自动化学科概论(1)

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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
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3.4.1 从模拟量到数字量
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
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。
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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
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简单的水箱液位控制
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水箱液位自动控制系统
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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
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
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3.5.1 信息获取——传感器
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
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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
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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。
3.3.6 非线性系统控制及其困难
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。
典型非线性特性
饱和特性
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死区特性
带滞环的继电特性
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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。
1. 计算机集散控制系统DCS
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2. 现场总线控制系统(FCS)
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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
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3. 可编程序控制器系统PLC
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OMRON公司开发的PLC网络
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第3章 自动化的基本原理
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零阶保持器的信号保持过程
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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。
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数字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
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2020/12/17
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自动化学科概论
3第 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
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第3章 自动化的基本原理
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。
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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
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扰动补偿控制，也称为“前馈控制”
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2. 闭环系统
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。
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3.4.3 基于网络技术的计算机控制
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
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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
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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”
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3.2.3 复杂系统建模的困难
复杂系统的建模，会存在更多的困难：
⑴ 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，
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自动化难学科概论(1)
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。
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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
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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。
“优化”——所构建的系统最合理
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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。
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(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。
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。
自动控制系统动态过程常见形式：
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⑴单调收敛过程
⑵单调发散过程
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⑶衰减振荡过程
⑷等幅振荡过程
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⑸发散振荡过程
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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
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 准确性
(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。
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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。
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。
不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达
式去描述。
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。
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第3章 自动化的基本原理
3.3 自动控制基本原理
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
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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
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1. 速度闭环控制调速系统 2. 双闭环控制调速系统
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3. 位置随动系统
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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。
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
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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、数字式传感器
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传感器的要求
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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
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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
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3.3.5 单变量控制与多变量控制
单变量控制系统——只有一个输入量和一个输 出量的控制系统 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
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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
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3.1自动化、自动控制系统与自动控制理论
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。
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液位自动控制系统
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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”。
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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。
(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。
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3.5.2 信息传输—信号转换与传输网络