专业介绍-自动控制及测控方向.ppt

自动化专业 电气工程及其自动专业,专业介绍,电子信息工程学院自动化系 谭健敏 2011年11月,自动控制系统(测控)方向,2,一、自动控制系统的类型和组成,炉温 自动控制系统,可以看到，系统的作用是闭合的,有反馈回路，即形成闭环系统。,(一) 控制系统的分类,专业概论,自动化系 谭健敏,3,反馈的性质使炉温回复到给定的恒值；而不是炉温Uf大于Ur时，反馈使得炉温更大，或者Uf小于Ur时反馈使炉温更小。这说明自动调节（控制）系统，一定要有“负反馈”,恒（定）值控制系统的主要功能是克服各种扰动，保持被控变量为恒定值。,1 恒值自动调节系统,专业概论,自动化系 谭健敏,4,专业概论,自动化系 谭健敏,5,当自动控制系统的给定信号 (相当于上节中的Ur ) 是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统（Program Control System）。,程序控制系统一个可以是开环的，消除误差用闭环控制系统。,程序控制系统的功能是按照预定的程序来控制被控变量。,2 程序自动控制系统,专业概论,自动化系 谭健敏,3 随动系统（伺服系统）,6,在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统（Servo-mechanism）。,国防上的炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。,专业概论,自动化系 谭健敏,（二） 自动控制系统的组成,7,（1）给定环节: 产生给定的输入信号；,（2）反馈环节: 对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号；,（3）比较环节: 将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生“误差”信号；,（4）控制器（调节器）: 根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心部分；,专业概论,自动化系 谭健敏,（二） 自动控制系统的组成,8,（5） 执行环节（包括信号放大和执行机构）:将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化；,（6） 被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量；,（7） 扰动: 除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系统内、外的物理量。,专业概论,自动化系 谭健敏,控制系统中的常用名词,9,系统输入量 xi ： 又称给定值，期望值；是对系统输出量的预订要求。,控制输入信号 r ： 又称给定信号；是与反馈信号具有同一能量形式的信号。,系统输出量 xo ： 又称被控量；是对被控系统中加以控制的运动参数或状态物理量。,反馈信号 xb ： 利用测量和变送装置将系统的输出量检测出来，送到系统的比较单元去，与输入信号进行比较。,误差信号 e ： 控制输入信号与反馈信号之差。,扰动量 ni ： 指对系统输出有影响的量，使被控量偏离给定的方向变化。,专业概论,自动化系 谭健敏,（三） 自动化仪表,10,传感器 实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶；,变送器 与传感器配套，使输出成为标准信号。例如对DDZ 电动单元组合仪表，标准信号为4 20mA；,控制器（调节器） 采用模拟信号的调节器使用较多，它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 控制器起给定环节、比较环节和控制器三者的作用；,放大器 用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体管放大器，也可以由电信号放大到气动信号（如电-气转换器）；,执行机构 接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用，如电动机M。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、液压伺服马达、电动调节阀等。,专业概论,自动化系 谭健敏,(四) 控制器控制和计算机控制,11,以上系统的各个信号：输入信号、误差、控制器输出和输出量等都是模拟信号，即随时间连续变动的信号。,在一些现代的控制系统中常用微型计算机来代替控制器，这对于实现复杂的控制性能很有必要，如最优控制、自适应控制等等。这时计算机控制系统（Computer Control System）的框图如图所示。其特点是系统中一处或几处的信号具有数字代码，此外还有离散信号（采样信号）的出现如图。,计算机控制系统的另一个特点是以计算机程序来实现PID控制规律或更复杂的控制规律。,专业概论,自动化系 谭健敏,12,计算机控制系统框图,模拟信号采样示意图,专业概论,自动化系 谭健敏,(五)自动控制和远距离控制,13,在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往是较短的,专业概论,自动化系 谭健敏,远距离测量（遥测）系统,14,遥测系统框图,在一个自动化系统中，若是设备之间有较长的距离，例如数十、或数百、数千公里就不能用通常的电气或机械的联系来传递测量信号、反馈信号和控制信号。这时，需要在分离的设备之间设立专门的（通）信道。（通）信道是传输信息的媒质或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。,专业概论,自动化系 谭健敏,远距离控制(遥控)系统框图,15,发送端把所需传送的控制命令、测量数据、反馈信号等经过调制、编码等变换处理之后，再经过（通）信道传递。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信号经过解调、译码等反变换处理，恢复为原来的形式。