《自动化概论》PPT课件

自动化专业概论,制作小组成员：张祺、张潜、邹琪,自动化专业概论,1.1引言1.2自动控制简史1.3反馈应用1.4控制工程实践1.5现代控制系统举例1.6自动装配与机器人,1.7控制系统的未来1.8工程设计1.9控制系统设计1.10设计实例：转盘速度控制1.11设计实例：胰岛素注射控制系统,1.1引言,控制工程以反馈理论和线性系统理论为基础综，合应用了网络理论和通信理论有关的概念。控制系统是由相互关联的部件按一定的结构构成的，可提供预期的系统响应。线性系统理论是系统分析的基础。,反馈的概念是控制系统理论分析与设计的基础。常见的开环控制系统例子：面包烤箱常见的闭环控制系统例子：人驾驶汽车,1.1引言,开环控制系统与闭环控制系统：开环控制系统：利用控制器或控制执行机构去获得的预期的响应。（它是没有反馈的）上一页闭环控制系统：它又增加了对实际输出的测量，并将实际输出与预期输出进行比较。（有反馈）返回,1.2自动控制简史,1769年：瓦特发明了蒸汽机和飞球调节器。工业革命随之开始，这是自动化发展的前奏。1800年：EliWhitney的“可互换件生产”得到证实，从此开始了大规模工业化生产。1868年：Maxwell建立了一个蒸汽机调节器的数学模型。,1913年：福特的汽车生产开始引入机械化装配机。1927年：Bode分析反馈放大器。1932年：Nyquist研究出了系统稳定性分析方法。1952年：MIT开始对机床实施轴向控制，开发出数控方法。1954年：GeorgeDevol开发出“程控物体运转器”，被视为最早的机器人。,1.2自动控制简史,1960年：在Devol设计的基础上，Unimate研制出第一台机器人，于1961年用它给压铸机给料。1970年：发展了多变量模型和最优控制。1980年：鲁棒控制系统设计得到了广泛研究。1990年：出口外向型产业公司强调自动化。1994年：汽车上广泛采用反馈控制系统。工业生产中迫切需要可靠性高、鲁棒性强的系统。返回,1.3反馈应用,1.HaroldS.Black:他对放大器进行线性化和稳定化，并改进其设计，使串联起来的放大器可以将话音传送到数千英里之外。返回,2.DavidB.Parkinson发明的火炮射击指挥仪，它用来在标有条形刻度的记录纸上绘制电压记录，于1943年提供了生产样机，该控制器的输入由雷达提供，高炮利用目标飞机的当前位置数据和计算出来的目标预期位置来确定瞄准的方向。,1.4控制工程实践,工业过程如果采用自动控制技术则称为自动化，它在化工、造纸、电力、汽车、钢铁等工业中普遍应用。控制系统可用来：提高生产率；改善装置或系统的性能。自动化则通过自动操作或对生产过程、装置或系统的控制等途径，以提高生产率和产品质量。,自动化最早在汽车工业中得到普及。传送带与自动化机床相结合，形成了合唱的自动化生产线，在汽车生产，使用自动给料机和高速冲压机，可提高板材成型的效率。在设计和生产都相对成熟的其他领域，例如汽车水箱生产中，自动化生产线已经完全取代了人工操作。返回,1.5现代控制系统举例,第一个例子：汽车驾驶控制系统系统图参见书P10，它是将预期的汽车路线与实际测量的行车路线相比较，便能得到行驶偏差，书中对此进行了图示说明。此时的测量是通过视觉和触觉反馈来实现的，另外还有一种反馈是通过手感知方向盘的变化来实现的。此类反馈系统还有：远洋轮、大型飞机的驾驶控制系统。,使用精密的传感器测量的输出值等于实际输出值，预期输出与实际输出的差值等于偏差。利用控制装置对偏差进行处理，用处理的结果驱动执行机构动作，以改变受控对象状态，逐步减少偏差。负反馈控制系统：其输出被从输入中减去，以其差值作为功率放大器等控制装置的输入信号。,基本闭环控制的负反馈系统,输入预+偏差实际输出期输出测量输出反馈此图应用于许多的系统！,控制器,执行机构,对象,传感器,1.5现代控制系统举例,第二个例子：调节容器内液面位置的人工闭环控制系统。（图见于书P11）系统输入（预期输入）按照规定保持的液面参考位置（存在于操作者脑海中），控制放大器是操作手本人，传感器是它的眼睛。操作手比较实际液面与预期液面的差异，通过打开或关闭阀门调节输出流量，达到维持液面高度的目的。,现代应用中，自动化的定义：利用程控指令对指定对象进行操纵，并通过信息反馈确认指令是否被正确执行的一项工程技术。它通常应用于过去的人工操作中，一旦实现了自动化，就可以不用人工干预，并且比人工操作更准确、更快捷。半自动化的系统同时需要人工操作和机器操作，例如汽车的自动装配线，它需要操作人员与机器人的密切配合。,1.5现代控制系统举例,机器人是一种与自动化技术密切相关并由计算机控制的机器。工业机器人是自动化的一个特定分支，是指专门用于替代人工劳动的自动化机器，所以具有某些拟人化的特征。