自动化学科概论-第3章自动化基本原理

系统特性的分析建立在系统数学模型的基础上，自动控制理论有一套定性 或定量分析系统特性的方法；自动控制理论关注的是控制器应具有什么样 的原理形式（主要指具体的数学描述），而不关心它的具体物理实现，例 如采用什么样的电路，由哪些元器件组成，这些元器件如何布排或数字控 制的软件算法包等等，所以称之为“综合”比“设计”更合适。
3.1.3 自动控制理论
对自动控制系统三方面分析研究及特有的表达方法
⑵ 控制系统的分析（Analysis） 已知系统组成结构和系统各 环节运动规律的数学模型，分析获取这个系统具有的特性。
⑶ 控制系统的综合（Synthesis) 确定系统应具有怎样的组成 结构才能满足所提出的性能指标的要求。这是控制系统分析的 逆命题。因为自动控制系统中被控对象、测量环节（可检测量 ）等通常是确定的，系统所应具有的结构组成只能落实到控制 环节中实现，控制器采用什么样的控制规律去满足性能指标要 求是控制器设计问题，也是自动控制系统设计的主要任务。
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(2）给定环节 产生给定或作为参考输入信号的环节。
给定的输入信号通常与我们期望的被控输出量相关，它可以是 一个确定的量值这类控制系统就是恒（定）值控制系统，希 望系统在各种干扰作用下都能使输出量稳定在一个固定值上； 也可以是一变值，对应的控制系统是随动系统，希望被控量快 速准确地跟随给定输入信号变化。
H
液位传 感器
LT201
出水阀 Vo
输出液流
Qo
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(1)被控对象 具有某种设计功能的设备或过程，需要通过
控制系统达到一定的性能。其中，输出=对象被控目标量（有 时也简称被控量，一般不是应用系统（对象）本身的物料、能 量的输出）；控制量=能够通过操作改变物料、能量等，直接 、快速作用于对象并影响改变其输出的操作变量。
交换
它具有特定的功能或完成指定的任务 系统可以由子系统组成不断分解
边界
子系统集成（组合）系统
环境
系统
环境
作用 （系统输入）
作用 （系统输出）
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统（System）：广义的概念，无处不在，大到宇宙，小
到一个原子都可以看作系统。 可以是自然的，如天体系统、生态系统，也可以是人造的， 如机器、航天器、经济系统、电网、互联网等。
技术的理论基础。
自动控制理论所包含的基本概念、基本原理和基本方法不仅适用于工程技 术领域的自动化系统，也适用于诸如生物系统、生态系统、经济系统、甚 至社会系统等领域的控制。
3.1.3 自动控制理论
对自动控制系统三方面分析研究及特有的表达方法
⑴ 系统模型（model） 系统的物理形态的多样性要求在研究具 体系统时最好能撇开它的物理属性，即用系统的模型（系统的 一种抽象化表示）作为对象来研究。把系统所处的状态分为运 动状态（动态）和静止状态（静态，也称平衡态）： 运动状态 是指系统中的变量尚处于变化过程的状态； 静止状态 是指系统中的操作和输出等变量已达到某一定值并 不再随时间变化的状态。
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统（System）--由相互作用、相互联系的若干组成部分
（要素）结合而成的、具有特定功能的有机整体。
由两个以上相对独立的要素（环节，部分）组成，单个要
素不能构成系统
各要素之间不是孤立的，而是具有某种关联，存在一定的
相互作用，即各要素之间存在物质、能量和（或）信息的
液位控制系统中浮子是测量环节，比较在控制器中完成；在自动控制系统 中总是采用负反馈，消除或减少偏差。
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(5)控制环节 根据偏差信号，决策如何产生控制作用来操
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统模型：反映系统特性变化的虚拟表达（描述，形式）
