自動化學(xué)科概論第3章自動化的基本原理

自動化學(xué)科概論第3章自動化的基本原理3.1自動化、自動控制系統(tǒng)與自動控制理論3.2被控對象及其數(shù)學(xué)模型的建立3.3自動控制基本原理3.4數(shù)字控制及計算機(jī)控制系統(tǒng)3.5自動化基本設(shè)備3.6小結(jié)

自動化作為一種行為和一種狀態(tài)，它是通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)的。

“系統(tǒng)”是由相互作用、相互聯(lián)系的若干個組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體。

自動控制系統(tǒng)則是指能夠?qū)崿F(xiàn)“自動化”任務(wù)的設(shè)備，它是人造系統(tǒng)，而且是工程技術(shù)領(lǐng)域的人造系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對象組成。3.1自動化、自動控制系統(tǒng)與自動控制理論第3章自動化的基本原理簡單的水箱液位控制

水箱液位自動控制系統(tǒng)一個典型的自動控制系統(tǒng)由下列基本部分組成：(1)被控對象控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過程(2)給定環(huán)節(jié)產(chǎn)生給定輸入信號的環(huán)節(jié)(3)測量環(huán)節(jié)隨時將被控制量檢測出來的裝置(4)比較環(huán)節(jié)其功能是將給定的輸入信號（被控制量的希望值）與測量環(huán)節(jié)得到的被控制量實際值加以比較(5)控制環(huán)節(jié)它的功能是根據(jù)偏差信號，決策如何去操作被控對象，實現(xiàn)被控量達(dá)到所希望的目標(biāo)(6)執(zhí)行環(huán)節(jié)按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實施對控制對象的操作自動控制理論從三個方面對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和闡述：⑴系統(tǒng)的模型⑵系統(tǒng)的分析⑶控制系統(tǒng)的綜合不同特色的理論和技術(shù)體系(1)經(jīng)典控制理論(2)現(xiàn)代控制理論(3)大系統(tǒng)理論和智能控制技術(shù)

3.2.1被控對象的類型 3.2.2建立被控對象數(shù)學(xué)模型的基本方法

3.2.3復(fù)雜系統(tǒng)建模的困難3.2被控對象及其數(shù)學(xué)模型的建立第3章自動化的基本原理工程技術(shù)領(lǐng)域的被控對象不同的分類法（1）按被控對象的特性可分為線性和非線性

（2）按被控對象結(jié)構(gòu)參數(shù)可分為定常和時變（3）按系統(tǒng)傳輸信號的性質(zhì)可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（4）按系統(tǒng)期望輸出信號的變化規(guī)律還可分為恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)3.2.1被控對象的類型3.2.2建立被控對象數(shù)學(xué)模型

的基本方法建立被控對象數(shù)學(xué)模型的方法主要有解析法和實驗法兩種。解析法--建立起輸入與輸出之間的因果關(guān)系實驗法--把需建模的對象看成為一個“黑箱”復(fù)雜系統(tǒng)的的建模，會會存在更多多的困難：：⑴對于大大范圍變化化或非線性性特性強(qiáng)烈烈的對象，，不能進(jìn)行行線性近似似，必須用用精確非線線性的數(shù)字字表達(dá)式去去描述。⑵對于變變量多的系系統(tǒng)，其數(shù)數(shù)學(xué)模型將將是高階微微分方程或或大維數(shù)的的狀態(tài)方程程。⑶實際系系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)經(jīng)常不是是固定不變變的，系統(tǒng)統(tǒng)的模型應(yīng)應(yīng)為變參數(shù)數(shù)微分方程程。⑷實際系系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)往往是分分布的，這這時要用偏偏微分方程程描述。3.2.3復(fù)雜系系統(tǒng)建模的的困難3.3.1自動控控制系統(tǒng)的的基本性能能要求開開環(huán)環(huán)控控制制與與閉閉環(huán)環(huán)控控制制單單回回路路控控制制與與多多回回路路控控制制基基本本控控制制規(guī)規(guī)則則單單變變量量控控制制與與多多變變量量控控制制非非線線性性系系統(tǒng)統(tǒng)控控制制及及其其困困難難3.3自自動動控控制制基基本本原原理理第3章章自自動動化化的的基基本本原原理理一個個自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)從從原原來來的的平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)過過渡渡到到一一個個新新的的平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)，，兩兩個個平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)之之間間的的過過渡渡過過程程稱稱為為動態(tài)態(tài)，處處于于平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)時時稱稱為為靜態(tài)態(tài)。自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)動動態(tài)態(tài)過過程程常常見見形形式式：：自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的基基本本性性能能要要求求⑴單單調(diào)調(diào)收收斂斂過過程程⑵單單調(diào)調(diào)發(fā)發(fā)散散過過程程⑶衰衰減減振振蕩蕩過過程程⑷等等幅幅振振蕩蕩過過程程⑸發(fā)發(fā)散散振振蕩蕩過過程程自動動控⑴穩(wěn)穩(wěn)定定性性與穩(wěn)穩(wěn)定定性性相相關(guān)關(guān)，，還還可可以以用用平平穩(wěn)穩(wěn)性性來來衡衡量量一一個個控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)過過渡渡過過程程的的好好壞壞。。⑵快快速性性⑶準(zhǔn)準(zhǔn)確性性對自動動控制制系統(tǒng)統(tǒng)的研研究(包括括分析析、綜綜合)就是是從動動態(tài)、、靜態(tài)態(tài)兩方方面圍圍繞上上面三三個特特性進(jìn)進(jìn)行的的。開環(huán)控控制和閉環(huán)控控制是按信信號的的傳遞遞路徑徑來區(qū)

