自動(dòng)化專業(yè)概論3

1、自動(dòng)化學(xué)科概論自動(dòng)化學(xué)科概論劉慧賢劉慧賢電氣樓電氣樓A306A306自動(dòng)化學(xué)科概論自動(dòng)化學(xué)科概論3.1 恒值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)3.2 程序自動(dòng)控制系統(tǒng)3.3 隨動(dòng)系統(tǒng)(伺服系統(tǒng))3.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成3.5 自動(dòng)化儀表3.6 控制器控制和計(jì)算機(jī)控制3.7 自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制3.8 線性和非線性控制系統(tǒng)3.9 多變量自動(dòng)控制系統(tǒng)圖圖3.3.1 1 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)ur+-u給定環(huán)節(jié)給定環(huán)節(jié)放大器放大器+-u uf f電電爐爐ur+-Mn220V調(diào)壓器調(diào)壓器3.1 恒（定）值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)恒（定）值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 圖3.1所示為一工件加熱用電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)。由給定環(huán)節(jié)給出的電壓ur

2、代表所要保持的爐溫，它與表示實(shí)際爐溫的測(cè)溫?zé)犭娕嫉碾妷簎f相比較，形成誤差電壓u=ur-uf。 u經(jīng)過放大器放大后帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)M向一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并使調(diào)壓器提高或降低加熱電壓，以使uf達(dá)到ur并使u=0。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)不再轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡點(diǎn)。這里，電動(dòng)機(jī)有一個(gè)正確的旋轉(zhuǎn)方向問題。 當(dāng)uruf ，即u0，此時(shí)表示爐溫低于所要求保持的恒值，則電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該使調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)向上以增加加熱電壓。反之u0，則滑動(dòng)觸點(diǎn)應(yīng)向下移動(dòng)以減少加熱電壓。 這里可以看到，系統(tǒng)的作用是閉合的，即形成閉環(huán)系統(tǒng)，也即說明有反饋回路。恒值自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Automatic Regulating System)的

3、功能就是要克服各種對(duì)被調(diào)節(jié)量的擾動(dòng)而保持被調(diào)節(jié)量為恒值。恒值控制恒值控制系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在給定值上系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在給定值上 定義：恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)任務(wù)是保持被控制量為給定的常值。例如實(shí)際系統(tǒng)：冰箱，爐溫控制系統(tǒng)、電壓控制系統(tǒng)主要問題主要問題是：如何抑制各種使系統(tǒng)輸出量偏離常值的擾動(dòng)。 3.2 3.2 程序自動(dòng)控制系統(tǒng)程序自動(dòng)控制系統(tǒng) 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的給定信號(hào)（相當(dāng)于上節(jié)中的ur）是已知的時(shí)間函數(shù)時(shí)，稱這類系統(tǒng)為程序控制系統(tǒng)(Programmed Control System)。 圖3.2表示一個(gè)仿模銑床的原理示意圖。這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是制做一個(gè)精確的立體木模是一個(gè)精細(xì)、費(fèi)工的工作。圖圖3.3.2

4、2 仿模銑床原理示意圖仿模銑床原理示意圖支支 架架誤差誤差電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)刀刀架架控制器控制器差差動(dòng)動(dòng)輪輪觸指觸指模模型型工工件件鏡鏡刀刀電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)放大器放大器 程序自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能，就是要按照預(yù)定的程序來控制被控制量。即自動(dòng)控制系統(tǒng)給定環(huán)節(jié)給出的給定作用為一個(gè)預(yù)定的程序。程序控制程序控制系統(tǒng)輸出跟蹤已知變化系統(tǒng)輸出跟蹤已知變化 3.3 隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 在反饋控制系統(tǒng)中，若給定環(huán)節(jié)給出的輸入信號(hào)是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的函數(shù)，這種自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)(Servo-echanism)。 隨動(dòng)控制隨動(dòng)控制系統(tǒng)輸出跟蹤未知變化系統(tǒng)輸出跟蹤未知變化 (1)定義：隨動(dòng)系統(tǒng)的任

5、務(wù)是:保持被控制量跟隨某個(gè)變化著的不能預(yù)知的量。例如，跟蹤系統(tǒng)，雷達(dá)高射炮的角度控制系統(tǒng)(2)主要矛盾是主要矛盾是如何克服系統(tǒng)的慣性，使之能隨被跟蹤信號(hào)而靈活地變動(dòng)，(3)抗干擾問題降為次要矛盾。 自動(dòng)化作為一種行為和一種狀態(tài)，它是通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。 “系統(tǒng)”是由相互作用、相互聯(lián)系的若干個(gè)組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的整體。 自動(dòng)控制系統(tǒng)則是指能夠?qū)崿F(xiàn)“自動(dòng)化”任務(wù)的設(shè)備，它是人造系統(tǒng)，而且是工程技術(shù)領(lǐng)域的人造系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由控制部分和控制對(duì)象組成。自動(dòng)控制的基本概念自動(dòng)控制的基本概念 1、人工控制：、人工控制：控制系統(tǒng)可以由人工控制，也可以采用自動(dòng)控制。控制系統(tǒng)可以由人工控制

6、，也可以采用自動(dòng)控制。進(jìn)進(jìn)水水水水池池要要求求水水位位實(shí)實(shí)際際水水位位出出水水圖圖33 水位人工控制原理圖水位人工控制原理圖若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高若要求在出水量隨意的條件下，保持水位高度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦度不變：操作人員需先測(cè)實(shí)際水位，并在腦子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的子中與要求的水位進(jìn)行比較。若低于要求的水位，則需開大進(jìn)水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水水位，則需開大進(jìn)水閥門。否則應(yīng)關(guān)小進(jìn)水閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動(dòng)。閥門。若兩者正好相等，則進(jìn)水閥門不動(dòng)。人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖根據(jù)系統(tǒng)原理圖可畫出其方框圖如圖3

