第一章 自動(dòng)控制工程及其技術(shù)簡(jiǎn)介

1、自動(dòng)控制工程基礎(chǔ)及應(yīng)用主講：湯素麗Email:理論課教材自動(dòng)控制工程基礎(chǔ)及應(yīng)用 張小惠主編 高等教育出版社技術(shù)應(yīng)用性課程的性質(zhì)和特點(diǎn)課程的性質(zhì)和特點(diǎn)l 自動(dòng)控制是一門技術(shù)學(xué)科，本書從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)介紹代表當(dāng)今自動(dòng)控制工程領(lǐng)域廣泛使用的一些主要技術(shù)，如基于PC機(jī)的自動(dòng)化工程。微電子傳感器傳動(dòng)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)電路理論自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制技術(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC課程的概述課程的概述 必修課l 40個(gè)學(xué)時(shí)l 主要內(nèi)容自動(dòng)化和自動(dòng)控制工程的概念對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制工程技術(shù)和裝置簡(jiǎn)介自動(dòng)控制工程及其技術(shù)的簡(jiǎn)介傳感器和檢測(cè)裝置計(jì)算機(jī)控制技術(shù)傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)接近開關(guān)及其作用位移檢測(cè)裝置速度傳感器溫度

2、檢測(cè)裝置壓力傳感變換器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及其構(gòu)成串行與并行接口模擬信號(hào)輸入接口模擬信號(hào)輸出接口開關(guān)信號(hào)輸入輸出通道接口計(jì)算機(jī)控制中控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)課程概述 可編程控制器和觸摸屏裝置 傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 自動(dòng)控制工程實(shí)施PLCPLCPLCPLCPLCPLC可編程控制器概況的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的技術(shù)性能的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合的編程編程工具軟件的使用程序的編制方法觸摸屏裝置電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)速方式與負(fù)載類型配合直流電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)裝置三相異步電動(dòng)機(jī)變速調(diào)速方式與負(fù)載配合變頻調(diào)速裝置液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制工程的設(shè)計(jì)步驟控制系統(tǒng)的干擾抑制和冗余配置單機(jī)自動(dòng)控制工程實(shí)施系統(tǒng)自動(dòng)控制工程實(shí)施集散控制系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)用自動(dòng)控

3、制工程中設(shè)備的安裝及注意事項(xiàng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) l 主要內(nèi)容教學(xué)考核要求l考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、作業(yè)及期末考試等方面平時(shí)占30%、期末考試占70%缺作業(yè)達(dá)到三分之一及其以上，或隨機(jī)抽點(diǎn)名缺勤三次以上無考試資格本章教學(xué)重點(diǎn)l 理解自動(dòng)控制工程的基本概念l 掌握反饋控制系統(tǒng)的基本要求l 了解自動(dòng)控制工程技術(shù)和裝置簡(jiǎn)介。 第1章 自動(dòng)控制工程及其技術(shù)簡(jiǎn)介控制系統(tǒng)的發(fā)展史 l經(jīng)典控制(1935-1950) 空間技術(shù)l現(xiàn)代控制(1950-Now) 控制理論 經(jīng)典控制（ 1935-1950）l 美國 N. Minorsky 研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法 (1922)；l 美國

4、E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器 (1929)；現(xiàn)代控制（1950-Now ）l1.1 自動(dòng)化和自動(dòng)控制工程的概念 一、自動(dòng)控制工程的意義 自動(dòng)化工程主要指自動(dòng)化系統(tǒng)的方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、安裝調(diào)試等實(shí)施內(nèi)容。 意義：借助自動(dòng)化裝置技術(shù)，實(shí)施對(duì)各種設(shè)備或生產(chǎn)過程的控制和監(jiān)視，會(huì)大大降低員工的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。在高溫、劇毒、強(qiáng)輻射等環(huán)境中，用自動(dòng)化裝置遠(yuǎn)距離監(jiān)控，保障了操作人員的身心安全，它的高精度、高速度、連續(xù)性好的特點(diǎn)還有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。二、傳動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成和基本概念1、首先看一個(gè)例子，自動(dòng)門（a）機(jī)械機(jī)構(gòu)圖自動(dòng)門 （b）控制系