開開環(huán)控控制與與閉環(huán)環(huán)控制制1.擾動補(bǔ)補(bǔ)償控控制，，也稱稱為““前饋饋控制制”2.閉閉環(huán)系系統(tǒng)自動控控制最最基本本的形按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才是真正意義上的自動控制系統(tǒng)，反饋控制是自動控制最基本的形式，自動控制理論主要就是圍繞反饋控制來研究自動控制系統(tǒng)的。液位自自動控控制系系統(tǒng)即為液液位偏偏差信信號，，假設(shè)設(shè)H(s)=1,則則系統(tǒng)統(tǒng)輸出出y為為最后可可得：：表示了了整個個系統(tǒng)統(tǒng)輸出出與輸輸入之之間的的傳遞遞關(guān)系系，稱稱為系系統(tǒng)的的“閉閉環(huán)傳傳遞函函數(shù)””，而而把稱為系系統(tǒng)的的“開開環(huán)傳傳遞函函數(shù)””。復(fù)合控控制復(fù)合控控制系系統(tǒng)中中的補(bǔ)補(bǔ)償控控制(前饋饋控制制)能能及時單回路路控制制——具具有一一個閉閉合環(huán)環(huán)路的的控制制多回路路控制制——具具有多多個控控制器器、多多個反反饋閉閉合環(huán)環(huán)路單單回路路控制制與多多回路路控制制用簡單單的一一個閉閉合環(huán)環(huán)路控控制往往往不不能得得到好好的控控制系系統(tǒng)特特性，，必須須采用用具有有多個個控制制器、、多個個反饋饋閉合合環(huán)路路的多多回路路控制制。電動機(jī)機(jī)的控控制是是多回回路控控制的的典型型例子子。1.速速度度閉環(huán)環(huán)控制制調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)2.雙雙閉閉環(huán)控控制調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)3.位位置置隨動動系統(tǒng)統(tǒng)⑴比比例控控制⑵比比例+積分分控制制⑶比比例+微分分控制制在實際際的自自動控控制系系統(tǒng)中中，為為保持持系統(tǒng)統(tǒng)具有有良好好的動動態(tài)特特性和和靜態(tài)態(tài)特性性，往往往使使控制制器同同時具具有比比例、、微分分、積積分控控制作作用，，構(gòu)成成比例例+積積分+微分分控制制，或或稱為為P（（比例例）I（積積分））D（（微分分）控控制。。基基本控控制規(guī)規(guī)則控制規(guī)規(guī)則的的確定定是控控制器器設(shè)計計的核核心單變量量控制制系統(tǒng)統(tǒng)———只有一一個輸輸入量量和一一個輸輸出量量的控控制系系統(tǒng)多變量量控制制系統(tǒng)統(tǒng)———有多于于一個個輸入入量或或多于于一個個輸出出量的的控制制系統(tǒng)統(tǒng)單單變量量控制制與多多變量量控制制混合槽槽液位位控制制系統(tǒng)統(tǒng)多變量量控制制系統(tǒng)統(tǒng)用狀狀態(tài)空空間方方法描描述解耦控控制對對解決決多變變量控控制系系統(tǒng)控控制問問題最最具價價值非線性性系統(tǒng)統(tǒng)是指指含有有非線線性元元件的的系統(tǒng)統(tǒng)，需需用非非線性性微分分方程程或狀狀態(tài)方方程描描述。。飽和特特性典型非非線性性特性性非非線性性系統(tǒng)統(tǒng)控制制及其其困難難帶滯環(huán)環(huán)的繼繼電特特性死區(qū)特特性非線性性控制制系統(tǒng)統(tǒng)與線線性系系統(tǒng)相相比的的特點點：⑴線性性系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定性性完全全取決決于系系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)及其其參數(shù)數(shù)，與與系統(tǒng)統(tǒng)的初初始條條件以以及外外加輸輸入無無關(guān)。。