自動化控制原理-第1章緒論VIP

1、自動控制原理 長沙理工大學電氣與信息工程學院自動化系 李茂軍,2020年10月5日11時9分,1,課程性質,電氣與信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，自動化專業(yè)主干專業(yè)基礎課，主要講述自動控制系統分析與設計的基本理論和方法。 自動控制理論可分為古典控制理論、現代控制理論、智能控制理論等，自動控制原理主要講授古典控制理論。 古典控制理論以傳遞函數為基礎，主要研究單輸入單輸出（SISO）系統的分析和設計問題。,2020年10月5日11時9分,2,課程性質,現代控制理論以狀態(tài)空間模型為基礎，研究多輸入多輸出（MIMO）系統的分析與設計問題。 智能控制理論涉及人工智能、自動控制、運籌學、系統論、信息論等，體現

2、了人的控制策略和控制思想，擁有受控對象及環(huán)境的相關知識以及運用這些知識的能力，能在復雜環(huán)境下進行綜合分析、判斷和決策，實現對復雜系統的控制。,2020年10月5日11時9分,3,本章內容,1.1 什么是自動化? 1.2 自動化的作用 1.3 自動化的過去、現在和將來 1.4 自動控制方式 1.5 自動控制系統分類 1.5 自動控制系統性能要求 1.7 典型輸入信號,2020年10月5日11時9分,4,自動化是利用機器、設備或裝置代替人或幫助人自動地完成某個任務或實現某個過程。,1.1 什么是自動化?,自動化是在沒有人的直接參與下，利用各種技術手段，通過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，使

3、機器、設備等按照預定的規(guī)律自動運行，實現預期的目標，或使生產過程、管理過程、設計過程等按照人的要求自動地完成。,2020年10月5日11時9分,5,自動控制與自動化的關系和區(qū)別： 自動化是指機器或裝置在無人干預的情況下按預定的程序或指令自動地運行。 自動控制是關于受控系統的分析、設計和運行的理論和技術。,自動化就是無須人的直接參與，通過控制裝置去自動操縱機器、設備等，使其按照預定的規(guī)律運行，完成要求的任務。,2020年10月5日11時9分,6,自動化與自動控制的關系和區(qū)別：,兩者既有聯系，但也有一定的區(qū)別。 自動化主要研究的是人造系統的控制問題，自動控制則除了上述研究外，還研究社會、經濟、生物

4、、環(huán)境等非人造系統的控制問題。例如生物控制、經濟控制、社會控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動化的研究領域。不過人們提到自動控制，通常是指工程系統的控制，在這個意義上自動化和自動控制是一樣的。,2020年10月5日11時9分,7,自動化系統舉例,空調自動調節(jié)房間溫度： 以取暖為例，空調通過溫度傳感器檢測房間的溫度高低，空調控制器將檢測的溫度與設定值進行比較，若溫度低于設定值的下限，則使壓縮機運行，溫度上升，溫度上升到設定值的上限時則停止運行。,空調運行基于反饋信息（溫度測量值），屬于 “反饋控制”。反饋控制系統是最為常見的控制系統。,2020年10月5日11時9分,8,全自動洗衣機：,按照

5、設定的程序自動完成洗衣任務。這是另一種典型的自動控制方式程序控制。 可以檢測出洗衣量的多少、臟的程度、衣料的質地等，并根據這些信息自動進行分析計算，決定洗滌劑用量、水位高低、洗衣時間等，從而實現“智能型”的全自動洗衣。,2020年10月5日11時9分,9,數控機床和數控加工中心： 自動完成零部件的加工,數控機床數控技術與機械技術相結合，相當于給機床添加了“大腦”和“感覺器官”，賦予了“智慧” 。 數控加工中心帶有刀具庫和自動換刀裝置的多功能數控機床，能自動完成多種工序和復雜形狀的產品加工。,一種數控加工中心,2020年10月5日11時9分,10,戰(zhàn)機對目標的自動攻擊：,現代戰(zhàn)機在攻擊目標時，可

