自动化学科概论-第3

3.3.1 自动控制系统的基本性能要求
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，处于平衡状态时称为静态。
自动控制系统动态过程常见形式：
⑴单调收敛过程 ⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程 ⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
自动控制系统的基本性能
⑴ 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个
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。
一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：
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：
⑴ 系统的模型
⑵ 系统的分析
⑶ 控制系统的综合
不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术
第3章 自动化的基本原理
3.2 被控对象及其数学模型的建立
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)人机接口设备 除了通用的CRT显示器、键盘和打印 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。
3.2.1 被控对象的类型
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 恒值控制系统和随动控制系统
3.2.2 建立被控对象数学模型 的基本方法
(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
3. 位置随动系统
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
⑴ 比例控制 ⑵ 比例+积分控制 ⑶ 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。
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
第3章 自动化的基本原理
3.4 数字控制及计算机控制系统
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
3.4.1 从模拟量到数字量
⑵ 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。
⑶ 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。
⑷ 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏
微分方程描述。
第3章 自动化的基本原理
3.3 自动控制基本原理
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
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
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
3.5.3 信息处理——控制器
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
3.5.4 信息应用——执行器
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。
典型非线性特性
饱和特性
死区特性
带滞环的继电特性
非线性控制系统与线性系统相比的特点：
⑴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。
⑵ 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以有效应用。
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 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。
3.3.2 开环控制与闭环控制
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。
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，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 正意义上的自动控制系统，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
y yr y
y 即为液位偏差信号，假设
H(s)=1,则系统输出y为 yG(s)G k(s)y
最后可得：
y G(s)Gk(s) (s)
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
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
3.4.2 计算机控制
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。
数字计算机的工作需要硬ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
3.3.3 单回路控制与多回路控制
单回路控制——具有一个闭合环路的控制
多回路控制——具有多个控制器、多个反馈闭 合环路
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
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。
3.5.2 信息传输—信号转换与传输网络
第3章 自动化的基本原理
3.6 小 结
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
“优化”——所构建的系统最合理
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。
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
3.5.5 系统集成、优化的重要性
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
3.4.3 基于网络技术的计算机控制
1. 计算机集散控制系统DCS
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
第3章 自动化的基本原理
3.5 自动化基本设备
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
(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。