7、4所示。所示。 要要求求水水位位執(zhí)執(zhí)行行水水池池實(shí)實(shí)際際水水位位出出水水量量測(cè)測(cè)量量 比比較較、計(jì)計(jì)算算圖圖34 水位人工控制系統(tǒng)方框圖水位人工控制系統(tǒng)方框圖人工控制（續(xù)）人工控制（續(xù)） 簡(jiǎn)單的水箱液位控制 2、自動(dòng)控制：、自動(dòng)控制： 該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由該水池若改為由自動(dòng)控制裝置代替操作人員：由 浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏浮子測(cè)出實(shí)際水位，與要求的水位比較。然后得出偏 差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。差再由調(diào)節(jié)元件根據(jù)偏差的大小和正負(fù)產(chǎn)生控制信號(hào)。 最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖最后由執(zhí)行元件根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生控制作用。如圖3-5

8、所示。所示。進(jìn)進(jìn)水水浮浮子子實(shí)實(shí)際際水水位位出出水水 + +- -連連桿桿電電機(jī)機(jī)M M圖圖35 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖 在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：在此：浮子測(cè)水位，由連桿和電位器進(jìn)行比較：浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)浮子低則電位器上得到正電壓，經(jīng)放大后使電機(jī)向進(jìn)水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器水閥門開大的方向旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)浮子高時(shí)，電位器上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位上得到負(fù)電壓，電機(jī)向閥門關(guān)小的方向旋轉(zhuǎn)；若水位正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門不動(dòng)。正好，則電位器上電壓為零，電機(jī)不轉(zhuǎn)，閥門不動(dòng)。要求

9、水位電電機(jī)機(jī)閥閥門門水水池池出出水水量量實(shí)實(shí)際際水水位位浮浮子子 電位器連桿比較圖圖36水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖自動(dòng)控制（續(xù)）自動(dòng)控制（續(xù)）水箱液位自動(dòng)控制系統(tǒng)3、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ)、控制系統(tǒng)中的常用術(shù)語(yǔ) (1) 自動(dòng)控制自動(dòng)控制在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置使整個(gè)生產(chǎn)過程或工作機(jī)械自動(dòng)的按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某使整個(gè)生產(chǎn)過程或工作機(jī)械自動(dòng)的按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行、或使其某個(gè)參數(shù)按要求變化。個(gè)參數(shù)按要求變化。(2) 控制裝置控制裝置外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。外加的設(shè)備或裝置，亦叫控制器。(3) 被控量和控制量被控量

10、和控制量（Controlled variable and controlling variable）表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。表征被控對(duì)象工作狀態(tài)的物理參量，也叫輸出量。(4) 給定量給定量要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。要求被控量所應(yīng)保持的數(shù)值。也叫輸入量或叫參考輸入。(5) 干擾量（干擾量（disturbance）系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。系統(tǒng)不希望的外作用，也叫擾動(dòng)輸入。內(nèi)部擾動(dòng)-如果擾動(dòng)來自于系統(tǒng)內(nèi)部 例如：電源電壓的波動(dòng)外部擾動(dòng)-如果擾動(dòng)來自于系統(tǒng)外部 例如：電加熱爐中被加熱物體的增多或減少。如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：如水位自動(dòng)控制系統(tǒng)：進(jìn)進(jìn) 水

11、水浮浮 子子實(shí)實(shí)際際水水位位出出 水水 + +- -連連桿桿電電 機(jī)機(jī)M M圖圖33 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖水位自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖干擾干擾信號(hào)信號(hào) 測(cè)量測(cè)量元件元件 輸出量輸出量 受控對(duì)象受控對(duì)象 比較元件比較元件 ( (8 8) ) 自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方式自動(dòng)控制系統(tǒng)：由受控對(duì)象和控制器按一定方式連接起來的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。連接起來的、完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。如圖如圖35所示。所示。圖圖35 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)給定量給定量控制器控制器被控量被控量干擾量干擾量自控系統(tǒng)自控系統(tǒng)受控對(duì)象受控對(duì)象(6) 反饋量：由系統(tǒng)輸出端取出并反向送回系統(tǒng)輸 入端的信號(hào)。

12、反饋有主反饋和局部反饋之分。(7) 偏差量：給定量與主反饋信號(hào)之差。 反饋控制（反饋控制（feedback control）原理是設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本原理最基本原理。反饋反饋的定義: 將被控輸出量反向傳遞到系統(tǒng)的輸入端并與給定將被控輸出量反向傳遞到系統(tǒng)的輸入端并與給定輸入信號(hào)比較，根據(jù)所得的偏差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)被輸入信號(hào)比較，根據(jù)所得的偏差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的控制控量的控制(在有不可預(yù)知的擾動(dòng)的情況下，使得在有不可預(yù)知的擾動(dòng)的情況下，使得輸出量與給定量之間的偏差盡可能小輸出量與給定量之間的偏差盡可能小)。 由于在這種控制系統(tǒng)中，信號(hào)的流程構(gòu)成一個(gè)由于在這種控制系統(tǒng)中，信號(hào)的流程構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，所

13、以也稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)，所以也稱為閉環(huán)控制。一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)由下列基本部分組成：(1)被控對(duì)象 控制系統(tǒng)所要控制的設(shè)備或過程(2)給定環(huán)節(jié) 產(chǎn)生給定輸入信號(hào)的環(huán)節(jié)(3)測(cè)量環(huán)節(jié) 隨時(shí)將被控制量檢測(cè)出來的裝置(4)比較環(huán)節(jié) 其功能是將給定的輸入信號(hào)（被控制量的希望值）與測(cè)量環(huán)節(jié)得到的被控制量實(shí)際值加以比較(5)控制環(huán)節(jié) 它的功能是根據(jù)偏差信號(hào)，決策如何去操作被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)被控量達(dá)到所希望的目標(biāo)(6)執(zhí)行環(huán)節(jié) 按控制環(huán)節(jié)的控制決策，具體實(shí)施對(duì)控制對(duì)象的操作 3.5 自動(dòng)化儀表自動(dòng)化儀表 （1）傳感器傳感器 (Transducer) 實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)并將被測(cè)的物理量變換實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)并將被測(cè)

