)系統(tǒng) 自動(dòng)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(hào)進(jìn)展比較得出偏向信號(hào)，然后根據(jù)偏向?qū)Ρ豢貙?duì)象實(shí)施有效控制，到達(dá)消除或減少偏向的目的。 按負(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)，反響控制是自動(dòng)控制最根本的方式，自動(dòng)控制實(shí)際主要就是圍繞反響控制來研討自動(dòng)控制系統(tǒng)的。.液位自動(dòng)控制系統(tǒng) . 即為液位偏向信號(hào)，假設(shè)H(s)=1,那么系統(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(bǔ)償控制(前饋控制)能及時(shí)地抵消可測擾動(dòng)量對(duì)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(yùn)用的控制方式。.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(gè)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(gè)控制器、多個(gè)反響閉合環(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)踐的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為堅(jiān)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(shí)定是控制器設(shè)計(jì)的中心 .單變量控制系統(tǒng)只需一個(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)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(duì)處理多變量控制系統(tǒng)控制問題最具價(jià)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(diǎn)： 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(duì)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(yùn)動(dòng)完全是能夠的，通常把這種運(yùn)動(dòng)稱為自激振蕩，并在信號(hào)發(fā)生器等場所得以有效運(yùn)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(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3.4 數(shù)字控制及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第3章 自動(dòng)化的根本原理. 絕大多控制系統(tǒng)的被控量是延續(xù)時(shí)間信號(hào) 計(jì)算機(jī)等數(shù)字運(yùn)算安裝只能處置數(shù)字信號(hào)3.4.1 從模擬量到數(shù)字量延續(xù)信號(hào)變換為離散信號(hào)的采樣過程 .零階堅(jiān)持器的信號(hào)堅(jiān)持過程. A/

10、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)絡(luò)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)可以表示成以下圖。3.4.2 計(jì)算機(jī)控制. 數(shù)字計(jì)算機(jī)的任務(wù)需求硬件和軟件兩大支撐條件，一個(gè)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)主機(jī) 由中央處置器(CPU)、存儲(chǔ)器和接口組成的主機(jī)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(jìn)展運(yùn)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(jī)還要接受來自操作臺(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(diǎn)等開關(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)備或過程。(3)人機(jī)接口設(shè)備 除了通用的CRT顯示器、鍵盤和打印機(jī)外，還包括公用的操作顯示面板或操作顯示臺(tái)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，擔(dān)任指揮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的活動(dòng)。軟件主要有系統(tǒng)軟件和運(yùn)用軟件兩部分。 系統(tǒng)軟件 指為用戶運(yùn)用、管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)所提供的計(jì)算機(jī)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(yùn)用軟件 指為完成詳細(xì)對(duì)象自動(dòng)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(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS3.4.3 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計(jì)算機(jī)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(yùn)用的經(jīng)濟(jì)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(hào)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(yùn)用執(zhí)行器3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性3.5 自動(dòng)化根本設(shè)備第3章 自動(dòng)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(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)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(hào)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(shí)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(hào)能反映被丈量較小的變化。. 自動(dòng)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(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

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(cuò)及信息喪失將導(dǎo)致控制系統(tǒng)錯(cuò)控或失控，也是不允許的。 (3)良好確實(shí)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(hào)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(duì)象的控制信號(hào)控制器類型 傳統(tǒng)的模擬控制器 現(xiàn)代的控制器為計(jì)算機(jī)3.5.3 信息處置控制器.執(zhí)行器信息處置的落足點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的運(yùn)用 執(zhí)行器是信息流對(duì)能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換安裝，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求的能量或物質(zhì)。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行器晶閘管觸發(fā)及整流安裝 蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)理閥 水箱液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動(dòng)閥門3.5.4 信息運(yùn)用執(zhí)行器. 自動(dòng)化曾經(jīng)浸透進(jìn)各行各業(yè) 工業(yè)自動(dòng)化是社會(huì)消費(fèi)力開展的重要保證 自動(dòng)化設(shè)備的制造、自動(dòng)化工程的實(shí)施都已構(gòu)成龐大的產(chǎn)業(yè) 必需根據(jù)自動(dòng)控制義務(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 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(dòng)化設(shè)