1、自动化学科概论,第3章：自动化的基本原理,自动化学科概论,第3章 自动化的基本原理,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。,3.1自动化、自动控制系统与自动控制理论,第3章 自动化的基本原理,
2、简单的水箱液位控制,水箱液位自动控制系统,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(动态、静态) 系统的分析(系统的特性) 控制系统的综合(
3、控制规律),不同特色的理论和技术体系(1)经典控制理论(微分方程、传递函数、根轨迹法、频率法)(2)现代控制理论(状态空间方程、系统辨识、最优控制、最佳估计、自适应控制)(3)大系统理论和智能控制技术(广度、深度),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,3.2 被控对象及其数学模型的建立,第3章 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和非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常和时变 （3）按系统传输信号的性质可分为连续系统和离散系统 （4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控
4、制系统和随动控制系统,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,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” 水槽液位系统：输入流量Qi，液位高度H，输出流量Qo，水槽面积S，很小时间dt内，液位高度有dH的变化。,3.2.2 建立被控对象数学模型 的基本方法,3.2.2 建立被控对象数学模型 的基本方法,3.2.2 建立被控对象数学模型 的基本方法,复杂系统的建模，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
5、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。,3.2.3 复杂系统建模的困难,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,3.3 自动控制基本原理,第3章 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衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态，把处于平衡状态时称为静态。
6、自动控制系统动态过程常见形式：,3.3.1 自动控制系统的基本性能要求,单调收敛过程,单调发散过程,衰减振荡过程。,等幅振荡过程。,发散振荡过程。,自动控制系统的基本性能, 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个控制系统过渡过程的好坏。 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。,3.3.2 开环控制与闭环控制,1、开环控制,扰动补偿控制，也称为“前馈控制”,2、闭环系统自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，
7、然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义下的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。,液位自动控制系统,即为液位偏差信号，假设H(s)=1,则系统输出y为,最后可得：,表示了整个系统输出与输入之间的传递关系，称为系统的“闭环传递函数”，而把 称为系统的“开环传递函数”。,复合控制复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的高精度。这是一种得到广泛应用的控制形式。,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
8、器、多个反馈闭合环路,3.3.3 单回路控制与多回路控制,用简单的一个闭合环路控制往往不能得到好的控制系统特性，必须采用具有多个控制器、多个反馈闭合环路的多回路控制。电动机的控制是多回路控制的典型例子。,1、速度闭环控制调速系统2、双闭环控制调速系统,3、位置随动系统, 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（积分）D（微分）控制。,3.3.4 基本控制规则,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
9、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,3.3.5 单变量控制与多变量控制,混合槽液位控制系统,多变量控制系统用状态空间方法描述解耦控制对解决多变量控制系统控制问题最具价值,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,3.3.6 非线性系统控制及其困难,带滞环的继电特性,死区特性,非线性控制系统与线性系统相比的特点：线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参数，与系统的初始条件以及外加输入无关。 对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称为自激振荡，并在信号发生器等场合得
10、以有效应用。,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,3.4 数字控制及计算机控制系统,第3章 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信号,3.4.1 从模拟量到数字量,连续信号变换为离散信号的采样过程,零阶保持器的信号保持过程,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。,3.4.2 计算机控制,数字
11、计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件，一个计算机控制系统也必须包括硬件和软件两部分。 1、硬件组成,(1)计算机主机 由中央处理器(cpu)、存储器和接口组成的主机是控制系统的核心，它根据输入设备送来的反映设备或过程工作状态的信息，以及既定的控制规则(算法)，进行运算处理，并将处理结果通过输出设备向设备或过程发送控制命令。另外，主机还要接受来自操作台的操作命令。 (2)输入输出设备 A/D、D/A是模拟量输入输出设备，除此之外，还有开关量输入输出设备，负责将设备或过程的开关、触点等开关量信号送入主机，将主机关于通/断的控制命令传至设备或过程。 (3)人机接口设备 除了通用的CRT显示器、键盘
12、和打印机外，还包括专用的操作显示面板或操作显示台，主要用于操作员发操作命令、设置控制系统参数、显示工作状态等。,二、软件组成软件是计算机控制系统的神经中枢，负责指挥计算机控制系统的活动。软件主要有系统软件和应用软件两部分。系统软件 指为用户使用、管理、维护计算机所提供的计算机程序，一般包括操作系统、算法语言、数据库、诊断程序等。应用软件 指为完成具体对象自动控制任务而编制的专用软件，通常包括数据采集及处理程序、控制程序、过程监视程序、打印制表程序等。,1、计算机集散控制系统DCS,3.4.3 基于网络技术的计算机控制,2、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
13、放性使用的经济性,3、可编程序控制器系统PLC,OMRON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,3.5 自动化基本设备,第3章 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物理量电压、电流等电量温度、流量、物位、成分等非电量,3.5.1 信息获取传感器,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
14、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。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。,3.5
15、.2 信息传输信号转换与传输网络,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,3.5.3 信息处理控制器,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,3.5.4 信息应用执行器,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,3.5.5 系统集成、优化的重要性,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，确定各自动化设备的性能指标并选取符合要求的设备。还要考虑各自动化设备组合时相互的匹配性等。系统的合理性还要从性价比的角度去考虑。,本章从三个层面介绍了自动化的基本概念和原理：第一个层面是自动控制原理(自动控制理论)第二个层面是自动控制系统。第三个层面是自动控制工程。,3.6 小 结,第3章 自动化的基本原理,