14、的物理量變換為另一個(gè)物理量為另一個(gè)物理量 ( (通常是電量通常是電量) ) ，例如熱電偶；，例如熱電偶；（2 2）變送器）變送器(Transducer) 與傳感器配套，使輸出成為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如與傳感器配套，使輸出成為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如對(duì)對(duì)DDZ DDZ 電動(dòng)單元組合儀表，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為電動(dòng)單元組合儀表，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為4 4 20ma 20ma ； （3 3）控制器（調(diào)節(jié)器）控制器（調(diào)節(jié)器）(Controller) 采用模擬信號(hào)的調(diào)節(jié)器使用較采用模擬信號(hào)的調(diào)節(jié)器使用較多，它接受來自被控對(duì)象的測(cè)量值和給定值或它們的誤差，并根據(jù)一定的多，它接受來自被控對(duì)象的測(cè)量值和給定值或它們的誤差，并根據(jù)一定的控制（調(diào)節(jié)）規(guī)

15、律產(chǎn)生輸出信號(hào)以推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）。控制（調(diào)節(jié)）規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)以推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）。 控制器起了控制器起了圖圖3.43.4中給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)和控制器三者的作用；中給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)和控制器三者的作用；（4 4）放大器）放大器(Amplifier)用以增加信號(hào)的幅度或用以增加信號(hào)的幅度或( (和和) )功率，如如晶體管功率，如如晶體管放大器，也可以由電信號(hào)放大到氣動(dòng)信號(hào)（如電放大器，也可以由電信號(hào)放大到氣動(dòng)信號(hào)（如電- -氣轉(zhuǎn)換器）；氣轉(zhuǎn)換器）；（5 5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行機(jī)構(gòu)(Actuator)接受控制器來的信息并對(duì)被控對(duì)象施加控制作用，如電動(dòng)機(jī)接受控制器來的信息并對(duì)被控對(duì)象施加控制作

16、用，如電動(dòng)機(jī)M M。工業(yè)控制。工業(yè)控制常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、液壓伺服馬達(dá)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥、液壓伺服馬達(dá)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。3.5.1 信息獲取傳感器3.5.2 信息傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)3.5.3 信息處理控制器3.5.4 信息應(yīng)用執(zhí)行器3.5.5 系統(tǒng)集成、優(yōu)化的重要性第第3 3章章 自動(dòng)化的基本原理自動(dòng)化的基本原理2022年4月12日星期二29/253.5.1 信息獲取元件傳感器自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息獲取是通過測(cè)量測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。u 什么是測(cè)量？定義：測(cè)量就是以同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè)量比較，并確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)量稱為單位量，測(cè)量的結(jié)果稱為測(cè)量量。202

17、2年4月12日星期二30/253.5.1 信息獲取元件傳感器u 用什么來測(cè)量？在自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)的元器件被稱為信息獲取元件，主要是各種傳感器。2022年4月12日星期二31/253.5.1 信息獲取元件傳感器u 什么是傳感器？關(guān)于傳感器的定義，有很多種說法，一般有廣義和狹義之分，傳感器廣義上的定義是“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件和裝置”；而傳感器狹義上的定義是“一種將物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康臋C(jī)械電子裝一種將物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康臋C(jī)械電子裝置置”。傳感器的英文 sensor，比中文更傳神！顧名思義，就是可以

18、像我們的身體器官一樣感受周圍環(huán)境的一種裝置。2022年4月12日星期二32/253.5.1 信息獲取元件傳感器具體來說，傳感器就是一個(gè)具有輸入和輸出的系統(tǒng)。圖 (a)表示自激發(fā)式傳感器系統(tǒng)，而圖 (b)則表示調(diào)制式傳感器系統(tǒng)u 什么是傳感器？2022年4月12日星期二33/253.5.1 信息獲取元件傳感器 傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的信號(hào)部分。 u 傳感器的組成傳感器種類繁多 按被測(cè)參量 溫度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、速度傳感器、荷重傳感器等 按信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理 電阻式、電容

19、式、電感式、壓電式、霍爾式 按輸出信號(hào)形式 模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器2022年4月12日星期二35/253.5.1 信息獲取元件傳感器1）按傳感器測(cè)量原理分類，傳感器可分為電阻式傳感器、電容式傳感器和超聲波傳感器 2）按信號(hào)變換特征分類，傳感器可分為物性型和結(jié)構(gòu)型。 3）按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系，傳感器可分為能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型。 4）按被測(cè)量分類即按用途分類，傳感器可分為三大類： (1) 按傳感器上所依據(jù)轉(zhuǎn)換原理可分為：物理、化學(xué)、生物傳感器等；(2) 按傳感器測(cè)量量的性質(zhì)可分為：壓力、加速度、氣體濃度、離子濃度等；(3) 按傳感器應(yīng)用可分為：汽車、醫(yī)學(xué)、航天等。u 傳感器的分

20、類傳感器的要求(1)精確性 傳感器的輸出信號(hào)必須精確地反映被測(cè)量的變化，它們之間應(yīng)該是嚴(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系，最好是線性關(guān)系。(2)穩(wěn)定性 傳感器輸出與被測(cè)量之間的單值函數(shù)關(guān)系不應(yīng)受時(shí)間及工作環(huán)境的影響，有好的重復(fù)性。(3)靈敏性 傳感器的輸出信號(hào)能反映被測(cè)量較小的變化。2022年4月12日星期二37/253.5.1 信息獲取元件傳感器幾種常見的傳感器長(zhǎng)距離漫反射光電傳感器位移傳感器溫度傳感器壓力傳感器2022年4月12日星期二38/253.5.1 信息獲取元件傳感器新型汽車主要傳感器分布圖 自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比較，在技術(shù)性能上有如下特點(diǎn)： (1)高實(shí)時(shí)性要求。網(wǎng)絡(luò)堵塞以及網(wǎng)絡(luò)

