《自动化设备与技术应用实践教程》教学课件01系统

第一章系统自动化设备及生产线的应用与维护目录1.1自动化控制系统的组成1.2自动控制系统的分类1.3自动控制系统的基本性能要求1.4自动控制系统的发展1.5电气控制系统21.1自动化控制系统的组成1.1.1绪论自动化控制系统是由执行机构、传感器检测机构、电气液控制机构、机械本体机构、动力源机构等五部分构成。系统，就是一个相互关联的分离件（元素）的组合体（集合）。自动化指的就是自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，能够使机器生产设备按照事先设定的工艺生产过程自动的进行工作。这个事先设定的工艺生产过程具有特定的顺序、工作状态或参数、自动检测、自动调节、自动驱动和遵循规律循环运行。31.1自动化控制系统的组成生产线也可以叫流水线，是指产品及零部件的各主要生产机械按其生产工艺顺序进行排列并由输送机械连接成一条具有加工、运送、装配、检验等一系列生产活动所构成的产品或零部件的加工性路线。生产线可按自动化程度进行划分，包括全自动生产线和手工生产线。自动生产线按控制方式和加工模式可分为刚性自动生产线和柔性自动生产线。41.1自动化控制系统的组成自动化系统按它的体积大小可分成大型系统和小型系统；按照它的结构复杂性可分成复杂系统和简单系统，按照它的功能多少分成多功能系统和简单操作系统。一般自动化系统按电气控制方式不同分为继电器控制系统；单片机控制系统；PLC控制系统；计算机控制系统等。51.1自动化控制系统的组成1.1.2功能作用1．执行机构部分执行机构部分的作用是按照控制器发出的各种指令、实现特定的能量转换形式、完成预期的能量加载的动作过程。电机传动系统包括伺服电机系统、步进电机系统、交直流调速电机系统；气缸或液压缸、气动或液压摆动马达、旋转马达等。主要指具有功率消耗的作功元件组成的系统。61.1自动化控制系统的组成2．检测及传感器部分检测及传感器部分的作用是获取系统运行过程中各执行元件的有关参数变化的信息。其功能是通过装在自动化系统上的各种检测元件及传感器来获取需要的各种信号，并把检测到的信号经过放大、变换，然后传送到控制部分进行分析和处理。3．电气液控制部分电气液控制部分的作用是处理系统运行过程中得到的各种信息数据并做出相应的比较判断、选择决策和指令输出。71.1自动化控制系统的组成4．动力源部分动力源部分的作用是向系统如自动化设备及生产线等供应和输送特定形式的能源动力，以驱动系统正常运转。常用的动力源有电源、液压源、气压源等。5．机械本体部分在自动化系统中机械本体是完成给定工作的主体，具有整体结构支撑、机构及部件之间的连接固定、实现能量的中间传递、改变能量的传递方向并具有特定的运动形式状态等功能，是机、电、气、液一体化技术的载体。81.2自动控制系统的分类1.2.1按形成闭合回路分类自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。一个控制系统，如果在其控制器的输入信号中不包含受控对象输出端的被控量的反馈信号，则为开环控制系统。91.2自动控制系统的分类1）按给定值操作的开环控制系统检测及传感器部分102）按干扰补偿的前馈控制系统1.2自动控制系统的分类2.闭环控制系统一个控制系统，如果在其控制器的输入信号中包含来自输出端受控对象的被控量的反馈信号，则为闭环控制系统，或为反馈控制系统。111.2自动控制系统的分类闭环控制系统特点（1）在开环系统中，只有输入量对输出量产生控制作用；从控制结构上来看，只有从输入端到输出端的正向传递的信号通道。闭环控制系统中除正向通道外，还必须从输出端到输入端的反馈通道的信号传递过程，使输出信号也参与控制调节作用。因此可以说闭环控制系统就是由正向通道和反馈通道组成的自动控制系统。（2）为了检测偏差，必须直接或间接地检测出输出量的有关参数値，并将其变换为与输入给定信号相同的物理量，以便与给定量比较，得出偏差信号。所以闭环系统必须有传感器检测环节，给定信号环节和反馈比较信号环节。121.2自动控制系统的分类闭环控制系统特点（3）闭环控制系统是利用偏差量作为控制信号来纠正偏差的，因此系统中必须有纠正偏差这一任务的执行过程。闭环系统是将偏差信号进行放大来推动执行机构，进一步对控制对象进行控制调节。只要输出量与给定量之间存在偏差，就有连续控制的调节作用存在，从而实现纠正这一偏差的过程。由于反馈控制系统是利用偏差信号作为控制信号，能自动纠正输出量与期望值之间的误差，因此可以构成精确的控制系统。131.2自动控制系统的分类一个完整的控制系统应由以下条件元素或单元构成：①被控量。②给定元件或单元。③检测元件或单元。④比较元件或单元。⑤放大元件或单元。