,专业概论,自动化系 谭健敏,(六)集散控制系统和现场总线控制系统,16,集散控制系统是以计算机为核心的一种计算机控制系统；在自动化仪表控制的基础之上发展的。由控制站（下位机）、操作站（上位机）、过程通信网络三部分构成。 特点是控制功能分散、风险分散、监控和管理功能高度集中。 现场总线控制系统是基于现场总线的一种计算机控制系统；由现场智能仪表、现场总线、主控制系统三部分构成。,专业概论,自动化系 谭健敏,网络控制系统,17,专业概论,自动化系 谭健敏,网络控制系统,18,专业概论,自动化系 谭健敏,19,机械制造自动化 过程工业自动化 电力系统自动化 飞行器控制 智能建筑,控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。,二、控制与自动化技术的应用,智能交通系统 生物控制 生态与环境控制 社会经济控制 大系统控制与系统工程,(一) 机械制造自动化,20,机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从20世纪50年代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段，正向计算机集成制造(CIM)发展。,1 数控技术和数控系统,在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。,21,计算机数控系统结构图,一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产技术数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。简单地说，数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术。,数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。,2 柔性制造系统(FMS),22,柔性制造系统（简称FMS）是在计算机直接数控(DNC)基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制造系统一般包括以下要素：(1) 标准的数控机床或制造单元。（制造单元是指具有自动上下料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床）；(2) 在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；(3) 发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；(4) 中央刀具库及其管理系统；(5) 自动化仓库及其管理系统。,23,由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。,自动输送车,中央管理和 控制计算机,物流控制装置,工具站,工厂主计算机,信息传输网,CNC机床,机器人,附属工作站,CNC机床,机器人,附属工作站,制造单元,柔性制造系统,自动仓库,3 计算机集成制造系统(CIMS),24,计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的完整的生产系统。,(二)过程工业自动化,25,在连续型工业中，主要对系统的温度，压力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业，称之为过程工业 。,过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。,1 过程工业自动化的研究内容及特点,工业生产过程的自动控制称为过程控制，它是过程工业自动化的核心内容。过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。,26,早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。,但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统 (Distributed Computer Control System，简称DCS)。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。,基于过程控制的自动化仪表定义了信号的电气标准: 电流信号：420mA; 电压信号：+ 10V， 10V, 5V,2 基于计算机技术的过程控制系统,27,分布式计算机控制系统,直接数字控制系统,3 计算机集成生产系统的结构模型,28,生产过程计算机集成控制系统是一种综合自动化系统。目的是要使企业用最短的周期、最低的成本、最优的质量，生产出适销对路的产品，以获取最大的经济效益，增强国内外市场的竞争能力。,其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成，并求得全局优化,(三)电力系统自动化,29,对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控。 由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。相应的自动化程度要求提高。,(四) 飞行器控制,30,飞行器控制的内容非常 ： 导弹控制系统的功用 导航系统 制导系统 姿态控制系统 飞行控制电子综合系统 测试与发射控制系统,现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。,1 导弹控制系统的功用,31,导弹控制系统的主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。控制系统的作用就是消除或减小干扰和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,2 导航系统,32,飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。