6、以在幾十甚至幾百公里以外將導彈發(fā)射出去。先進的導彈可以做到“發(fā)射后不管”，即在發(fā)射后能夠自動搜尋、跟蹤和擊毀目標，是一種高度自動化的攻擊方式。,2020年10月5日11時9分,11,2020年10月5日11時9分,12,機器人,2020年10月5日11時9分,13,2020年10月5日11時9分,14,2020年10月5日11時9分,15,2020年10月5日11時9分,16,2020年10月5日11時9分,17,2020年10月5日11時9分,18,電力系統自動化,2020年10月5日11時9分,20,電力主要來源于水電、火電和核電，其他如太陽能、風能、海洋能、生物能等產生的電力目前還只能是

7、一種補充。 電力系統包含發(fā)電、輸電、變電、配電等多個環(huán)節(jié)，而且地域分布廣，系統結構復雜，如何保障電力系統的安全穩(wěn)定運行至關重要。 電力系統自動化是采用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置，對電力系統進行就地或遠程的自動監(jiān)視、調節(jié)、控制和管理，保證電力系統的安全經濟運行和傳輸合格的電能質量。,2020年10月5日11時9分,21,電力系統復雜而龐大，在電力系統中任何一點發(fā)生的故障，都會在瞬間影響和波及全系統，往往引起連鎖反應，導致事故擴大，造成大面積停電，因此電力系統要求進行快速的自動控制。 被控參數很多，包括頻率、電壓、有功和無功功率、功率平衡等，監(jiān)視和控制成千上萬個運行參數必須依靠自動化。

8、,2020年10月5日11時9分,22,存在各種干擾，包括系統故障等，系統故障有時會使電力系統失去穩(wěn)定，造成災難性后果，因此如何控制才能保證穩(wěn)定，或出現不穩(wěn)定后怎樣恢復穩(wěn)定，已成為電力系統自動化的重大課題之一。 正是由于采用了自動監(jiān)控和遠動控制技術，才使得電力系統的規(guī)模能不斷擴大。 要保證電力系統安全、優(yōu)質、經濟運行，單靠運行值班人員進行人工監(jiān)視和操作是無法實現的，必須依靠自動化裝置和設備。 安全供電、保證良好的電能質量、經濟運營都需要自動化。,2020年10月5日11時9分,23,按電力系統運行管理，可將電力系統自動化分為調度自動化、發(fā)電廠自動化、變電站自動化； 調度自動化又可分為輸電調度、

9、配電網調度自動化；發(fā)電廠自動化又分為火電、水電、核電等； 從電力系統自動控制的角度，可以將電力系統自動化分為電力系統頻率和有功功率自動控制、電力系統電壓和無功功率自動控制等。,2020年10月5日11時9分,24,三峽水電站外觀,2020年10月5日11時9分,25,2020年10月5日11時9分,26,三峽電站控制室,2020年10月5日11時9分,27,三峽電站控制設備,發(fā)電機組單元控制室及調速器,發(fā)電機組變壓設備,發(fā)電機組廠房,2020年10月5日11時9分,28,三峽電站水輪機和發(fā)電機吊裝,2020年10月5日11時9分,29,1.2 自動化的作用,自動化使我們的生活與工作更加方便、高

10、效、省心、省力。 自動化使生產過程的效率更高、成本更低、產品質量更好、競爭力更強、對環(huán)境的影響和沖擊更小、并顯著地降低能源和原材料消耗。 自動化使我們能夠做很多我們以前無法做的事情，如通過載人航天器翱翔太空、 借助無人潛水器探測深海，利用機器人處理危險品、爆炸物、核廢料，利用人造衛(wèi)星實現全球通信等。,2020年10月5日11時9分,30,早期的自動化使人類從體力上獲得了解放，現代的自動化則已發(fā)展為綜合自動化，可以自動完成分析、設計、計算、優(yōu)化、協調、決策等，從而使人不僅從體力上，也從腦力上獲得了很大程度的解放。 自動化廣泛應用于工業(yè)農業(yè)交通、國防商業(yè)醫(yī)療航空航天、服務和家庭等各個領域。,202