外部特性：输入量、输出量，并为外部所量测和反映
内部特性：各种变化量，不直接为外部所反映，可以是物 料、能量，也可以是信息量
模型多种多样 同一个系统可以从不同角度 或用不同方法进行分析描述。如一个精馏塔 系统，可以从组分的分离工艺和装置运行 （如物料平衡，或能量平衡）角度，也可以 从控制系统角度进行分析设计。 系统输出或内部状态受多个外部系统或输入影响时，就需要 进行简化或去耦合处理，并构建相应的描述模型。如静态模 型是动态模型的简化描述，简单模型是复杂模型的简化描述。
作被控对象，实现被控量达到所希望的目标实现有效控制的 核心，需要正确地改变对象的能量、物料的变化过程和状态。
(6)执行环节（执行机构） 按控制环节的控制决策，产
生具体的操作控制作用，改变被控制对象的输出状态。
液位控制系统中的控制器主要完成控制环节功能,机械或电动阀门就是液位 控制系统的执行环节。由于不同的对象有不同的特性，比如水箱容量大小、 管道粗细、进水压力、阀门开关特性等等多个影响因素，需要分析、设计、 调试才能得到正确的、有效的、优化的决策(控制规律) 。
Qo
系统框图
（反映进出水的平衡关系）
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统结构(框)图：表示一个系统各部分和各环节之间关系
的图示方法能够清晰地表达系统比较复杂系统中相互作用 和输入输出关系，便于理解和分析。
输入液流
Qi
进水阀 Vi H
进水阀位 Vi 出水阀 Vo (进水流量 Qi )
出水阀位 Vo (出水流量 Qo )
可用多种图示方法描述系统的组成、分解及相互作用
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统结构(框)图：表示一个系统各部分和各环节之间关系
的图示方法能够清晰地表达系统比较复杂系统中相互作用 和输入输出关系，便于理解和分析。
输入液流
Qi
进水阀 Vi H
水箱供水系统
Qi
水箱
Qo
出水阀 Vo
溢流出水
输出液流
3.1.3 自动控制理论
给定环节
给定 信号
+
偏差 信号
-
控制环节
控制 信号
执行环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
为了实现自动控制的目的，并保证满足一定的性能指标，需要 控制器采用合适的控制规律（策略）。如何分析系统特性，设 计有效的控制规律(策略)是自动控制理论所研究的主要内容。
自动控制理论 从具有一般性规律特点出发，形成自动控制
供水水箱
液位高度 H
水箱供水系统
输出液流
Qo
系统框图
（反映液位高度关系）
3.1.2 自动控制系统的组成
控制子系统：通常是应用（装置）系统组成的一部分，采
用自动控制技术，在作用上与应用的实际需求密切相关，如 提高工作效率，保证响应特性、抑制扰动影响等等，它的设 计和实现是由控制工程师来完成的，并采用特有的专业分析 与设计方法。
3.1.3 自动控制理论
自动控制理论多个发展阶段 在不同时期针对不同的实
际问题和模型简化方法，提出了不同的解决控制问题的方法， 从而形成了不同特色的理论和技术体系。
（1）经典控制理论 适用于单输入、单输出的线性定常系
液位控制系统中的液位偏离期望值变化的阶段，说它处于运动状态；液位 稳定在期望值 ，进水阀门与出水阀门位置不再变化时则说处于静止状态。 静止状态不是系统处于静止、不变的状态，这时系统仍然是“活动”的， 运动过程一直在进行，只不过这时系统的各项活动处在平衡状态，使各变 量表现为很小变化，可以看成“静止”系统。
自动化学科概论
第3章 自动化基本原理
3.1 自动化与自动控制 3.2 自动控制系统的描述与模型构建 3.3 自动控制的基本原理 3.4 数字控制与计算机控制系统
3.1 自动化与自动控制
自动化——以人造系统的自动控制为基本目标，一个或
多个实际过程（装置）、系统、设备能够在没有人参与或 尽量少人参与的情况下实现预期（设定）的控制目标（运 行过程或状态）各种自动化系统；
Vi
(Qi )
Vo / Qo