21、傳輸引起的大延時(shí)在控制系統(tǒng)中都是不允許的。 (2)高可靠性、高安全性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中引起的信息出錯(cuò)及信息丟失將導(dǎo)致控制系統(tǒng)錯(cuò)控或失控，也是不允許的。 (3)良好的確定性要求。網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒈仨氄Z(yǔ)義明確，解釋單一。2022年4月12日星期二40/253.5.2 信息傳輸設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)u 自動(dòng)控制系統(tǒng)中信息傳輸 自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息傳輸要求具有快速性、可靠性和準(zhǔn)確性，但這些性能的保證要受信息傳輸環(huán)節(jié)的影響，傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異決定了系統(tǒng)信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)和性能。自動(dòng)控制系統(tǒng)按照其信息傳輸?shù)耐緩胶吞攸c(diǎn)可以分為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)”和“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”兩大類。 2022年4月12日星期二41/253.5

22、.2 信息傳輸設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)u 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)控制理論研究的系統(tǒng)大多是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)”，其結(jié)構(gòu)也就是一般反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖所示，它認(rèn)為系統(tǒng)中信息由一個(gè)元件向下一個(gè)元件的傳輸是立即發(fā)出并立即到達(dá)的，可以認(rèn)為沒有傳輸?shù)臅r(shí)間延遲（時(shí)延）。2022年4月12日星期二42/253.5.2 信息傳輸設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)u 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) “網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”的信息傳輸要經(jīng)過通訊網(wǎng)絡(luò)，其信號(hào)的傳輸相對(duì)比較復(fù)雜，如存在傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包的丟失等現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)過程控制及小型局域系統(tǒng)（如航天器、船舶和新型高性能汽車等）中；由于將通訊網(wǎng)絡(luò)引入了實(shí)際控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的信號(hào)傳輸要經(jīng)過

23、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，從而使系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得比較復(fù)雜。2022年4月12日星期二43/253.5.2 信息傳輸設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)u 自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息傳播網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）高實(shí)時(shí)性要求（2）高可靠、高安全性要求（3）良好的確定性要求2022年4月12日星期二44/253.5.2 信息傳輸設(shè)備信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸網(wǎng)絡(luò)u 控制網(wǎng)絡(luò)的任務(wù) 控制網(wǎng)絡(luò)要將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種信息傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室，在將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及故障信息等送往控制室的同時(shí)，又將各種控制、維護(hù)、組態(tài)命令等送往位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，起著提供現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)聯(lián)系與溝通的作用。 同時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)還要在與操作終端、上層管理網(wǎng)絡(luò)的

24、數(shù)據(jù)連接和信息共享中發(fā)揮作用。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)開始對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提出了參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽和遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求?？刂破骺刂破魍獠啃畔?nèi)部信息被控制對(duì)象的控制信號(hào)控制器類型控制器類型 傳統(tǒng)的模擬控制器 現(xiàn)代的控制器為計(jì)算機(jī)2022年4月12日星期二46/253.5.3 信息處理設(shè)備控制器u 控制器的作用 控制器的作用是把控制對(duì)象輸出的實(shí)際值和參考輸入（參據(jù)量）進(jìn)行比較，以得到偏差，并根據(jù)偏差產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，使偏差減小期望的范圍。自動(dòng)控制以這種方式產(chǎn)生控制信號(hào)，稱為控制作用。 簡(jiǎn)單地說，控制器即是指在控制系統(tǒng)中根據(jù)控制算法而進(jìn)行決策的裝置。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器是其核心，一個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)

25、計(jì)工作主要任務(wù)是設(shè)計(jì)合適的控制器以達(dá)到控制目的。2022年4月12日星期二47/253.5.3 信息處理設(shè)備控制器u 控制器的分類 如果按照控制器所采用的控制方法來分類，主要有： PID控制器（目前是工程上最常用的模擬控制器） 智能控制器 模糊控制器、 專家系統(tǒng)控制器、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等等。 在這里，控制器的分類是一個(gè)發(fā)展的概念，隨著控制方法的日新月異，新的控制器也將不斷出現(xiàn)。執(zhí)行器信息處理的落足點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的應(yīng)用 執(zhí)行器是信息流對(duì)能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換裝置，執(zhí)行器將控制信號(hào)變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需要的能量或物質(zhì)。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行器晶閘管觸發(fā)及整流裝置 蒸汽加熱溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電

26、動(dòng)調(diào)節(jié)閥 水箱液位控制系統(tǒng)的執(zhí)行器電動(dòng)閥門2022年4月12日星期二49/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器u 執(zhí)行器的作用 執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的功率部件，是被控制對(duì)象的直接驅(qū)動(dòng)裝置，控制器的指令一般要通過執(zhí)行器得以實(shí)現(xiàn)，而執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)輸出取決于控制器的控制作用。 從信息傳輸和處理角度看，執(zhí)行器是信息處理的落足點(diǎn)，是信息流對(duì)能量流、物質(zhì)流的轉(zhuǎn)換裝置，執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的應(yīng)用，將控制信號(hào)變換為導(dǎo)致被控量按要求變化所需要的能量或物質(zhì)。2022年4月12日星期二50/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器u 常用工業(yè)執(zhí)行器電磁鐵和電磁繼電器2022年4月12日星期二南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系南