11、0年10月5日11時9分,31,自動化的常見應用類型,工廠自動化（Factory Automation） 包括生產設備、生產線、生產過程、管理過程等的自動化。 通常由數控機床、數控加工中心、工業(yè)機器人、自動傳送線、無人運輸車、自動化倉庫及計算機監(jiān)控中心等構成自動化生產線或自動化工廠。 管理過程自動化一般包含一個網絡化的計算機信息管理系統，可實現全廠生產、財務、人事、技術與設備等的綜合自動化管理。,2020年10月5日11時9分,32,發(fā)展趨勢：“管控一體化”或“綜合自動化”,生產自動化與管理自動化的有機結合稱為“管控一體化”或“綜合自動化” ，可以實現從需求分析、產品預訂、產品設計、產品生產到

12、銷售、用戶信息反饋及售后服務等全方位自動化，從而最快速地對市場作出反應，最大限度地滿足客戶需求、提高生產效率、確保產品質量、減少原材料和能源消耗。,2020年10月5日11時9分,33,“管控一體化”系統示意圖,2020年10月5日11時9分,34,辦公自動化（Office Automation，簡稱OA ）,利用計算機、掃描儀、復印機、傳真機、電話機、網絡設備、配套軟件等各種現代化辦公設備和先進的通信技術，高效率地從事辦公業(yè)務，廣泛、全面、迅速地收集、整理、加工、存儲和使用各種信息，為科學管理和決策服務。,2020年10月5日11時9分,35,家庭自動化（Home Automation）,指

13、家庭生活服務或家庭信息服務的自動化，如空調、洗衣機、照明控制系統、自動烹調裝置、防盜系統、自動抄表系統、計算機網絡等。 高層次的家庭自動化利用中央微處理機及網絡統一管理和控制所有的家電設備，既可以在家里通過鍵盤、觸摸式屏幕、按鈕等設備將指令發(fā)送至中央微處理器，也可以在外面通過電話或互聯網發(fā)出指令，獲取工作狀態(tài)的信息，接受提示或報警等。,2020年10月5日11時9分,36,家庭自動化系統示意圖,2020年10月5日11時9分,37,樓宇自動化（Building Automation）,對建筑物中所有能源、機電、消防、安全保護設施等實行自動化和智能化的統一管理，以創(chuàng)造出了一個有適宜溫度、濕度、亮

14、度、空氣清新、高效節(jié)能、安全舒適和方便快捷的工作或生活環(huán)境。 包含的子系統：空調與通風監(jiān)控系統、給排水監(jiān)控系統、照明監(jiān)控系統、電力供應監(jiān)控系統、電梯運行監(jiān)控系統、綜合防盜保安系統、消防監(jiān)控系統、停車場監(jiān)控系統等。,2020年10月5日11時9分,38,樓宇自動化系統示意圖,2020年10月5日11時9分,39,交通自動化（Traffic Automation）,綜合運用計算機、通信、檢測、自動控制等先進技術，實現對交通運輸系統的自動化管理和控制。 目標是安全、快捷、舒適、準點和經濟。 主要內容有交通狀況的監(jiān)控與管理、交通信息的提供與服務、運輸系統的最優(yōu)化運行與控制等。 交通自動化正在走向智能化

15、、信息化和綜合自動化，如紅綠燈自動優(yōu)化配時、全球衛(wèi)星定位系統、地理信息系統及綜合監(jiān)控系統等。,2020年10月5日11時9分,40,城市智能交通綜合管理系統示意圖,2020年10月5日11時9分,41,軍事自動化（Military Automation）,核心是武器裝備的自動化和軍事指揮的自動化。 傳統的機械化戰(zhàn)爭正發(fā)展為信息化和自動化戰(zhàn)爭，誰勝誰負主要取決于信息化和自動化水平的高低，誰能夠更快、更準確的獲取信息，并在最短的時間里完成分析和決策，以最快的方式實施盡可能精確的打擊，誰就掌握了戰(zhàn)爭的主動權。 作戰(zhàn)機器人、無人飛機、無人潛艇等各種智能型武器系統不斷涌現，未來的戰(zhàn)爭將是智能機器之間的較