5、統(tǒng)圖，自動(dòng)控制有控制器、伺服電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)絲杠、門機(jī)構(gòu)、內(nèi)外紅外線探測(cè)器和門開門關(guān)位置監(jiān)視開關(guān)自動(dòng)門的控制過程l當(dāng)人走進(jìn)自動(dòng)門時(shí)，紅外探測(cè)器2會(huì)檢測(cè)到信號(hào)送至控制器，控制器氣動(dòng)電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)絲杠正傳，門6開啟，到達(dá)全敞開位置時(shí)觸及開門限位開關(guān)8，控制器接到該信號(hào)后，使電動(dòng)機(jī)斷電，門處在敞開位置。當(dāng)人離開紅外線探測(cè)范圍后，控制器經(jīng)過短暫延遲，反向氣動(dòng)3關(guān)門，當(dāng)門到達(dá)全閉位置觸及關(guān)門限位開關(guān)9，電動(dòng)機(jī)斷電停止。2、恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)控制過程：（1）恒溫箱的溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2（2）恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)uu1u2 （3）溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放

6、大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差 u=0, 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)原理方塊圖有上述事例可知傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成： （1）被控對(duì)象和被控量 （2）控制裝置 （3）傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu) （4）傳感器裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)組成：由被控對(duì)象以及為完成控制任務(wù)而配置的控制裝置兩大部分構(gòu)成。圖1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 2、自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念 被控對(duì)象： 是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象，它接受控制量并輸出被控量?？梢允且惶籽b置或設(shè)備，也可以是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程（被控制的運(yùn)行狀態(tài)）。如化工行

7、業(yè)中從原料到產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程。 測(cè)量環(huán)節(jié)： 其作用是檢測(cè)被控對(duì)象的控制量（溫度、壓力、流量、位移等），并且一般需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如05V直流電壓或010mA直流電流），以便于處理。為了保證控制精度，測(cè)量環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)測(cè)量準(zhǔn)確，并且牢固、可靠，受環(huán)境條件影響小。 比較環(huán)節(jié)： 其作用是將測(cè)量環(huán)節(jié)的實(shí)際輸出值與給定量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。通常采用的比較元件有差動(dòng)放大器、電橋、機(jī)械的差動(dòng)裝置等。 計(jì)算環(huán)節(jié)： 它是控制裝置的核心，決定著控制系統(tǒng)性能的好壞。其作用是根據(jù)控制要求，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行各種計(jì)算并形成適當(dāng)?shù)目刂谱饔谩ＰＵb置就是可以實(shí)現(xiàn)某種“控制規(guī)律”的計(jì)算環(huán)節(jié)，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性

8、能。對(duì)于復(fù)雜的運(yùn)算可以利用計(jì)算機(jī)完成。 放大環(huán)節(jié)： 由于經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)通常是標(biāo)準(zhǔn)化的弱信號(hào)，不能驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，因此需要加以放大。放大環(huán)節(jié)的輸出必須有足夠的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力。 執(zhí)行環(huán)節(jié)： 其作用是產(chǎn)生控制量，直接推動(dòng)被控對(duì)象的控制量發(fā)生變化。如電動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥門等就是執(zhí)行元件。常用的名詞術(shù)語常用的名詞術(shù)語 給定量： 又稱為參考輸入，是指人為給定的并且要求系統(tǒng)輸出量參照變化的外部指令信號(hào)。給定量與期望的輸出量之間一般存在著物理量綱轉(zhuǎn)換關(guān)系。給定量可以是常值，也可以是隨時(shí)間變化的已知函數(shù)或未知函數(shù)。 被控量： 又稱為輸出量，是指被控對(duì)象中某個(gè)需要被控制的物理

