自动化学科概论-第3章

1、自动化学科概论自动化学科概论第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理自动化学科概论自动化学科概论3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论3.2 被控对象及其数学模型的建立3.3 自动控制基本原理3.4 数字控制及计算机控制系统3.5 自动化基本设备3.6 小结 自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。 “系统”是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。 自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理水箱液位

2、自动控制系统一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程(2)给定环节 产生给定输入信号的环节(3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置(4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较(5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标(6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作 自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述： 系统的模型 系统的分析 控制系统的综合不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系

3、统理论和智能控制技术 3.2.1 被控对象的类型3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法3.2.3 复杂系统建模的困难第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理工程技术领域的被控对象不同的分类法（1）按被控对象的特性可分为线性线性和非线性非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常定常和时变时变（3）按系统传输信号的性质可分为连续系统连续系统和离散系统离散系统（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统恒值控制系统和随动控制系统随动控制系统 建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。解析法-建立起输入与输出之间的因果关系实验法-把需建模的对象看成为一个“黑箱” 复杂系

4、统的建模，会存在更多的困难： 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达式去描述。 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微分方程或大维数的状态方程。 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。3.3.1 自动控制系统的基本性能要求3.3.2 开环控制与闭环控制3.3.3 单回路控制与多回路控制3.3.4 基本控制规则3.3.5 单变量控制与多变量控制3.3.6 非线性系统控制及其困难第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平

5、衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态动态，处于平衡状态时称为静态静态。 稳定性 快速性 准确性 对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行的。 开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。 1. 开环控制 扰动补偿控制，也称为“前馈控制”2. 闭环系统 复合控制单回路控制具有一个闭合环路的控制多回路控制具有多个控制器、多个反馈闭合环路 比例控制 比例+积分控制 比例+微分控制 在实际的自动控制系统中，为保持系统具有良好的动态特性和静态特性，往往使控制器同时具有比例、微分、积分控制作用，构成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I（

6、积分）D（微分）控制。控制规则的确定是控制器设计的核心 单变量控制系统只有一个输入量和一个输出量的控制系统多变量控制系统有多于一个输入量或多于一个输出量的控制系统 非线性系统是指含有非线性元件的系统，需用非线性微分方程或状态方程描述。饱和特性典型非线性特性非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法各种智能控制方法3.4.1 从模拟量到数字量3.4.2 计算机控制3.4.3 基于网络技术的计算机控制第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 绝大多控制系统的被控量是连续时间信号 计算机等数字运算装置只能处理数字

7、信号连续信号变换为离散信号的采样过程 A/D和D/A构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁，一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图。1. 计算机集散控制系统DCS2. 现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统具有系统的高度分散性系统的开放性使用的经济性3. 可编程序控制器系统PLCOMRON公司开发的PLC网络3.5.1 信息获取传感器3.5.2 信息传输信号转换与传输网络3.5.3 信息处理控制器3.5.4 信息应用执行器3.5.5 系统集成、优化的重要性第第3 3章章 自动化的基本原理自动化的基本原理 传感器的任务 检测系统内部或外部的物理参数，以获取相应的信息待测量的

8、物理量 电压、电流等电量 温度、流量、物位、成分等非电量传感器种类繁多 按被测参量 温度传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器、荷重传感器等 按信号转换机理 电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式 按输出信号形式 模拟式传感器、数字式传感器传感器的要求(1)精确性 传感器的输出信号必须精确地反映被测量的变化，它们之间应该是严格的单值函数关系，最好是线性关系。(2)稳定性 传感器输出与被测量之间的单值函数关系不应受时间及工作环境的影响，有好的重复性。(3)灵敏性 传感器的输出信号能反映被测量较小的变化。 自动控制系统的通信网络与商业通信网络相比较，在技术性能上有如下特点： (1)高实时性要求

9、。网络堵塞以及网络传输引起的大延时在控制系统中都是不允许的。 (2)高可靠性、高安全性要求。网络传输过程中引起的信息出错及信息丢失将导致控制系统错控或失控，也是不允许的。 (3)良好的确定性要求。网络传输的信息必须语义明确，解释单一。控制器外部信息内部信息被控制对象的控制信号控制器类型 传统的模拟控制器 现代的控制器为计算机执行器信息处理的落足点，实现对信息的应用 执行器是信息流对能量流、物质流的转换装置，执行器将控制信号变换为导致被控量按要求变化所需要的能量或物质。 电机调速系统的执行器晶闸管触发及整流装置 蒸汽加热温度控制系统的执行器电动调节阀 水箱液位控制系统的执行器电动阀门 自动化已经渗透进各行各业 工业自动化是社会生产力发展的重要保障 自动化设备的制造、自动化工程的实施都已形成庞大的产业 必须根据自动控制任务的要求，合理地选择自动化设备，构建有效的自动控制系统“优化”所构建的系统最合理 系统最合理 首先是由所选取的自动化设备有机地组合起来的自动控制系统能完成给定的自动控制任务，达到给定的性能指标要求。 其次要把系统要求的性能指标分解，分配到组成系统的各自动化设备，确定各自动化设备