16、量，比的是自動化水平的高低和計算機、通信、檢測、控制等技術的優(yōu)劣。,2020年10月5日11時9分,42,海陸空天一體化的指揮體系,2020年10月5日11時9分,43,我軍新型隱形導彈艇,作戰(zhàn)機器人,我軍無人攻擊機,美軍F117隱形戰(zhàn)斗轟炸機,2020年10月5日11時9分,44,我國“東風” 彈道導彈,美軍“三叉戟” 彈道導彈,國產“雷霆”激光制導炸彈,2020年10月5日11時9分,45,無人立體作戰(zhàn)系統構想圖,2020年10月5日11時9分,46,農業(yè)自動化（Agriculture Automation）,農業(yè)現代化的重要標志：大量應用自動化技術和現代信息技術。 “精準農業(yè)”的概念：根

17、據土壤肥力、苗情、雜草、病蟲害等信息，自動地進行精準的耕作、播種、施肥、灌溉、除草、噴灑農藥、收割等作業(yè)，從而達到省力、高效、安全、節(jié)省資源和保護生態(tài)的目的。,2020年10月5日11時9分,47,日本基于GPS的無人駕駛自動插秧機,2020年10月5日11時9分,48,各種自動化農業(yè)機械,Autonomous rice transplanter,2020年10月5日11時9分,49,自動化噴灌系統,溫室立體栽培,1.3 自動化的過去、現在和將來,2020年10月5日11時9分,51,18世紀末發(fā)明蒸汽機及離心調速器 第一次工業(yè)革命 大規(guī)模使用機器系統,瓦特1788年發(fā)明蒸汽機及其反饋控制系統

18、,2020年10月5日11時9分,52,蒸汽機時代的工廠,2020年10月5日11時9分,53,19世紀下半葉發(fā)現電、發(fā)明發(fā)電機及電動機 第二次工業(yè)革命（電氣化） 大量采用電氣控制裝置,2020年10月5日11時9分,54,20世紀前期的“二戰(zhàn)”、工業(yè)化及經典控制理論的成熟推動了自動化系統的廣泛應用,2020年10月5日11時9分,55,20世紀中期發(fā)明計算機 在自動化系統中大量采用計算機計算機控制系統,古董計算機,現代工業(yè)控制計算機主板,2020年10月5日11時9分,56,20世紀80年代開始在自動化系統中大規(guī)模實現計算機聯網網絡化控制系統,2020年10月5日11時9分,57,20世紀9

19、0年代通過計算機網絡將管理系統與控制系統一體化，即管控一體化,2020年10月5日11時9分,58,自動控制理論的發(fā)展,古典控制理論，經典控制理論：十九世紀末期，由于戰(zhàn)爭的需要而發(fā)展起來，主要研究SISO系統。 現代控制理論：二十世紀中期，由于空間技術的需要而發(fā)展起來，主要研究MIMO系統。 智能控制理論：二十世紀八十年代，是人工智能、自動控制、運籌學的綜合。,1.4 自動控制方式,2020年10月5日11時9分,60,自動控制的基本方式 開環(huán)控制，閉環(huán)控制，補償控制 最常用的控制方法PID控制 比例、積分、微分控制 最熱門的控制方法智能控制 專家控制、模糊控制、神經網絡控制,2020年10月

20、5日11時9分,61,例：電加熱爐的爐溫控制,外部擾動：電源電壓波動，環(huán)境溫度變化等 內部擾動：元器件老化、參數改變，工件體積和質量變化等,給定 電位器,給定 電壓,加熱爐,+,-,交流電源,工件,最簡單的控制開環(huán)控制,2020年10月5日11時9分,62,特點：結構簡單， 但抗擾性差，控制精度低,原理圖：,方塊圖：,功率 放大器,加熱爐,控制輸入,（給定電壓）,（電功率）,輸出量,（爐溫）,控制裝置,受控對象,擾動量,擾動量,給定 電位器,給定 電壓,加熱爐,+,-,交流電源,工件,2020年10月5日11時9分,63,自動控制的精髓反饋控制,例：電加熱爐的爐溫反饋控制（人作為控制器）,給定