⑵對對于非非線性性系統(tǒng)統(tǒng)而言言，發(fā)發(fā)生并并維持持一定定頻率率和振振幅的的穩(wěn)定定的周周期運運動完完全是是可能能的，，通常常把這這種運運動稱稱為自自激振振蕩，，并在在信號號發(fā)生生器等等場合合得以以有效效應(yīng)用用。非線性性控制制系統(tǒng)統(tǒng)的分分析方方面相平面面法描述函函數(shù)法法在非線線性系系統(tǒng)的的綜合合方面面基于幾幾何方方法的的反饋饋線性性化方方法基于微微分代代數(shù)的的代數(shù)數(shù)方法法各種智智能控控制方方法從從模擬擬量到到數(shù)字字量計計算機(jī)機(jī)控制制基基于網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技技術(shù)的的計算算機(jī)控控制3.4數(shù)數(shù)字控控制及及計算算機(jī)控控制系系統(tǒng)第3章章自自動動化的的基本本原理理絕大多多控制制系統(tǒng)統(tǒng)的被被控量量是連連續(xù)時時間信信號計算機(jī)機(jī)等數(shù)數(shù)字運運算裝裝置只只能處處理數(shù)數(shù)字信信號從從模擬擬量到到數(shù)字字量連續(xù)信信號變變換為為離散散信號號的采采樣過過程零階保保持器器的信信號保保持過過程A/D和D/A構(gòu)成成了計計算機(jī)機(jī)與自自動控控制系系統(tǒng)其其它部部分聯(lián)聯(lián)系的的橋梁梁，一一個采采用計計算機(jī)機(jī)控制制的典典型自自動控控制系系統(tǒng)可可以表表示成成下圖圖。計計算機(jī)機(jī)控制制數(shù)字計計算機(jī)機(jī)的工工作需需要硬硬件和和軟件件兩大大支撐撐條件件，一一個計計算機(jī)機(jī)控制制系統(tǒng)統(tǒng)也必必須包包括硬件和軟件兩部分分。1.硬硬件件組成成(1)計計算機(jī)主主機(jī)由中央處處理器(CPU)、存存儲器和和接口組組成的主主機(jī)是控控制系統(tǒng)統(tǒng)的核心心，它根根據(jù)輸入入設(shè)備送送來的反反映設(shè)備備或過程程工作狀狀態(tài)的信信息，以以及既定定的控制制規(guī)則(算法)，進(jìn)行行運算處處理，并并將處理理結(jié)果通通過輸出出設(shè)備向向設(shè)備或或過程發(fā)發(fā)送控制制命令。。另外，，主機(jī)還還要接受受來自操操作臺的的操作命命令。(2)輸輸入輸出出設(shè)備A/D、、D/A是模擬擬量輸入入輸出設(shè)設(shè)備。除除此之外外，還有有開關(guān)量量輸入輸輸出設(shè)備備，負(fù)責(zé)責(zé)將設(shè)備備或過程程的開關(guān)關(guān)、觸點點等開關(guān)關(guān)量信號號送入主主機(jī)，將將主機(jī)關(guān)關(guān)于通/斷的控控制命令令傳至設(shè)設(shè)備或過過程。(3)人人機(jī)接口口設(shè)備除了通用用的CRT顯示示器、鍵鍵盤和打打印機(jī)外外，還包包括專用用的操作作顯示面面板或操操作顯示示臺，主主要用于于操作員員發(fā)操作作命令、、設(shè)置控控制系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)、、顯示工工作狀態(tài)態(tài)等。二、軟件件組成軟件是計計算機(jī)控控制系統(tǒng)統(tǒng)的神經(jīng)經(jīng)中樞，，負(fù)責(zé)指指揮計算算機(jī)控制制系統(tǒng)的的活動。。