⑥执行元件或单元。⑦校正元件。141.2自动控制系统的分类3.控制系统简例（1）水位控制系统151.2自动控制系统的分类3.控制系统简例（2）燃油加热炉温度控制系统161.2自动控制系统的分类1.2.2按输入与反馈信号的数量与来源分类1．反馈控制系统反馈控制系统是根据被控量和给定值的偏差进行调节的，最后使系统消除偏差，达到被控量等于给定值的目的。2．前馈一反馈复合控制系统在反馈控制系统的基础上增加了对主要扰动d（t）的前馈补偿作用。171.2自动控制系统的分类1.2.3按给定信号的变化特点分类1．恒值控制系统自动控制系统的任务就是使输出的被控量符合要求的给定参数值并保持恒定不变，即被控量在控制过程调整结束时必须等于要求的给定值。这也是生产过程中常用的一种控制系统，例如电机电压控制，电机转速控制，电力网的频率（周波）控制，各种恒温、恒压、恒液位等控制都是属于恒值控制系统。在这个系统中作为参考输入的给定值控制信号与输出的被控制量的要求值都是一个水平的直线图形，但两个参数的性质可能不同。181.2自动控制系统的分类1.2.3按给定信号的变化特点分类2．随动控制系统随动控制系统又简称随动系统，其作为参考输入的给定値控制信号随时间的变化规律是事先不能确定的控制系统，随动控制系统的任务是在各种情况的条件下，要求被控量能够快速、准确地跟踪给定值控制信号的变化。191.2自动控制系统的分类1.2.3按给定信号的变化特点分类3．程序控制系统在程序控制系统中，给定值控制信号是按事先预定的轨迹规律变化，既不是直线图形，也不是无周期性的曲线图形，而是一个已知的具有规律性的时间函数图形，控制的目的是要求被控量按确定的给定值控制信号的时间函数来改变。201.2自动控制系统的分类1.2.4按控制通道的线性特点分类1．线性控制系统当控制系统的各元件或单元的输入/输出的函数关系是线性特性，控制系统的动态过程具有线性比例关系，输入控制信号和输出被控量値的关系图形都是直线而不是曲线。211.2自动控制系统的分类1.2.4按控制通道的线性特点分类2．非线性控制系统当控制系统中有一个或一个以上的非线性元件时，系统的输入输出特性就不能用线性的比例关系来描述，输入控制信号和输出被控量之间的关系也不能用简单的叠加原理表示出来，这种控制系统称为非线性控制系统。221.2自动控制系统的分类1.2.5按控制系统信号的连续性分类1．连续控制系统当控制系统的输入给定信号和输出被控量（包括中间环节的输出量）的反馈信号以及传递信号过程都是时间的连续函数，这种系统称之为连续控制系统。2．离散控制系统控制系统在某处或几处过程传递的信号是脉冲系列或数字形式的，在时间上是分离不连续的，称为离散控制系统。231.2自动控制系统的分类1.2.6其他的分类方法按控制系统的输入和输出信号的数量来分，有单输入／单输出系统和多输入／多输出系统；按控制器采用常规的模拟量控制器还是采用计算机控制，则可分为常规控制系统和计算机控制系统；按照新型控制系统的理论分支结构形式划分，则可分为最优控制系统、自适应控制系统、预测控制系统、模糊控制系统、神经元网络控制系统等等。241.3自动控制系统的基本性能要求1.3.1控制系统的动态过程（动态特性）一般的自动控制系统被控量变化的动态特性有以下几种：1．单调过程输出的被控量y（t）向目标值方向无波动的接近，缓慢地到达新的平衡状态（新的稳态值），其系统控制过程的偏差量是一个单方向的调整变化量（即没有“正”“负”的变化），一般这种控制形式具有较长的动态过程时间（即到达新的平衡状态所需的时间）。251.3自动控制系统的基本性能要求2．衰减振荡过程输出的被控量y（t）其动态调整过程是一个振荡过程，但是振荡的变化幅度不断在衰减，在调整的过渡过程结束时，被控量会达到新的稳态值。3．等幅振荡过程输出的被控量y（t）的动态调整过程是一个持续等幅振荡过程，被控量値在要求的目标值附近做有规律的上下波动变化，始终不能达到新的稳态值。这种过程如果振荡的幅度较大，生产过程是不允许的，并被认为是一种不稳定的系统，如果振荡的幅度较小，生产过程可以允许，也可以认为是一种稳定的控制系统形式。261.3自动控制系统的基本性能要求4．渐扩振荡过程输出的被控量y（t）的动态调整过程不但是一个振荡的过程，而且振荡的幅度越来越大，以致会大大超过被控量参数值允许的误差范围，这是一种典型的不稳定控制过程，一般在设计自动控制系统时要绝对避免产生这种情况。271.3自动控制系统的基本性能要求1.3.2自动控制系统的性能要求对于一个自动控制系统的性能要求可以概括为三个方面：稳定性、快速性和准确性。1．稳定性（稳）一个自动控制系统的最基本的要求就是系统的控制调整过程必须是稳定的，不稳定的控制系统是不能工作的。