第一章 自動控制工程及其技術(shù)簡介

1、自動控制工程基礎(chǔ)及應(yīng)用主講：湯素麗Email:理論課教材自動控制工程基礎(chǔ)及應(yīng)用 張小惠主編 高等教育出版社技術(shù)應(yīng)用性課程的性質(zhì)和特點課程的性質(zhì)和特點l 自動控制是一門技術(shù)學(xué)科，本書從實際應(yīng)用出發(fā)介紹代表當(dāng)今自動控制工程領(lǐng)域廣泛使用的一些主要技術(shù)，如基于PC機的自動化工程。微電子傳感器傳動控制技術(shù)計算機技術(shù)電路理論自動控制原理自動控制技術(shù)自動控制系統(tǒng)PLC課程的概述課程的概述 必修課l 40個學(xué)時l 主要內(nèi)容自動化和自動控制工程的概念對自動控制系統(tǒng)的基本要求自動控制工程技術(shù)和裝置簡介自動控制工程及其技術(shù)的簡介傳感器和檢測裝置計算機控制技術(shù)傳感器的基礎(chǔ)知識接近開關(guān)及其作用位移檢測裝置速度傳感器溫度

2、檢測裝置壓力傳感變換器計算機控制系統(tǒng)及其構(gòu)成串行與并行接口模擬信號輸入接口模擬信號輸出接口開關(guān)信號輸入輸出通道接口計算機控制中控制規(guī)律的實現(xiàn)課程概述 可編程控制器和觸摸屏裝置 傳動和執(zhí)行機構(gòu) 自動控制工程實施PLCPLCPLCPLCPLCPLC可編程控制器概況的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的技術(shù)性能的特點及應(yīng)用場合的編程編程工具軟件的使用程序的編制方法觸摸屏裝置電氣傳動機構(gòu)調(diào)速方式與負載類型配合直流電動機速度調(diào)節(jié)裝置三相異步電動機變速調(diào)速方式與負載配合變頻調(diào)速裝置液壓執(zhí)行機構(gòu)氣動執(zhí)行機構(gòu)自動控制工程的設(shè)計步驟控制系統(tǒng)的干擾抑制和冗余配置單機自動控制工程實施系統(tǒng)自動控制工程實施集散控制系統(tǒng)的實施應(yīng)用自動控

3、制工程中設(shè)備的安裝及注意事項氣動執(zhí)行機構(gòu) l 主要內(nèi)容教學(xué)考核要求l考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)及期末考試等方面平時占30%、期末考試占70%缺作業(yè)達到三分之一及其以上，或隨機抽點名缺勤三次以上無考試資格本章教學(xué)重點l 理解自動控制工程的基本概念l 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求l 了解自動控制工程技術(shù)和裝置簡介。 第1章 自動控制工程及其技術(shù)簡介控制系統(tǒng)的發(fā)展史 l經(jīng)典控制(1935-1950) 空間技術(shù)l現(xiàn)代控制(1950-Now) 控制理論 經(jīng)典控制（ 1935-1950）l 美國 N. Minorsky 研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法 (1922)；l 美國

4、E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器 (1929)；現(xiàn)代控制（1950-Now ）l1.1 自動化和自動控制工程的概念 一、自動控制工程的意義 自動化工程主要指自動化系統(tǒng)的方案構(gòu)思、設(shè)計、設(shè)備配置、安裝調(diào)試等實施內(nèi)容。 意義：借助自動化裝置技術(shù)，實施對各種設(shè)備或生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)視，會大大降低員工的勞動強度、提高生產(chǎn)效率。在高溫、劇毒、強輻射等環(huán)境中，用自動化裝置遠距離監(jiān)控，保障了操作人員的身心安全，它的高精度、高速度、連續(xù)性好的特點還有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。二、傳動控制系統(tǒng)構(gòu)成和基本概念1、首先看一個例子，自動門（a）機械機構(gòu)圖自動門 （b）控制系

5、統(tǒng)圖，自動控制有控制器、伺服電動機、傳動絲杠、門機構(gòu)、內(nèi)外紅外線探測器和門開門關(guān)位置監(jiān)視開關(guān)自動門的控制過程l當(dāng)人走進自動門時，紅外探測器2會檢測到信號送至控制器，控制器氣動電動機3帶動絲杠正傳，門6開啟，到達全敞開位置時觸及開門限位開關(guān)8，控制器接到該信號后，使電動機斷電，門處在敞開位置。當(dāng)人離開紅外線探測范圍后，控制器經(jīng)過短暫延遲，反向氣動3關(guān)門，當(dāng)門到達全閉位置觸及關(guān)門限位開關(guān)9，電動機斷電停止。2、恒溫箱自動控制系統(tǒng)控制過程：（1）恒溫箱的溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2（2）恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號uu1u2 （3）溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放

6、大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差達到給定值為止，此時，偏差 u=0, 電機停止轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)原理方塊圖有上述事例可知傳動控制系統(tǒng)的構(gòu)成： （1）被控對象和被控量 （2）控制裝置 （3）傳動和執(zhí)行機構(gòu) （4）傳感器裝置自動控制系統(tǒng)組成：由被控對象以及為完成控制任務(wù)而配置的控制裝置兩大部分構(gòu)成。圖1-1 自動控制系統(tǒng)框圖 2、自動控制系統(tǒng)的基本概念 被控對象： 是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對象，它接受控制量并輸出被控量?？梢允且惶籽b置或設(shè)備，也可以是一個動態(tài)過程（被控制的運行狀態(tài)）。如化工行