軟件主主要有系統(tǒng)軟件件和應(yīng)用軟件件兩部分。。系統(tǒng)軟件件指為用戶戶使用、、管理、、維護(hù)計計算機(jī)所所提供的的計算機(jī)機(jī)程序，，一般包包括操作作系統(tǒng)、、算法語語言、數(shù)數(shù)據(jù)庫、、診斷程程序等。。應(yīng)用軟件件指為完成成具體對對象自動動控制任任務(wù)而編編制的專專用軟件件，通常常包括數(shù)數(shù)據(jù)采集集及處理理程序、、控制程程序、過過程監(jiān)視視程序、、打印制制表程序序等。1.計計算機(jī)集集散控制制系統(tǒng)DCS基基于網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)的的計算機(jī)機(jī)控制2.現(xiàn)現(xiàn)場總線線控制系系統(tǒng)(FCS)現(xiàn)場總線線控制系系統(tǒng)具有有系統(tǒng)的高高度分散散性系統(tǒng)的開開放性使用的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性3.可可編程序序控制器器系統(tǒng)PLCOMRON公司司開發(fā)的的PLC網(wǎng)絡(luò)信信息獲取取——傳傳感器信信息傳輸輸——信信號轉(zhuǎn)換換與傳輸輸網(wǎng)絡(luò)信信息處理理——控控制器信信息應(yīng)用用——執(zhí)執(zhí)行器系系統(tǒng)集成成、優(yōu)化化的重要要性3.5自自動化化基本設(shè)設(shè)備第3章自自動動化的基基本原理理傳感器的的任務(wù)檢測系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部或或外部的的物理參參數(shù)，以以獲取相相應(yīng)的信信息待測量的物理理量電壓、電流等等電量溫度、流量、、物位、成分分等非電量信信息獲取———傳感器傳感器種類繁繁多按被測參量溫度傳感器、、流量傳感器器、位移傳感感器、速度傳傳感器、荷重重傳感器等按信號轉(zhuǎn)換機(jī)機(jī)理電阻式、電容容式、電感式式、壓電式、、霍爾式按輸出信號形形式模擬式傳感器器、數(shù)字式傳傳感器傳感器的要求求(1)精確性性傳感器的輸出出信號必須精精確地反映被被測量的變化化，它們之間間應(yīng)該是嚴(yán)格格的單值函數(shù)數(shù)關(guān)系，最好好是線性關(guān)系系。(2)穩(wěn)定性性傳感器輸出與與被測量之間間的單值函數(shù)數(shù)關(guān)系不應(yīng)受受時間及工作作環(huán)境的影響響，有好的重重復(fù)性。(3)靈敏性性傳感器的輸出出信號能反映映被測量較小小的變化。自動控制系統(tǒng)統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與商業(yè)通信信網(wǎng)絡(luò)相比較較，在技術(shù)性性能上有如下下特點：(1)高實時性要求求。網(wǎng)絡(luò)堵塞以以及網(wǎng)絡(luò)傳輸輸引起的大延延時在控制系系統(tǒng)中都是不不允許的。(2)高可靠性、高高安全性要求求。網(wǎng)絡(luò)傳輸過過程中引起的的信息出錯及及信息丟失將將導(dǎo)致控制系系統(tǒng)錯控或失失控，也是不不允許的。(3)良好的確定性性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡男畔⒈仨氄Z語義明確，解解釋單一。信信息傳輸——信號轉(zhuǎn)換與與傳輸網(wǎng)絡(luò)控制器外部信息內(nèi)部信息被控制對象的的控制信號控制器類型傳統(tǒng)的模擬控控制器現(xiàn)代的控制器器為計算機(jī)信信息處理———控制器執(zhí)行器——信息處理理的落