如何判断系统是否稳定，最主要的就是检测和衡量控制系统的输出被控量的参数变化情况，其最大误差值（超调量的绝对值）能否达到系统目标参数值的最低要求。281.3自动控制系统的基本性能要求1.3.2自动控制系统的性能要求2．快速性（快）在系统稳定控制的前提下，希望控制过程（调整的过渡过程）进行得越快越好，但是会与系统的稳定性有矛盾，通常一个系统如果要求的过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾稳定性和快速性的这两方面要求。3．准确性（准）对于一个系统，通常希望动态误差（偏差值）和稳态误差（偏差值）都越小越好。当这两个值的准确性与快速性有矛盾时，应兼顾两方面的要求。291.4自动控制系统的发展1．基地式气动仪表控制PCS(PneumaticControlSystem)2．模拟仪表控制系统ASC(AnalogousControlSystem)3．集中式数字控制系统CCS(ComputerControlSystem)4．集散式控制系统DCS（DistributedControlSystem）4．集散式控制系统DCS（DistributedControlSystem）5．现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem)301.5电气控制系统电气控制系统严格上讲是指电气设备二次控制回路。实际上一个控制系统包括主回路和控制回路两部分。主回路是指系统执行元件的能量或功率驱动回路；控制回路是指由继电器、单片机、PLC等形式的主控单元与接触器、电磁铁、电磁阀、驱动器等形式的电路执行元件组成的系统主回路的控制部分，实现对主回路的控制功能、保护功能、测量功能、监视功能。主回路属于执行设备回路，由电动执行元件、气动执行元件、液压执行元件和相应功率开关或驱动单元等一次设备组成的一次回路；控制回路是由主控单元和相应功率开关或驱动单元的控制元件等二次设备组成的一次回路的二次控制回路。311.5电气控制系统1.5.1电气控制的基本知识1.开关元件状态电气控制电路的接通和断开是由各类电气的开关（无触点开关）和开关触点来完成的，电路中的触点有常开触点和常闭触点两类。2.控制继电器控制继电器是一种当输入变化到某一定值时，其触点即接通或断开的交、直流小容量控制的自动化电器。按动作原理分类有电压继电器、电流继电器、中间继电器、热继电器、温度继电器、速度继电器及特种继电器等。在电气自动化技术中用的最多的是中间继电器与时间继电器两种。继电器属于功能性开关元件。最大电流容量一般为5A。321.5电气控制系统3.接触器接触器一般是由继电器控制的功率型开关元件，是按承载的电流大小进行分类，最小电流容量一般为10A。1.5.2电气逻辑回路电器开关元件只有两种状态：“接通”(又称动合)和“断开”(又称动断)。接通用逻辑l表示，断开用逻辑0表示。1.或门电路2.与门电路331.5电气控制系统3.记忆电路指开关的自保持电路。341.5电气控制系统4.延时电路当电气的延时电路接通或断开后，其延时电路控制的开关触点可以被延时的接通与断开，因此开关触点分为延时闭合与延时打开两种。351.5电气控制系统5.或逻辑实现的启停电路361.5电气控制系统1.5.3PLC控制系统1.PLC的结构及各部分的作用可编程控制器的结构都是以微处理器为核心的控制结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。PLC输入输出接口的类型：（1）开关量输入接口电路（2）开关量输出接口电路：有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。371.5电气控制系统1.5.4PLC控制系统的设计过程用PLC设计一个实际控制系统，其设计过程包括以下步骤：①系统分析。要根据对产品的性能要求确定系统执行元件的结构和主控单元的形式以及检测反馈系统的参数指标、控制精度、元件选型，并对系统进行过程分析，从整体确定符合性能要求的控制系统结构形式和各参数指标及动作流程。②设计气动或液压系统原理图和主回路电气原理图。③设计控制回路电气原理图。④设计循环动作图、动作表、动作时序图、流程图、功能表图、梯形图。381.5电气控制系统1.5.5系统循环动作图循环动作图一般在机床类设备的设计中应用很多。循环动作图一般包括以下内容：①在循环动作图中要标明各运动的距离。②各检测元件的位置与系统执行元件在循环中的动作协调关系（条件与结果）。③根据系统执行元件的驱动方式（液压、气动、电动、机械）确定有关过程控制技术参数（启动时间、制动时间、运行时间或距离、误差精度等）。④根据过程控制技术参数要求，确定和修订运行过程中的调节