27、京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系51/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器變壓器u 常用工業(yè)執(zhí)行器2022年4月12日星期二南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系南京大學(xué)工程管理學(xué)院控制與系統(tǒng)工程系52/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器直流電機(jī)u 常用工業(yè)執(zhí)行器2022年4月12日星期二53/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器交流電機(jī)u 常用工業(yè)執(zhí)行器2022年4月12日星期二54/253.5.4 信息應(yīng)用設(shè)備執(zhí)行器步進(jìn)電機(jī)u 常用工業(yè)執(zhí)行器 自動(dòng)化已經(jīng)滲透進(jìn)各行各業(yè) 工業(yè)自動(dòng)化是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的重要保障 自動(dòng)化設(shè)備的制造、自動(dòng)化工程的實(shí)施都已形成龐大的產(chǎn)業(yè) 必須根據(jù)自動(dòng)控制任務(wù)的要求，合理地

28、選擇自動(dòng)化設(shè)備，構(gòu)建有效的自動(dòng)控制系統(tǒng)“優(yōu)化”所構(gòu)建的系統(tǒng)最合理 系統(tǒng)最合理 首先是由所選取的自動(dòng)化設(shè)備有機(jī)地組合起來的自動(dòng)控制系統(tǒng)能完成給定的自動(dòng)控制任務(wù)，達(dá)到給定的性能指標(biāo)要求。 其次要把系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)分解，分配到組成系統(tǒng)的各自動(dòng)化設(shè)備，確定各自動(dòng)化設(shè)備的性能指標(biāo)并選取符合要求的設(shè)備。 還要考慮各自動(dòng)化設(shè)備組合時(shí)相互的匹配性等。 系統(tǒng)的合理性還要從性價(jià)比的角度去考慮。3.6 控制器控制和計(jì)算機(jī)控制控制器控制和計(jì)算機(jī)控制 以上系統(tǒng)的各個(gè)信號(hào)：輸入信號(hào)、誤差、控制器輸以上系統(tǒng)的各個(gè)信號(hào)：輸入信號(hào)、誤差、控制器輸出和輸出量等都是出和輸出量等都是模擬模擬信號(hào)，即隨時(shí)間連續(xù)變動(dòng)的信號(hào)。信號(hào)，即隨

29、時(shí)間連續(xù)變動(dòng)的信號(hào)。在一些現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中常用在一些現(xiàn)代的控制系統(tǒng)中常用微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)來代替控制器，來代替控制器，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制性能很有必要，如最優(yōu)控制、自這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制性能很有必要，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等等。這時(shí)適應(yīng)控制等等。這時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Computer Control System）的框圖如圖）的框圖如圖3.5所示。其特點(diǎn)是系統(tǒng)中所示。其特點(diǎn)是系統(tǒng)中一處或幾處的信號(hào)具有一處或幾處的信號(hào)具有數(shù)字代碼數(shù)字代碼，此外還有離散信號(hào)，此外還有離散信號(hào)（采樣信號(hào)）的出現(xiàn)如下圖。系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是以計(jì)（采樣信號(hào)）的出現(xiàn)如下圖。系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)

30、算機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)PID控制規(guī)律或更復(fù)雜的控制規(guī)律?？刂埔?guī)律或更復(fù)雜的控制規(guī)律。 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)中央處理器數(shù)-模轉(zhuǎn)換器保持器被控對(duì)象連續(xù)偏差離散偏差數(shù)字偏差數(shù) 字控制量連 續(xù)控制量離 散控制量連續(xù)輸出輸 入給定值+_計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖 模擬信號(hào)采樣示意圖模擬信號(hào)采樣示意圖3.6.1 從模擬量到數(shù)字量3.6.2 計(jì)算機(jī)控制3.6.3 基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制 絕大多控制系統(tǒng)的被控量是連續(xù)時(shí)間信號(hào) 計(jì)算機(jī)等數(shù)字運(yùn)算裝置只能處理數(shù)字信號(hào)連續(xù)信號(hào)變換為離散信號(hào)的采樣過程 零階保持器的信號(hào)保持過程 A/D和D/A構(gòu)成了計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制系統(tǒng)其它部分聯(lián)系的橋梁，一個(gè)采用計(jì)算機(jī)控制的典型自動(dòng)

31、控制系統(tǒng)可以表示成下圖。 數(shù)字計(jì)算機(jī)的工作需要硬件和軟件兩大支撐條件，一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也必須包括硬件和軟件兩部分。1、硬件組成 (1)計(jì)算機(jī)主機(jī) 由中央處理器(cpu)、存儲(chǔ)器和接口組成的主機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)輸入設(shè)備送來的反映設(shè)備或過程工作狀態(tài)的信息，以及既定的控制規(guī)則(算法)，進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理結(jié)果通過輸出設(shè)備向設(shè)備或過程發(fā)送控制命令。另外，主機(jī)還要接受來自操作臺(tái)的操作命令。(2)輸入輸出設(shè)備 A/D、D/A是模擬量輸入輸出設(shè)備，除此之外，還有開關(guān)量輸入輸出設(shè)備，負(fù)責(zé)將設(shè)備或過程的開關(guān)、觸點(diǎn)等開關(guān)量信號(hào)送入主機(jī)，將主機(jī)關(guān)于通/斷的控制命令傳至設(shè)備或過程。(3)人機(jī)接口設(shè)備 除了

32、通用的CRT顯示器、鍵盤和打印機(jī)外，還包括專用的操作顯示面板或操作顯示臺(tái)，主要用于操作員發(fā)操作命令、設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)、顯示工作狀態(tài)等。2、軟件組成 軟件是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)指揮計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的活動(dòng)。軟件主要有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。 系統(tǒng)軟件 指為用戶使用、管理、維護(hù)計(jì)算機(jī)所提供的計(jì)算機(jī)程序，一般包括操作系統(tǒng)、算法語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、診斷程序等。 應(yīng)用軟件 指為完成具體對(duì)象自動(dòng)控制任務(wù)而編制的專用軟件，通常包括數(shù)據(jù)采集及處理程序、控制程序、過程監(jiān)視程序、打印制表程序等。1、計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS什么是DCS DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Distributed Control S