水箱
实际液位
浮子
水箱液位自动控制系统框图
3.1.2 自动控制系统的组成
控制阀门
控制器
Qi
H
浮子
出水阀 Vo
水箱液位自动控制系统图
输出液流ຫໍສະໝຸດ Baidu
Qo
输入液流
Qi
带控制子系统的水箱液 位系统（设计）图
LIC 201
控制阀门 LV201
设计：IEC/GB标准符号 LIC201，LV201，LI201
液位控制系统是恒值控制系统，水箱水位的希望值（即给定输入信号）可 在控制器设定；具有方向助力功能的汽车的方向盘则提供变化的转动方向 作为给定信号，由转向机构自动跟踪控制输入，实现快速准确的转向运动。
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
联系与作用 各环节之间相互联系，存在带有一定信 息的信号（系统框图中用带箭头的线段来表示环节间 的联系及信息流向）
可以把一个自动控制系统看成是一个将输入信号加工或变换 为所期望的输出信号的装备，系统的控制过程就是信号的加工 、处理过程自动控制系统处理的核心是信息（信号）
普遍存在，多种多样,可以根据需要或从各种角度进行分类: 人类干预 自然系统、人造系统； 学科分类 自然、社会、思维系统； 范围尺度 宏观、微观系统； 环境交互 开放、封闭、孤立系统； 内部状态 平衡、非平衡、近平衡、远平衡系统； 系统规模 巨系统、大系统、小系统； 功能结构 分系统、子系统等等。
系统的概念--对于自动化专业工程师和科学家非常重要
3.1.3 自动控制理论
对自动控制系统三方面分析研究及特有的表达方法
⑴ 系统模型（model） 各种系统的动态和静态都会满足一定的 规律，这些规律可以是非参数化的，如特性曲线，数据表等等 ，也可以是参数化的，即用数学形式表示出来，即用所谓系统 的数学模型来描述。
系统的数学模型往往经过抽象处理，只描述系统中各个变量之间的相关关 系，而完全不考虑它们的物理特征,一机械力学系统和一电网络系统可以用 相同数学方程式描述。从专业角度，应用对象系统在工艺设计过程中，首 先要从规模、效率和平衡角度考虑其静态特性和状态，这时往往用一组代 数方程表达特性和参数，进行计算、模拟和优化。自动控制系统关注的是 系统的动态，即关于时间的变化特性，所以描述系统的动态方程等模型表 达是控制理论研究的主要对象，系统建模是其基础。模型按表现形式可分 为数学表达式模型和图示模型，包括系统结构和运动规律参数等，能够反 映系统运动变化过程各变量之间的关系，为系统分析和综合提供依据。
水塔
变频 增压
同一个应用系统可以采用不同的自动控制系统实现相同的功能。 例：控制水箱液位高度 （有塔）水箱恒压供水
增压电机控制输出水压 （无塔）直接实现恒压供水。
3.1.2 自动控制系统的组成
希望液位
头脑
人工操作 液位控制
肌肉和阀门
Vi
(Qi )
Vo / Qo
水箱
实际液位
眼睛
希望液位
控制器
控制阀门
自动控制——关于受控系统分析、设计和运行的理论和
技术对象不限于人造系统社会、经济、生物、环境等 生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等；
现代自动化——基于计算机软硬件系统 之实时控制、
驱动、检测、信息处理、人机交互管理和实时通信等环节、 功能和技术 在技术领域中远超传统自动控制的范围。
自动化技术引入——工程设计或技术改造 自动化实施手段—自动控制系统
液位控制系统中，水箱的液位是被控输出量，进水阀门开度（流量）是操 作控制量，水槽及管道等组成的水箱装置构成被控对象。 信息系统本身也可以是特殊的被控对象，如多媒体或网络信息传输系统等
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(3)测量环节 将被控输出量及其他重要量检测出来的装置
(4)比较环节 将给定的输入信号（被控输出量的希望值）
与测量环节得到的被控制量实际检测值加以比较的环节 关键概念—反馈（Feedback）=得到偏差信号，供控制环节 得出如何操作决策，消除或减少偏差信号。信号相减（负形式 比较）使偏差不断减小，称为负反馈,反之：正反馈