机械手是最常见的拟人化机器人，在一定程度上可以模拟人的手腕和手臂。但是手动和自动机器各有优缺点。（如手动、自动控制液位对比图）,手动、自动控制液位的对比图,1.5现代控制系统举例,第三个例子：现代汽车控制系统应用于悬挂减震控制系统、驾驶操纵控制系统、引擎控制系统等。,检查半导体芯片镀膜层的三层控制系统（详见教材P12图）。它采用了特制电机分别将x、y、z方向将每个轴驱动驱动到预期的位置，并保证每个轴的运动既平稳又准确，他是半导体制造业的一个重要控制系统。,1.5现代控制系统举例,在电力工业中，电力工业关心的问题是能量的贮存、控制和传输，在电力工业上越来越多的采用了计算机控制，以提高能源利用效率。在发电场中，要去妥善处理并协调控制多达90个操作变量的关系以提高发电量。计算机控制系统图参考+偏差u(t)输输入-,计算机,执行机构,过程,测量,1.5现代控制系统举例,其他的应用领域：农业，风力发电，太阳能取暖与制冷，汽车引擎性能。医学实验，病理诊断，康复医学，生物控制系统等众多的应用中。其中大多数生物控制系统是闭环控制系统，但控制系统并不是只有单个的控制器而包含着另外的控制回路，形成一种多层次的系统结构。,此外，社会、政治和经济领域也流行着用反馈的方法惊醒建模分析，它有着乐观的前景。社会系统包含了许多的反馈系统和调节环节，如联邦储备委员会是社会系统中的控制器，对社会系统施加多种力量，来维持预期的社会产出。如国民收入反馈控制系统的概括模型。,私人商业投资,预期的+国民收入国民收入+政府支出-+返回,政府,商品生产,消费者,税收,统计测量,1.8工程设计,工程设计是工程师的工作中心，其中创新与分析占据着重要的地位。设计是为了达到特定的目的，构思或创建系统的结构、组成和技术细节的过程。设计活动可认为是在规划着一个特定产品或特定系统的诞生。,设计的主要步骤：1.明确用户需求；2.论证设计要求；3.开发设计多种满足设计要求的解决方案；4.选定解决方案并加以详细技术设计和技术实现。现实生活中，影响设计工作的一个重要因素是时间限制因素。系统设计的根本目的是要达到合适的技术指标，在设计重要考虑的方面：设计复杂性、折衷处理、设计差异和设计风险。,1.设计的复杂性：主要源于设计的多样性，在设计过程中，要考虑很多的因素，我们不仅要确定这些因素的相对重要性，以便在设计中统筹取舍，又以数值或书面形式确定它们的内涵。2.折衷处理：在两个所期望的但又彼此冲突的性能指标或设计准则之间，为达成某种协调做出的决策。3.设计差异：在技术产品的设计生产中，最终产品会不能与原先设计和想象的完全一致，最终导致产品不符合设计规范，这种差异是内在的、本质的东西。4.设计风险：对产品技术性不可能有绝对自信的预测和把握，设计活动是一项必须承担风险的活动。,1.8工程设计,最有效的工程设计主要采用参数分析和优化的方法。参数分析基于：确定关键参数、确定系统结构、评估所选系统结构满足设计需求的程度。返回,1.9控制系统设计,控制设计的步骤：1.确立系统目标；2.确定要控制的系统变量；3.拟定设计规范，明确系统变量应达到的精度指标。系统通常的结构配图，通常有传感器、受控对象、执行机构和控制器。,控制系统设计问题的基本流程：确定设计目标；建立控制系统（包括传感器和执行机构）；设计合适的控制器或断言不存在满足要求的控制系统。返回,返回若性能不能满足要求，则重新确定系统结构和选择执行结构。若性能满足规范要求，则设计工作结束,确立控制目标,确定控制变量,给定各变量的控制要求,确定系统结构，选择执行程序,建立对象、执行机构和传感器模型,建立控制器模型，选定关键待调参数,优化系统参数，分析系统性能,1.10设计实例：转盘速度控制,为驱动盘片旋转，直流电机选为执行机构，可提供与电压成正比的转速，选取直流放大器来提供电机的输入电压，放大器则应具有足够的功率。,开环控制系统：它利用了电池提供与预期速度成正比的电压，电压经放大之后作用于驱动电机。其中的框图模型标明了开环控制系统的控制装置、执行机构和受控对象。,电池转速转台速度设置直流电机转台速度控制的开环系统（无反馈）返回预期速度（电压）实际速度框图模型,最初的控制系统图,直流放大器,控制装置,放大器,直流电机,执行机构,转台,受控对象,1.10设计实例：转盘速度控制,要得到一个具有一般形式的反馈系统，需要选择一个传感器。转速计是其中的一种传感器，它能提供与转轴速度成正比的电压信号，以转速计为传感器，就可得到图所示的闭环反馈系统，其框图如图所示。偏差电压信号是由输入电压与转速计输出电压比较相减后得到的。,反馈系统能对偏差信号做出响应，并在运行中不断减小偏差。,优化后的系统图,电池速度+直流电机-转速计转台速度控制的闭环系统返回预期速