7、業(yè)中從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。 測量環(huán)節(jié)： 其作用是檢測被控對象的控制量（溫度、壓力、流量、位移等），并且一般需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號（如05V直流電壓或010mA直流電流），以便于處理。為了保證控制精度，測量環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)測量準(zhǔn)確，并且牢固、可靠，受環(huán)境條件影響小。 比較環(huán)節(jié)： 其作用是將測量環(huán)節(jié)的實際輸出值與給定量進行比較，求出它們之間的偏差。通常采用的比較元件有差動放大器、電橋、機械的差動裝置等。 計算環(huán)節(jié)： 它是控制裝置的核心，決定著控制系統(tǒng)性能的好壞。其作用是根據(jù)控制要求，對偏差信號進行各種計算并形成適當(dāng)?shù)目刂谱饔?。校正裝置就是可以實現(xiàn)某種“控制規(guī)律”的計算環(huán)節(jié)，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性

8、能。對于復(fù)雜的運算可以利用計算機完成。 放大環(huán)節(jié)： 由于經(jīng)過計算機處理的信號通常是標(biāo)準(zhǔn)化的弱信號，不能驅(qū)動被控對象，因此需要加以放大。放大環(huán)節(jié)的輸出必須有足夠的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能實現(xiàn)驅(qū)動能力。 執(zhí)行環(huán)節(jié)： 其作用是產(chǎn)生控制量，直接推動被控對象的控制量發(fā)生變化。如電動機、調(diào)節(jié)閥門等就是執(zhí)行元件。常用的名詞術(shù)語常用的名詞術(shù)語 給定量： 又稱為參考輸入，是指人為給定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部指令信號。給定量與期望的輸出量之間一般存在著物理量綱轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定量可以是常值，也可以是隨時間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)。 被控量： 又稱為輸出量，是指被控對象中某個需要被控制的物理

9、量。它與給定量之間存在一定函數(shù)關(guān)系。 干 擾： 又稱為擾動信號，是指由某些因素（外部和內(nèi)部）引起的、對系統(tǒng)被控量產(chǎn)生不利影響的信號。 反饋： 是系統(tǒng)的輸出量從被控量端（輸出）經(jīng)變換、處理到達系統(tǒng)的給定量端（輸入）。若是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為局部反饋。 前向通道： 是從系統(tǒng)的給定量端（輸入）到被控量端（輸出）所經(jīng)過的通路。 偏差： 是給定量與反饋量之差。 誤差： 是系統(tǒng)輸出量的實際值與期望值之差。系統(tǒng)期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實際中很難達到。在單位反饋情況下，期望值就是系統(tǒng)的給定量，則誤差就等于偏差。 系統(tǒng)： 是一些部件的組合，能完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)的概念可

10、以應(yīng)用于抽象的動態(tài)現(xiàn)象。一.開環(huán)控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制 將系統(tǒng)的被控變量反饋到輸入端，并與參考輸入相比較，產(chǎn)生一個誤差信號加到控制器上使輸出改變，從而減少系統(tǒng)誤差，到達實現(xiàn)精確控制的目的。閉環(huán)控制系統(tǒng)l實際的控制系統(tǒng)按有無反饋作用來界定開環(huán)和閉環(huán)l反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號比較的過程l負反饋：反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小三.開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點 :系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試容易，當(dāng)輸入信號和擾動能預(yù)先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度

11、影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán) 優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高，抗干擾能力強。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.2 控制系統(tǒng)的基本要求l一、基本要求l 穩(wěn)定性 最基本的要求l 準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）l 快速性與平穩(wěn)性（動態(tài)性能） 1、穩(wěn)定性l 閉環(huán)控制系統(tǒng)在給定值單位作用下的過渡過程曲線如下圖（a）（b）（c） , 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)過渡過程曲線呈衰減振蕩的形式，最終趨于穩(wěn)定。（a） c常量其中(a) 穩(wěn)定，(b)不穩(wěn)定，(c)臨界穩(wěn)定2、準(zhǔn)確性 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性又可稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它可用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可定義

12、為控制系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。3、快速性與平穩(wěn)性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動態(tài)性能。4、靈敏度系統(tǒng)中元件參數(shù)的改變對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可以用靈敏度來表示。5、抗干擾性 系統(tǒng)的抗干擾性，直接與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度有關(guān)，是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個重要參數(shù)。注意：1 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇?？刂葡到y(tǒng)的主要性能指標(biāo)l控制系統(tǒng)在單位階躍信號下的過渡過程曲線如下圖：性能指標(biāo)l 1、穩(wěn)定性指標(biāo)超量超調(diào)量指被控量輸出的最大值與其穩(wěn)態(tài)值之差與其穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)，用公式表示如

13、下2、精確性指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差（靜差）用系統(tǒng)給定值與穩(wěn)定值之差的絕對值表示，其公式如下%max%cccsse sser tc5%l 3、快速性指標(biāo)控制或調(diào)節(jié)時間 一般認(rèn)為，控制時間 是指從信號施加開始到被控量完全進入其穩(wěn)態(tài)值的 或取 誤差范圍內(nèi)所需的最短時間。 反映控制系統(tǒng)起始階段快速性的指標(biāo)： a、延遲時間 ：指被控量首次達到其穩(wěn)態(tài)值的一半所需的時間stst2%dt 0.5|dc tcttrtb、上升時間 ：指被控量從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%（對振蕩的系統(tǒng)，也可從零到第一次上升到其穩(wěn)態(tài)值）所需的時間。C、峰值時間 ：指被控量超過其穩(wěn)態(tài)值達到第一個峰值所需的時間。上述的三個基本要求和各項性能指標(biāo)之間，常常相互矛盾，相互制約。 :0.10.9|rc tcc