反馈控制系统基本结构图课件剖析

反馈系统的基本结构
基本结构：由传感器、控制器、反馈 装置和执行机构组成。
传感器 :负责感受周围物体和情况
（收集信息和传递信息）---耳聪目明
控制器 :负责指挥
（处理信息和作出决策）---指挥有方
执行器 :负责执行命令、采取行动
（执行信息）
---手脚灵活
控制系统评价标准：稳、快、准
反馈控制系统基本结构图
软测量仪表具有响应迅速、连续给出 未知变量信息、投资低和维护保养简单等 优点.
自动化仪表
工业自动化仪表是在工业生产过程中，对 工艺参数进行自动检测、显示、记录或控制的 仪表，又称工业仪表或过程检测控制仪表。此 外，利用工业自动化仪表还可实现信息远距离 传送和数据处理。
第七章
自动化技术
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一、自动化的基本概念
自动化就在我们的身边
1、红绿灯为什么会自动切换？ 2、电冰箱为什么会制冷？ 3、微波炉为什么能根据预先的设定，自动加热 不同的食物？ 4、抽水马桶冲完水，水箱将自动灌水而不溢出？
水位控制
控制对象： 水位
水位
控制目标： 水位保持平稳
球
控制过程： 进水开关
蒸汽机上的离心式调节器
控制对象：转速。
控制目标：速度稳定。
控制过程（手段）：在蒸汽 机转轴上安装了一个飞球， 并与蒸汽阀门连接起来。当 蒸汽机转速太快时，飞球升 高，蒸汽阀门开得小，蒸汽 机就降速。反之，转速减慢 了，飞球就降低，蒸汽阀门 开大，使蒸汽机升速。
传感器
在工业过程的各种参数检测中，常用 的传感器有电量传感器、力学量传感器 （含压力、位移、角速度传感器等）、温 度传感器、湿度传感器以及物理化学成份 传感器等。
软测量技术
软测量(Soft Sensor)是指应用计算机 技术，对于一些难以测量或不能测量的重 要变量，选择另外一些容易测量的变量 (称为二次变量)，通过构成某种数学关系 来判断和估计，以软件来代替硬件功能。
1940年, 维纳(Norbert Wiener,美国,1894—1964), 首先倡导使用二进制编码形式
自动化基本内容
1、控制 2、系统 3、控制系统 4、反馈和反馈控制系统 5、数字控制技术
（计算机控制）
控制
自动控制是自动化技术的核心。
❖控制是一种有目的的特定作 用、和有目的的主动行为。
❖控 制 的 本 质 是 调 节 ， 是 对 “离向”或“离轨”的倾向 的调节，目的是使事物的运 动沿着既定的方向和轨道正 常运行。
反馈控制系统基本结构图
控制对象：它是我们要进行控制的设备、过程、系 统。它接受来自执行器的控制作用，被控制量作为 输出。
反馈控制系统基本结构图
检测装置：也称为传感器。 它用来测量被控制量(控制对象的输出)，并将其
转换成与系统输入量同一性质的物理量。
控制系统的稳态过程
控制系统评价指标
“稳、快、准”
控制系统：就是由施控者、受控者以及 传递者这三个部份所组成的、能够对受 控者的状态进行控制的系统。
2、控制系统的结构框图
反馈
反馈：在自动控制系
统中,把输出量的一部 分送回系统的输入端, 对控制对象进行控制, 这一过程叫反馈。
反馈控制：（又 称闭环控制） 控制系统的输出 量通过反馈直接 影响控制作用的 控制方式。
“稳”：是指系统的稳定性。 “快”：是指系统响应的快速性。 “准”：是指系统的稳态控制精度。
控制系统的抗干扰能力也是性能指标的一 个重要方面。
控制技术
1、PID控制 比例（P）：代表了当前的信息，起纠
正偏差的作用，使过程反应迅速； 微分（D）：在信号变化时有超前控制
作用，代表了将来的信息。在过程开始时 强迫过程的进行，过程结束时减小超调， 克服振荡，提高系统的稳定性，起到加快 系统的过渡过程作用；
积来自百度文库（I）：代表了过去积累的信息，它 能消除静差，改善系统静态特性。
控制技术
2、先进控制技术 鲁棒控制（Robust Control） 预测控制（Predictive Control） 模糊控制（Fuzzy Control） 专家控制（Expert Control） ……
检测技术与自动化装置
检测技术与自动化装置，是运用现代物 理、控制理论、电子学、计算机科学和计 量科学，研究被控对象的信息提取、转换、 传递与处理的理论、方法和技术的学科。 它以自动控制系统为对象，研究相关的信 息检测技术、可靠性技术，研究传感器、 变送器、控制器、执行机构等自动化装置 的集成化与智能化。