33、ystem)，在國(guó)內(nèi)自控領(lǐng)域又稱為集散控制系統(tǒng)。 DCS是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物，是目前最先進(jìn)、最合理的過程控制系統(tǒng)，可以適應(yīng)各種過程控制的要求。它的過程控制點(diǎn)分散，系統(tǒng)具有很高的可靠性。它通過集中的操作和監(jiān)控，DCS具有方便的操作和維護(hù)性能。DCS具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，對(duì)外連接更加方便簡(jiǎn)捷。因此，DCS的主要特點(diǎn)歸結(jié)為一句話就是“分散控制，集中管理”。2、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)什么叫FCS? FCS是Fieldbus Control System，直譯就是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。 隨著微處理器和通信技術(shù)的發(fā)展，控制界也不斷在控制精度、可操作性、可維護(hù)性、可移植性等方面提出新需求

34、。由此，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生。FCS和DCS區(qū)別前面已經(jīng)論述過，分布式控制系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展： 一個(gè)方向是向上發(fā)展：向CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、CIPS計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展； 另一個(gè)方向是向下發(fā)展：向FCS（Fieldbus Control System）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展我們下面的比較將是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)DCS與FCS的比較現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入輸出模塊置于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行器直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹

35、底的分散控制。由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)(包括多個(gè)運(yùn)行參數(shù)值、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息)，同時(shí)又為多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備提供電源；現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備以外不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。 FCS和DCS的詳細(xì)對(duì)比FCSDCS(1)結(jié)構(gòu) 一對(duì)多：一對(duì)傳輸線接多臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)。一對(duì)一：一對(duì)傳輸線接一臺(tái)儀表，單向傳輸一個(gè)信號(hào)。(2)可靠性可靠性好：數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高?？煽啃圆睿耗M信號(hào)傳輸不僅精度低，而且容易受干擾。FCSDCS（3）失控狀態(tài)操作員在控制室既可以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備過現(xiàn)

36、場(chǎng)儀表的工作情況，也能對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，還可以預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收希乖O(shè)備始終處于操作員的過程監(jiān)控與可控狀態(tài)之中。操作員在控制室既不了解模擬儀表的工作情況，也不能對(duì)其進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測(cè)故障，導(dǎo)致操作員對(duì)儀表處于“失控”狀態(tài)。（4）控制控制功能分散在各個(gè)智能儀器中。所有的控制功能集中在控制站中。FCSDCS（5）互換性用戶可以自由選擇不同制造商提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表，并將不同品牌的儀表互連，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。盡管模擬儀表統(tǒng)一了信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（420mA DC），可是大部分技術(shù)參數(shù)仍由制造廠自定，致使不同品牌的儀表互換性差。（6）儀表智能儀表除了具有模擬儀表的檢測(cè)、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ芡猓€

37、具有數(shù)字通信能力，并且具有控制和運(yùn)算能力。模擬儀表只具有檢測(cè)、變換、補(bǔ)償?shù)裙δ?。通信方?DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層的常規(guī)模擬儀表仍然是一對(duì)一模擬信號(hào)(如420 mA DC)傳輸方式，DCS是一個(gè)“半數(shù)字信號(hào)”系統(tǒng)。 FCS采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健淖畹讓拥膫鞲衅?、變送器和?zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直到最高層均為通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。多條分支通信線延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用來連接現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表，采用一對(duì)N連接。分散控制 在DCS中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多臺(tái)模擬儀表集中接于輸入輸出單元，而與控制有關(guān)的輸入、輸出、控制、運(yùn)算等功能塊都集中于DCS的控制站

38、內(nèi)。DCS只是一個(gè)“半分散”系統(tǒng)。 FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元，由現(xiàn)場(chǎng)儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)總線上的數(shù)字儀表，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。互操作性 DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備都是各制造商自行研制開發(fā)的，不同廠商的產(chǎn)品由于通信協(xié)議的專有與不兼容，彼此難以互聯(lián)、互操作。 而FCS的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只要采用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，從而徹底改變傳統(tǒng)DCS控制層的封閉性和專用性。具有很好的可集成性?？煽啃浴⒁拙S護(hù) FCS采用總線連接方式替代傳統(tǒng)的DCS一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模的I/O系統(tǒng)來說，減少了DCS由接線點(diǎn)造成的不可靠因素

39、。同時(shí)，數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備替代模擬儀表，F(xiàn)CS具有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、參數(shù)修改等工作，因而增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)開發(fā)使各控制廠商更多地采用商業(yè)計(jì)算機(jī)的技術(shù), 80年代末許多公司推出新一代的集散系統(tǒng), 其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)采用MA P 協(xié)議; 引用智能變送器與現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu); 在控制軟件上引入PLC 的順序控制與批量控制, 使DCS 也具有PLC 的功能。3、可編程序控制器系統(tǒng)PLC什么叫PLC？ PLC也就是Programmable logic Controller，直譯可編程邏輯控制器。 在1987年國(guó)際電工委員會(huì)（I

40、nternational Electrical Committee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì)PLC做了如下定義： PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)?！?PLC的組成 PLC主要由cpu模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程裝置組成。DCS與PLC的區(qū)別 DCSDCSPLCPLC硬件硬件上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、控制器、上位機(jī)、

41、網(wǎng)絡(luò)、控制器、I/OI/O接口、現(xiàn)場(chǎng)儀表等接口、現(xiàn)場(chǎng)儀表等單一的控制器單一的控制器軟件軟件上位機(jī)組態(tài)軟件、上位機(jī)組態(tài)軟件、控制器編程軟件、控制器編程軟件、通訊接口軟件、通訊接口軟件、操作及設(shè)計(jì)畫面人機(jī)接口軟件等操作及設(shè)計(jì)畫面人機(jī)接口軟件等控制器編程軟件控制器編程軟件運(yùn)算運(yùn)算周期相對(duì)長(zhǎng)周期相對(duì)長(zhǎng)由于點(diǎn)數(shù)少，周期快由于點(diǎn)數(shù)少，周期快特點(diǎn)特點(diǎn)分布式控制，全局性，控制回路大分布式控制，全局性，控制回路大順序掃描機(jī)制，以時(shí)順序掃描機(jī)制，以時(shí)間基準(zhǔn)的控制，用于間基準(zhǔn)的控制，用于單一控制單元小系統(tǒng)單一控制單元小系統(tǒng)3.7 3.7 自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制自動(dòng)控制和遠(yuǎn)距離控制 在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中各設(shè)備和自動(dòng)化儀表

