《自動(dòng)化控制系統(tǒng)課件》教程

自動(dòng)化控制系統(tǒng)課程PPT教程本教程將帶您深入了解自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從基礎(chǔ)概念到實(shí)際應(yīng)用，涵蓋傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)模型、控制器設(shè)計(jì)、編程和典型應(yīng)用。課程大綱1概述2傳感器技術(shù)3執(zhí)行機(jī)構(gòu)4控制系統(tǒng)模型5控制系統(tǒng)分析6控制器設(shè)計(jì)7編程8應(yīng)用9總結(jié)及展望1.自動(dòng)化控制系統(tǒng)概述什么是自動(dòng)化控制系統(tǒng)？自動(dòng)化控制系統(tǒng)是指利用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備運(yùn)行或其他技術(shù)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要性提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)安全性。1.1自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1傳感器感知被控對(duì)象的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2控制器接收傳感器信號(hào)，根據(jù)控制算法發(fā)出控制指令。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制指令，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象改變狀態(tài)。4被控對(duì)象需要被控制的機(jī)器或過(guò)程。1.2自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分類按控制方式分類開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、組合控制。按控制對(duì)象分類工業(yè)過(guò)程控制、機(jī)電系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、航空航天控制。按控制理論分類經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制。2.傳感器技術(shù)傳感器的作用傳感器是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，它們負(fù)責(zé)感知被控對(duì)象的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳感器的特點(diǎn)精度高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、可靠性高、成本低。2.1常用傳感器介紹溫度傳感器熱電偶、熱電阻、半導(dǎo)體溫度傳感器。壓力傳感器壓阻式壓力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器。流量傳感器渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)。液位傳感器浮球液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、電容式液位計(jì)。2.2傳感器的選擇與應(yīng)用測(cè)量精度選擇精度滿足控制需求的傳感器。響應(yīng)速度選擇響應(yīng)速度足夠快的傳感器，以滿足控制要求。環(huán)境適應(yīng)性選擇能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等因素的傳感器。2.3信號(hào)調(diào)理電路放大電路將傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到控制器可以處理的信號(hào)范圍。濾波電路濾除傳感器信號(hào)中的噪聲和干擾。線性化電路將傳感器的非線性輸出轉(zhuǎn)換為線性信號(hào)。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中接收控制器發(fā)出的控制指令，并驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象改變狀態(tài)的部件。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)執(zhí)行速度快、響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便。3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類按驅(qū)動(dòng)方式分類電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按控制方式分類開(kāi)環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閉環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按執(zhí)行功能分類閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.2常用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。減速機(jī)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高扭矩。編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，反饋給控制器。3.3氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1氣缸利用壓縮空氣推動(dòng)活塞，實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)。2氣閥控制氣缸進(jìn)出氣流的方向和流量。3氣源提供壓縮空氣。4.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模型的作用建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以幫助我們分析控制系統(tǒng)性能、設(shè)計(jì)控制器。模型的種類傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型、微分方程模型。4.1基本概念1輸入信號(hào)作用于控制系統(tǒng)的外部信號(hào)。2輸出信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)信號(hào)。3傳遞函數(shù)描述控制系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。4.2一階系統(tǒng)4.3二階系統(tǒng)5.控制系統(tǒng)的響應(yīng)分析時(shí)間域分析分析系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)曲線，如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)等。頻域分析分析系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性，如幅頻特性、相頻特性等。5.1時(shí)間域分析1上升時(shí)間系統(tǒng)輸出從初始值上升到最終值的90%所需的時(shí)間。2峰值時(shí)間系統(tǒng)輸出達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間。3調(diào)整時(shí)間系統(tǒng)輸出達(dá)到最終值的±5%范圍并保持在這個(gè)范圍內(nèi)的所需時(shí)間。5.2頻域分析幅頻特性描述系統(tǒng)輸出信號(hào)幅值隨輸入信號(hào)頻率變化的關(guān)系。相頻特性描述系統(tǒng)輸出信號(hào)相位隨輸入信號(hào)頻率變化的關(guān)系。6.控制器設(shè)計(jì)控制器的作用控制器是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部件，它根據(jù)控制算法，接收傳感器信號(hào)并發(fā)出控制指令?？刂破鞯姆N類PID控制器、模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等。6.1PID控制器1比例控制根據(jù)偏差大小，輸出比例控制信號(hào)。2積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)輸出更準(zhǔn)確。3微分控制預(yù)測(cè)偏差變化趨勢(shì)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。6.2先導(dǎo)控制開(kāi)環(huán)控制控制器輸出直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。閉環(huán)控制控制器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整輸出。6.3自適應(yīng)控制自適應(yīng)性控制器根據(jù)被控對(duì)象參數(shù)的變化，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。智能性利用人工智能技術(shù)，提高控制系統(tǒng)的智能化水平。應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制、機(jī)器人控制。7.自動(dòng)化控制系統(tǒng)編程編程語(yǔ)言梯形圖、指令表、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本。編程工具PLC編程軟件、嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境。7.1PLC程序設(shè)計(jì)1輸入處理讀取傳感器信號(hào)。2邏輯運(yùn)算根據(jù)控制邏輯，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。3輸出處理控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。7.2嵌入式控制系統(tǒng)編程硬件平臺(tái)選擇合適的微控制器和外設(shè)。軟件開(kāi)發(fā)使用嵌入式開(kāi)發(fā)工具，編寫控制程序。調(diào)試測(cè)試對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。8.自動(dòng)化控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化生產(chǎn)線自動(dòng)化、機(jī)器人自動(dòng)化、物料搬運(yùn)自動(dòng)化。智能建筑自動(dòng)化樓宇自控、安全監(jiān)控、能源管理。農(nóng)業(yè)自動(dòng)化溫室控制、灌溉系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化。8.1工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化汽車制造焊接、噴漆、組裝等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。半導(dǎo)體制造芯片制造過(guò)程的自動(dòng)化控制。8.2智能建筑自動(dòng)化節(jié)能環(huán)保智能燈光、空調(diào)、供水系統(tǒng)的控制。安全監(jiān)控門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警。便捷舒適智能家居、智能電梯、智能停車場(chǎng)。8.3農(nóng)業(yè)自動(dòng)化1溫