,所谓导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为导航系统。,3 制导系统,33,追踪法示意图,比例导引法示意图,制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。,三点法示意图,(五) 智能建筑,34,1. 智能建筑的概念及构成 智能建筑，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。,智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视 (或卫星电视 )、计算机通信、购物、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化，简称BA系统、通信自动化，简称CA系统和办公自动化，简称OA系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,35,3A智能建筑的构成,智能建筑包含三大基本要素：即楼宇自动化简称BA系统、通信自动化简称CA系统、和办公自动化简称OA系统； 三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,2. 楼宇自动化系统,36,对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视、或节能控制、非正常运行状态报警。并通过与办公自动化及通信自动化系统的综合设计，支持面向用户的服务功能，提高大楼的舒适性、安全性、节能性，降低费用，实现高度的集成化管理。,传统的楼宇自动化系统采用的是集中监视、集中控制的方式。,集中式楼宇自动化系统的结构,37,由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。,系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。,分布式楼宇自动化系统,3. 通信自动化系统,38,通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图像的基本通信网络；实现楼层间(内)各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的楼群或楼内高速主干网以及与公共信息资源(如Internet)相通的远程数据通信网。,智能建筑的通信网络结构,4. 办公自动化系统,39,办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。,5. 综合布线系统,建筑与建筑群综合布线系统主要是针对计算机和通信设备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信号的不同要求。,智能大楼布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，它能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统 。,楼宇自动化系统的构成,40,(六) 智能交通系统,41,智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市道路、桥梁等设施的庞大的运输网络，也可应用于数量日益增多的各种车辆。,(1) 提高公路交通的安全性 (2) 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响 (3) 提高公路网络的通行能力 (4) 提高汽车运输生产率和经济效益,1. 智能交通系统的概念,2. 智能交通系统的主要内容,42,1. 出行与运输管理系统 2. 出行需求管理系统 3. 公共交通运营系统 4. 商用车辆运营系统 5. 电子收费系统 6. 应急管理系统 7. 先进的车辆控制和安全系统,（七） 生物控制,43,1. 生物控制的研究内容及特点,具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行为控制、仿生学等等。,2. 人工神经网络,人工神经网络控制系统,3. 仿生技术,44,仿生技术研究的内容有五个方面：,(1) 信息仿生：包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动物间通信仿生，以及智能仿生等方面。,(2) 控制仿生：包括体内稳态调控、肢体运动控制、动物的定向导航、生态系统的涨落等。,(3) 力学仿生：是关于动物飞行、运动动力学的研究。,(4) 化学仿生： 研究生物体内一些特殊的化学过程，以便使这些过程也能在工业中实现。,(5) 医学仿生： 研究用人工仿制品代替人的有机体的某一部分。,4. 生物控制与医学 就是用人造装置对有生命物质进行模拟。仿生就是用人造装置对有生命物质进行模拟。,45,随着ICT技术突飞猛进的发展，工业自控系统和仪表仪器技术进步很快，呈微型化、数字化、智能化、网络化、集成化等特点。 一般认为，工业自动化有两个主要领域：以过程（流体运动）控制技术支撑的流程自动化（PA）和以运动控制技术支撑的工厂自动化（FA或离散型生产自动化）。 前者从传统的模拟式回路仪表起步，综合ICT控制技术，发展为分布式（或集散式）控制系统DCS。其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点，成为计算机工业控制系统的主流，广泛应用于大型、设备众多、工况复杂的流程型装备的自动控制，如大型化工厂、火电厂等。,四、工厂自动化与信息化,1.工厂自动化整体解决方案,46,可编程控制器（PLC）：以继电器技术为基础，综合ICT技术，以程序化方式实现设备的电气控制。PLC结构紧凑、响应快、现场环境适应性与可靠性好、抗干扰能力强、价格较低，是与DCS并驾齐驱的另一主流控制系统。 工业自动控制技术路线呈互相渗透、互相融合的趋势。PLC应用范围向中小型过程控制系统、近程维护服务系统、节能监控等领域扩展，在某些应用上取代了DCS。D