42、之間的距離往往在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中各設(shè)備和自動(dòng)化儀表之間的距離往往是較短的。是較短的。 遠(yuǎn)距離測(cè)量（遙測(cè)）系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測(cè)量（遙測(cè)）系統(tǒng) 遙測(cè)系統(tǒng)框圖遙測(cè)系統(tǒng)框圖 在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，若是設(shè)備之間有較長(zhǎng)的距離，例在一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，若是設(shè)備之間有較長(zhǎng)的距離，例如數(shù)十、或數(shù)百、數(shù)千公里就不能用通常的電氣或機(jī)械的聯(lián)如數(shù)十、或數(shù)百、數(shù)千公里就不能用通常的電氣或機(jī)械的聯(lián)系來傳遞測(cè)量信號(hào)、反饋信號(hào)和控制信號(hào)。這時(shí)，需要在分系來傳遞測(cè)量信號(hào)、反饋信號(hào)和控制信號(hào)。這時(shí)，需要在分離的設(shè)備之間設(shè)立專門的（通）信道。（通）信道是傳輸信離的設(shè)備之間設(shè)立專門的（通）信道。（通）信道是傳輸信息的媒質(zhì)或通道，如架空明線、同軸電

43、纜、射頻波束和光導(dǎo)息的媒質(zhì)或通道，如架空明線、同軸電纜、射頻波束和光導(dǎo)纖維等。纖維等。 遠(yuǎn)距離控制遠(yuǎn)距離控制( (遙控遙控) )系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖發(fā) 生 器遙控指令指 令 編 碼 器調(diào) 制 器發(fā) 射 機(jī)信 道接 收 機(jī)解 調(diào) 器譯 碼 器執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)被 控 對(duì) 象反 饋 環(huán) 節(jié) 發(fā)送端把所需傳送的控制命令、測(cè)量數(shù)據(jù)、反饋信號(hào)發(fā)送端把所需傳送的控制命令、測(cè)量數(shù)據(jù)、反饋信號(hào)等經(jīng)過調(diào)制、編碼等變換處理之后，再經(jīng)過（通）信道傳等經(jīng)過調(diào)制、編碼等變換處理之后，再經(jīng)過（通）信道傳遞。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信號(hào)經(jīng)遞。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信號(hào)經(jīng)過解調(diào)、譯碼等反變換處理，恢

44、復(fù)為原來的形式。過解調(diào)、譯碼等反變換處理，恢復(fù)為原來的形式。 非線性系統(tǒng)是指含有非線性元件的系統(tǒng)，需用非線性微分方程或狀態(tài)方程描述。飽和特性典型非線性特性帶滯環(huán)的繼電特性死區(qū)特性非線性控制系統(tǒng)與線性系統(tǒng)相比的特點(diǎn)： 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)，與系統(tǒng)的初始條件以及外加輸入無關(guān)。 對(duì)于非線性系統(tǒng)而言，發(fā)生并維持一定頻率和振幅的穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)完全是可能的，通常把這種運(yùn)動(dòng)稱為自激振蕩，并在信號(hào)發(fā)生器等場(chǎng)合得以有效應(yīng)用。非線性控制系統(tǒng)的分析方面 相平面法 描述函數(shù)法在非線性系統(tǒng)的綜合方面 基于幾何方法的反饋線性化方法 基于微分代數(shù)的代數(shù)方法各種智能控制方法 有一發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

45、如下圖所示。其工作原理是操縱者轉(zhuǎn)動(dòng)操縱電位計(jì)的手柄，可使電位計(jì)的輸出電壓Ur改變大小和方向。經(jīng)前置放大器和直流發(fā)電機(jī)兩極放大，使加在伺服電機(jī)上的端電壓也隨之改變大小和方向。從而使負(fù)載具有所要求的轉(zhuǎn)速。試說明該系統(tǒng)的給定值、被控量和干擾量，并畫出方塊圖。 單變量控制系統(tǒng)只有一個(gè)輸入量和一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng)多變量控制系統(tǒng)有多于一個(gè)輸入量或多于一個(gè)輸出量的控制系統(tǒng) 多變量控制系統(tǒng)用狀態(tài)空間方法描述 解耦控制對(duì)解決多變量控制系統(tǒng)控制問題最具價(jià)值 圖圖1 1- -7 7發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)- -電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)操操縱縱電電位位計(jì)計(jì)發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)伺伺服服電電機(jī)機(jī)減減速速器器負(fù)負(fù)載載r給給定定值值U Ur

46、 r前前置置放放大大器器功功放放執(zhí)執(zhí)行行元元件件被被控控量量W Wm m這這是是一一個(gè)個(gè)開開環(huán)環(huán)控控制制的的例例子子+ +E E- -E ErU Ur r操操縱縱電電位位計(jì)計(jì) R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4放放大大器器直直流流發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)伺伺服服電電機(jī)機(jī)W Wd dW Wm m 發(fā)發(fā)電電機(jī)機(jī)- -電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)減減速速器器負(fù)負(fù)載載自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類開環(huán)控制閉環(huán)控制(反饋控制)復(fù)合控制 機(jī)械系統(tǒng)恒張力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)全自動(dòng)照相機(jī)，光機(jī) 電結(jié)合液壓系統(tǒng)伺服液壓缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，大型的仿真模擬臺(tái)氣動(dòng)系統(tǒng) 生物系統(tǒng) 按系統(tǒng)功用分 4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