9、量。它與給定量之間存在一定函數(shù)關(guān)系。 干 擾： 又稱為擾動(dòng)信號(hào)，是指由某些因素（外部和內(nèi)部）引起的、對(duì)系統(tǒng)被控量產(chǎn)生不利影響的信號(hào)。 反饋： 是系統(tǒng)的輸出量從被控量端（輸出）經(jīng)變換、處理到達(dá)系統(tǒng)的給定量端（輸入）。若是從系統(tǒng)輸出端到系統(tǒng)輸入端，這種反饋稱為主反饋；而其他反饋稱為局部反饋。 前向通道： 是從系統(tǒng)的給定量端（輸入）到被控量端（輸出）所經(jīng)過的通路。 偏差： 是給定量與反饋量之差。 誤差： 是系統(tǒng)輸出量的實(shí)際值與期望值之差。系統(tǒng)期望值是理想化系統(tǒng)的輸出，實(shí)際中很難達(dá)到。在單位反饋情況下，期望值就是系統(tǒng)的給定量，則誤差就等于偏差。 系統(tǒng)： 是一些部件的組合，能完成一定的任務(wù)。系統(tǒng)的概念可

10、以應(yīng)用于抽象的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。一.開環(huán)控制 控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)二、閉環(huán)控制 將系統(tǒng)的被控變量反饋到輸入端，并與參考輸入相比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)加到控制器上使輸出改變，從而減少系統(tǒng)誤差，到達(dá)實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。閉環(huán)控制系統(tǒng)l實(shí)際的控制系統(tǒng)按有無反饋?zhàn)饔脕斫缍ㄩ_環(huán)和閉環(huán)l反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過程l負(fù)反饋：反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差越來越小三.開環(huán)控制與反饋控制的比較開環(huán)優(yōu)點(diǎn) :系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，當(dāng)輸入信號(hào)和擾動(dòng)能預(yù)先知道時(shí)，控制效果較好。缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度

11、影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.2 控制系統(tǒng)的基本要求l一、基本要求l 穩(wěn)定性 最基本的要求l 準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）l 快速性與平穩(wěn)性（動(dòng)態(tài)性能） 1、穩(wěn)定性l 閉環(huán)控制系統(tǒng)在給定值單位作用下的過渡過程曲線如下圖（a）（b）（c） , 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)過渡過程曲線呈衰減振蕩的形式，最終趨于穩(wěn)定。（a） c常量其中(a) 穩(wěn)定，(b)不穩(wěn)定，(c)臨界穩(wěn)定2、準(zhǔn)確性 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性又可稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，它可用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可定義

12、為控制系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。3、快速性與平穩(wěn)性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。4、靈敏度系統(tǒng)中元件參數(shù)的改變對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可以用靈敏度來表示。5、抗干擾性 系統(tǒng)的抗干擾性，直接與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度有關(guān)，是衡量控制系統(tǒng)品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。注意：1 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇?？刂葡到y(tǒng)的主要性能指標(biāo)l控制系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的過渡過程曲線如下圖：性能指標(biāo)l 1、穩(wěn)定性指標(biāo)超量超調(diào)量指被控量輸出的最大值與其穩(wěn)態(tài)值之差與其穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)，用公式表示如

13、下2、精確性指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差（靜差）用系統(tǒng)給定值與穩(wěn)定值之差的絕對(duì)值表示，其公式如下%max%cccsse sser tc5%l 3、快速性指標(biāo)控制或調(diào)節(jié)時(shí)間 一般認(rèn)為，控制時(shí)間 是指從信號(hào)施加開始到被控量完全進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的 或取 誤差范圍內(nèi)所需的最短時(shí)間。 反映控制系統(tǒng)起始階段快速性的指標(biāo)： a、延遲時(shí)間 ：指被控量首次達(dá)到其穩(wěn)態(tài)值的一半所需的時(shí)間stst2%dt 0.5|dc tcttrtb、上升時(shí)間 ：指被控量從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%（對(duì)振蕩的系統(tǒng)，也可從零到第一次上升到其穩(wěn)態(tài)值）所需的時(shí)間。C、峰值時(shí)間 ：指被控量超過其穩(wěn)態(tài)值達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。上述的三個(gè)基本要求和各項(xiàng)性能指標(biāo)之間，常常相互矛盾，相互制約。 :0.10.9|rc tcc