自動化學科概論-第3章

1、自動化學科概論自動化學科概論第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理自動化學科概論自動化學科概論3.1 自動化、自動控制系統(tǒng)與自動控制理論3.2 被控對象及其數(shù)學模型的建立3.3 自動控制基本原理3.4 數(shù)字控制及計算機控制系統(tǒng)3.5 自動化基本設備3.6 小結 自動化作為一種行為和一種狀態(tài)，它是通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。 “系統(tǒng)”是由相互作用、相互聯(lián)系的若干個組成部分結合而成的具有特定功能的整體。 自動控制系統(tǒng)則是指能夠實現(xiàn)“自動化”任務的設備，它是人造系統(tǒng)，而且是工程技術領域的人造系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對象組成。第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理水箱液位

2、自動控制系統(tǒng)一個典型的自動控制系統(tǒng)由下列基本部分組成：(1)被控對象 控制系統(tǒng)所要控制的設備或過程(2)給定環(huán)節(jié) 產(chǎn)生給定輸入信號的環(huán)節(jié)(3)測量環(huán)節(jié) 隨時將被控制量檢測出來的裝置(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）與測量環(huán)節(jié)得到的被控制量實際值加以比較(5)控制環(huán)節(jié) 它的功能是根據(jù)偏差信號，決策如何去操作被控對象，實現(xiàn)被控量達到所希望的目標(6)執(zhí)行環(huán)節(jié) 按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實施對控制對象的操作 自動控制理論從三個方面對自動控制系統(tǒng)進行研究和闡述： 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體系 (1)經(jīng)典控制理論 (2)現(xiàn)代控制理論 (3)大系

3、統(tǒng)理論和智能控制技術 3.2.1 被控對象的類型3.2.2 建立被控對象數(shù)學模型的基本方法3.2.3 復雜系統(tǒng)建模的困難第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理工程技術領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線性和非線性非線性 （2）按被控對象結構參數(shù)可分為定常定常和時變時變（3）按系統(tǒng)傳輸信號的性質可分為連續(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)和隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng) 建立被控對象數(shù)學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系實驗法-把需建模的對象看成為一個“黑箱” 復雜系

4、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強烈的對象，不能進行線性近似，必須用精確非線性的數(shù)字表達式去描述。 對于變量多的系統(tǒng)，其數(shù)學模型將是高階微分方程或大維數(shù)的狀態(tài)方程。 實際系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常不是固定不變的，系統(tǒng)的模型應為變參數(shù)微分方程。 實際系統(tǒng)的參數(shù)往往是分布的，這時要用偏微分方程描述。3.3.1 自動控制系統(tǒng)的基本性能要求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 基本控制規(guī)則3.3.5 單變量控制與多變量控制3.3.6 非線性系統(tǒng)控制及其困難第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理 一個自動控制系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)過渡到一個新的平

5、衡狀態(tài)，兩個平衡狀態(tài)之間的過渡過程稱為動態(tài)動態(tài)，處于平衡狀態(tài)時稱為靜態(tài)靜態(tài)。 穩(wěn)定性 快速性 準確性 對自動控制系統(tǒng)的研究(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行的。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制是按信號的傳遞路徑來區(qū)分的兩種不同的控制形式。 1. 開環(huán)控制 擾動補償控制，也稱為“前饋控制”2. 閉環(huán)系統(tǒng) 復合控制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、多個反饋閉合環(huán)路 比例控制 比例+積分控制 比例+微分控制 在實際的自動控制系統(tǒng)中，為保持系統(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、積分控制作用，構成比例+積分+微分控制，或稱為P（比例）I（

6、積分）D（微分）控制。控制規(guī)則的確定是控制器設計的核心 單變量控制系統(tǒng)只有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) 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狀態(tài)方程描述。飽和特性典型非線性特性非線性控制系統(tǒng)的分析方面 相平面法 描述函數(shù)法在非線性系統(tǒng)的綜合方面 基于幾何方法的反饋線性化方法 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)絡技術的計算機控制第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理 絕大多控制系統(tǒng)的被控量是連續(xù)時間信號 計算機等數(shù)字運算裝置只能處理數(shù)字

7、信號連續(xù)信號變換為離散信號的采樣過程 A/D和D/A構成了計算機與自動控制系統(tǒng)其它部分聯(lián)系的橋梁，一個采用計算機控制的典型自動控制系統(tǒng)可以表示成下圖。1. 計算機集散控制系統(tǒng)DCS2. 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)的開放性使用的經(jīng)濟性3. 可編程序控制器系統(tǒng)PLCOMRON公司開發(fā)的PLC網(wǎng)絡3.5.1 信息獲取傳感器3.5.2 信息傳輸信號轉換與傳輸網(wǎng)絡3.5.3 信息處理控制器3.5.4 信息應用執(zhí)行器3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性第第3 3章章 自動化的基本原理自動化的基本原理 傳感器的任務 檢測系統(tǒng)內(nèi)部或外部的物理參數(shù)，以獲取相應的信息待測量的

8、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繁多 按被測參量 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 按信號轉換機理 電阻式、電容式、電感式、壓電式、霍爾式 按輸出信號形式 模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器傳感器的要求(1)精確性 傳感器的輸出信號必須精確地反映被測量的變化，它們之間應該是嚴格的單值函數(shù)關系，最好是線性關系。(2)穩(wěn)定性 傳感器輸出與被測量之間的單值函數(shù)關系不應受時間及工作環(huán)境的影響，有好的重復性。(3)靈敏性 傳感器的輸出信號能反映被測量較小的變化。 自動控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡與商業(yè)通信網(wǎng)絡相比較，在技術性能上有如下特點： (1)高實時性要求

9、。網(wǎng)絡堵塞以及網(wǎng)絡傳輸引起的大延時在控制系統(tǒng)中都是不允許的。 (2)高可靠性、高安全性要求。網(wǎng)絡傳輸過程中引起的信息出錯及信息丟失將導致控制系統(tǒng)錯控或失控，也是不允許的。 (3)良好的確定性要求。網(wǎng)絡傳輸?shù)男畔⒈仨氄Z義明確，解釋單一?？刂破魍獠啃畔?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執(zhí)行器信息處理的落足點，實現(xiàn)對信息的應用 執(zhí)行器是信息流對能量流、物質流的轉換裝置，執(zhí)行器將控制信號變換為導致被控量按要求變化所需要的能量或物質。 電機調速系統(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)行器電動調節(jié)閥 水箱液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動閥門 自動化已經(jīng)滲透進各行各業(yè) 工業(yè)自動化是社會生產(chǎn)力發(fā)展的重要保障 自動化設備的制造、自動化工程的實施都已形成龐大的產(chǎn)業(yè) 必須根據(jù)自動控制任務的要求，合理地選擇自動化設備，構建有效的自動控制系統(tǒng)“優(yōu)化”所構建的系統(tǒng)最合理 系統(tǒng)最合理 首先是由所選取的自動化設備有機地組合起來的自動控制系統(tǒng)能完成給定的自動控制任務，達到給定的性能指標要求。 其次要把系統(tǒng)要求的性能指標分解，分配到組成系統(tǒng)的各自動化設備，確定各自動化設備