控制器：在负反馈系统中，控制器的输入是系统的误差 (偏差)：误差＝输入量－反馈量 控制器根据误差的大小，按照预先设计的控制方法，计
算出应当采用什么样的控制规律，作为控制器的输出，送给 执行器。
反馈控制系统基本结构图
执行器：它的输入是控制器送来的控制规律，执行 器要提供足够的能量，按控制规律产生控制作用， 作用到控制对象上，使控制对象能达到预定的控制 目标。
利用齿 轮传动 的原理
北宋
汽车的 里程表
在魏晋时期出现。记 里鼓车分上下两层，上层 设一口钟，下层设一鼓。 车上有一木人，峨冠锦袍， 坐于车的下层。车走十里， 小木人击鼓一次；每击鼓 十次，小木人就上升到上 一层，击钟一次，煞是有 趣。
当今的自动化
放眼今天的社会生活、生产、各行各业，
自动化装置和系统无处不在。
没有目的就谈不上控制。
旗幡在风中飘动
机械运动过 程，不是一 种控制过程
鸟儿在风中飞翔
反抗外界扰动作用的能 力，是控制的过程
自动控制
自动控制： 不需要人的直接参预,而控制某
些物理量按照指定的规律变化。 对于工程系统：
自动控制 = 自动化
系统
1、系统与元件
系统：是由相互作用和相互制约的各个部份 （元件）组成的、具有一定功能的有机整体。
预期水位
定时器
水泵
实际水位
水位
工作：如每天8:00 – 8:30给水塔打水。 实际水位和预期水位的没有关联。
人工控制的水箱水位系统
人工控制水塔水位
闭环控制系统
在人工控制系统中，通过人，将输出量H的 大小用来改变阀门的开度，即输出信息对系统 的控制作用有直接影响。
闭环系统的相关概念
闭环系统的特点：将系统的输出信息反送回 到输入端，使输出信息也参与对系统(当然 也对输出本身)进行控制。
反馈控制系统（反馈系统）：有了反馈后， 就构成了闭环控制系统。
负反馈系统：不管造成偏差的原因是什么， 都利用负反馈方法来控制对象，使偏差消 除或基本消除，从而使被控对象达到预定 目标。
开环系统和在闭环系统比较
开环系统中，只有从施控者传向被控者 的控制信息，信息的传递是单方向的。
闭环系统中，不但有从施控系统传向被 控系统的控制信息，而且有从被控系统传 向施控系统的反馈信息，信息的传递是双 方向的，闭环系统中存在着信息的闭合回 路。
电冰箱工作
温度传感器
控制器
T
压缩机
控制对象：温度。
控制目标：温度稳定。
控制过程（手段）：当 传感器温度比设置的温 度高时，启动压缩机工 作；当传感器温度低于 设置的温度时，停止压 缩机工作。
古代自动装置：铜壶滴漏
整件由日 壶、月壶、 星壶、受 水壶组成。
古代的自动化装置： ----中国的指南车
风后和指南车
指南车：是用一辆双轮独 辕车组成，由马来拉动。车箱 内采用一种能自动离合的齿轮 系统。车箱外壳上层，置有一 个木刻的仙人，无论车朝哪个 方向转弯，它的伸臂都指向南 方。
指南车的制法，主要是采 用差动齿轮的机械原理。
指南车的齿轮传动和自动 离合装置显示了古代机械技术 的卓越成就。
记里鼓车
会
看 家 会
韩 国
唱
歌
日本
自动化
机器设备或生产过程在没有人的直 接干预下，按预期的目标实现测量、 操纵等信息处理和过程控制的统称。
自动化的基础是控制论、信息论、 系统论。
自动化技术的核心：控制论。
控制论
1948年，美国数学家诺伯特•维纳（Norbert Wiener）与一些医生、生物学家、数学家以及 工程技术人员合作，经过长达十几年的研究， 发表了专著“控制论”，终于提出了现代自动 化技术的核心──控制论(Cybernetics)。
负反馈：反馈信 号与给定输入信 号是相减的，即 使偏差减小，从 而削弱控制作用。
正反馈：反馈信 号与给定输入信 号是相加的，即 使偏差加大，从 而增强控制作用。
反馈是控制理 论的基石！
浙江工业大学
开环系统
输出端对输入没 有实施任何控制。 即没有“反馈”
输入量 控制器
执行器 控制对象 输出量
开环系统应用：水塔
计算机是是一个系统。 空调是一个系统。
大脑是是一个系统。
学生、教师、黑板、 粉笔等教具以及教室 组成了一个教学系统。
2、系统与环境
开（Open）系统： 与外部有能量或信 息的交换。
闭（Close）系统： 与外部没有能量或 信息的交换。
控制系统
1、控制系统的三个必要元素
施控者(作用者) 受控者(被作用者)， 传递者：以及将作用由作用者传递到受作用者