47、的行為描述一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)過渡到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，兩個(gè)平衡狀態(tài)之間的過渡過程稱為動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)，把處于平衡狀態(tài)時(shí)稱為靜態(tài)靜態(tài)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程常見形式：?jiǎn)握{(diào)收斂過程單調(diào)發(fā)散過程衰減振蕩過程。等幅振蕩過程。發(fā)散振蕩過程。 1 穩(wěn)定性(穩(wěn)) 控制精度是衡量系統(tǒng)技術(shù)性能的重要尺度。一個(gè)高品質(zhì)的系統(tǒng),在整個(gè)運(yùn)行過程中,被控量對(duì)給定值的偏差應(yīng)該是最小的。考慮動(dòng)態(tài)過程在不同階段中的特點(diǎn),工程上通常從穩(wěn)、準(zhǔn)、好三個(gè)方面來衡量自動(dòng)控制系統(tǒng)。 穩(wěn)定工作是所有自動(dòng)控制系統(tǒng)的最基本要求,是系統(tǒng)能否工作的前題。不穩(wěn)定的系統(tǒng)根本無法完成控制任務(wù)?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)工作環(huán)境或參數(shù)的變動(dòng),可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定,因

48、此,我們除要求系統(tǒng)穩(wěn)定外,還要求其具有一定的穩(wěn)定裕量。 2 穩(wěn)態(tài)精度(準(zhǔn)) 3 動(dòng)態(tài)過程(快) 穩(wěn)態(tài)精度是指系統(tǒng)過渡到新的平衡工作狀態(tài)以后,或系統(tǒng)對(duì)抗干擾重新恢復(fù)平衡后,最終保持的精度。穩(wěn)態(tài)精度與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù),輸入信號(hào)形式有關(guān)。 動(dòng)態(tài)過程是指控制系統(tǒng)的被控量在輸入信號(hào)作用下隨時(shí)間變化的全過程,衡量動(dòng)態(tài)過程的品質(zhì)好壞常采用單位階躍信號(hào)作用下過渡過程中的超調(diào)量,過渡過程時(shí)間等性能指標(biāo)。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究(包括分析、綜合)就是從動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩方面圍繞上面三個(gè)特性進(jìn)行的。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制是按信號(hào)的傳遞路徑來區(qū)分的兩種不同的控制形式。 1、開環(huán)控制開環(huán)控制系統(tǒng)是指無

49、被控量反饋的控制系統(tǒng)，即需要控制的是被控對(duì)象的某一量(被控量)，而測(cè)量的只是給定信號(hào)，被控量對(duì)于控制作用沒有任何影響的系統(tǒng)。 信號(hào)由給定值至被控量單向傳遞。這種控制較簡(jiǎn)單,但有較大的缺陷,即對(duì)象或控制裝置受到干擾,或工作中特性參數(shù)發(fā)生變化,會(huì)直接影響被控量,而無法自動(dòng)補(bǔ)償。因此,系統(tǒng)的控制精度難以保證。從另一種意義理解,意味著對(duì)受控對(duì)象和其它控制元件的技術(shù)要求較高。如數(shù)控線切割機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)、包裝機(jī)等多為開環(huán)控制。 擾動(dòng)補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”(feedforward)對(duì)于擾動(dòng)可以測(cè)量情況，可以直接將擾動(dòng)折算到系統(tǒng)輸入端，對(duì)控制量的大小進(jìn)行修正(補(bǔ)償控制)缺點(diǎn)：仍是開環(huán)控制，只抑制某種可測(cè)擾動(dòng)

50、。改進(jìn)：復(fù)合控制前饋+反饋2、閉環(huán)系統(tǒng) 自動(dòng)控制最基本的形式，將被控量測(cè)量出來，反饋至控制系統(tǒng)的輸入端與給定信號(hào)進(jìn)行比較得出偏差信號(hào)，然后根據(jù)偏差對(duì)被控對(duì)象實(shí)施有效控制，達(dá)到消除或減少偏差的目的。 按負(fù)反饋原理組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)才是真正意義下的自動(dòng)控制系統(tǒng)，反饋控制是自動(dòng)控制最基本的形式，自動(dòng)控制理論主要就是圍繞反饋控制來研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的。 從系統(tǒng)中信號(hào)流向看,系統(tǒng)的輸出信號(hào)沿反饋通道又回到系統(tǒng)的輸入端,構(gòu)成閉合通道,故稱閉環(huán)控制系統(tǒng),或反饋控制系統(tǒng)。 這種控制方式，無論是由于干擾造成,還是由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引起被控量出現(xiàn)偏差,系統(tǒng)就利用偏差去糾正偏差，故這種控制方式為按偏差調(diào)節(jié)。 閉環(huán)控制

51、系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是利用偏差來糾正偏差,使系統(tǒng)達(dá)到較高的控制精度。但與開環(huán)控制系統(tǒng)比較,閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,構(gòu)造比較困難。需要指出的是,由于閉環(huán)控制存在反饋信號(hào),利用偏差進(jìn)行控制,如果設(shè)計(jì)得不好,將會(huì)使系統(tǒng)無法正常和穩(wěn)定地工作。另外,控制系統(tǒng)的精度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性之間也常常存在矛盾。 開環(huán)控制和閉環(huán)控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)工程要求及具體情況來決定。如果事先預(yù)知輸入量的變化規(guī)律，又不存在外部和內(nèi)部參數(shù)的變化,則采用開環(huán)控制較好。如果對(duì)系統(tǒng)外部干擾無法預(yù)測(cè)，系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)又經(jīng)常變化,為保證控制精度，采用閉環(huán)控制則更為合適。如果對(duì)系統(tǒng)的性能要求比較高，為了解決閉環(huán)控制精度與穩(wěn)定性之間的矛盾，可以采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的復(fù)合控制系統(tǒng)。液位自動(dòng)控制系統(tǒng) ryyy