21、 電位器,給定 電壓,加熱爐,+,-,交流 電源,工件,溫度 檢測,根據爐溫的高低調節(jié)給定電壓，從而調節(jié)溫度,2020年10月5日11時9分,64,給定 電位器,控制量,加熱爐,控制器,誤差 e,溫度變送器,變換電壓 uf,電熱絲,溫度傳感器,功 率 放 大 器,溫度信號,+,-,交流電源,給定電壓ur,u,輸出量 y （爐溫）,+,-,工件,注：反饋控制又稱為閉環(huán)控制,電加熱爐的爐溫反饋控制,2020年10月5日11時9分,65,方塊圖：,原理圖：,給定 電位器,控制量,加熱爐,控制器,誤差 e,溫度變送器,變換電壓 uf,電熱絲,溫度傳感器,功 率 放 大 器,溫度信號,+,-,交流電源,

22、給定電壓 ur,u,輸出量 y （爐溫）,+,-,工件,2020年10月5日11時9分,66,自動控制系統是負反饋系統！ 正反饋例：振蕩電路、“良性循環(huán)”、“惡性循環(huán)”,反饋控制的特點： 有反饋信息（信號傳遞形成閉合回路），抗擾性好，控制精度高,反饋形式： 負反饋，正反饋,2020年10月5日11時9分,67,反饋系統的相關術語：,受控對象,反饋信號,溫度：被控量,給定信號,比較環(huán)節(jié),-,2020年10月5日11時9分,68,反饋控制系統的基本結構：,2020年10月5日11時9分,69,反饋控制系統舉例：水箱的水位控制,+,-,水位 y,出水,閥門,誤差,進水,水箱,放大器,M,電機,給定電

23、位計,2020年10月5日11時9分,70,反饋控制舉例：全自動燃氣熱水器,手動調節(jié),全自動反饋調節(jié)： 自動根據水溫調節(jié)火力,2020年10月5日11時9分,71,反饋控制舉例：電冰箱的溫度控制,2020年10月5日11時9分,72,反饋控制舉例：樓房恒壓供水,2020年10月5日11時9分,73,其他反饋控制的例子：,人走路、騎車、駕車等 數控機床自動加工零件 交通信號控制 雷達火炮系統自動跟蹤飛機 人的體溫、呼吸、心跳等 教學過程、人才培養(yǎng)過程 人口控制 、經濟控制 ,還有哪些你知道的反饋控制系統例？,2020年10月5日11時9分,74,即時糾偏補償控制,例：電加熱爐對電源電壓波動的補償

24、控制,電源電壓輸出電壓，但補償調節(jié)器使控制電壓 輸出電壓基本不變溫度基本不變,補償控制的特點：提供一個控制作用來盡量抵消擾 動對系統的影響，抑制擾動比反饋控制更及時。,2020年10月5日11時9分,75,補償控制屬于開環(huán)控制，補償效果取決于設計是否準確，而且僅對特定可測擾動有效，一般擾動要靠反饋控制來抑制。,2020年10月5日11時9分,76,復合控制系統例：水箱的水位反饋控制 + 針對出水流量變化的補償控制,比單純的反饋調節(jié)更快、更及時！,2020年10月5日11時9分,77,補償控制可更及時地抑制可測擾動對輸出的影響（對其他擾動沒有抑制作用）； 反饋控制可抑制一般擾動對輸出的影響； 兩者的結合可改善抗擾性，提高控制精度； 缺點是結構較復雜。,復合控制的一般結構及特點,1.5 自動控制系統分類,2020年10月5日11時9分,79,按系統輸入信號分,恒值控制系統，自動調節(jié)系統：