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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第二讲 自动控制技术,第二讲 自动控制技术,1,想法（目标）要有办法来实现。,想法（目标）要有办法来实现。,2,自动控制的两个组成部分,自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于“软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面,自动控制,自动控制理论,自动控制技术,自动控制的两个组成部分 自动控制理论是分析和设计,3,一、开环控制系统（最简单的控制方式）,控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系。,特点： 1）系统输出量对系统的控制作用没有影响；,2）每一个参考输入对应于相应的固定工作状态。,缺点：若系统存在较大干扰，则很难完成既定的控制任务,适用范围： 1）输入输出关系已知；2）控制精度要求不高；3）干扰影响不大。,2.1 基本控制方案,一、开环控制系统（最简单的控制方式）2.1 基本控制方案,4,二、闭环控制系统（反馈控制系统，单回路控制系统）,（最基本的控制方式，应用最广泛的控制方式）,控制装置与被控对象之间不仅存在顺向（正向）作用，还存在反馈作用。,特点： 系统输出量对系统的控制作用有直接影响；,优点：不管什么扰动引起被控参数变化，都会产生控制作,用去消除偏差；,二、闭环控制系统（反馈控制系统，单回路控制系统）,5,三、扰动补偿控制，也称为“前馈控制”,在扰动影响被控量之前补偿其作用。,三、扰动补偿控制，也称为“前馈控制”在扰动影响被控量之前补,6,四、复合控制,复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的高精度。这是一种得到广泛应用的控制形式。,四、复合控制,7,2.2 自动控制技术,自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平；,早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等；,随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；,2.2 自动控制技术自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技,8,1、机械控制装置：瓦特发明的飞球调速器；希腊人发明的庙门自动开启装置，等。,2、作为自动化仪表的控制装置，最早出现与20世纪30年代，主要用于化工、石油、热能动力和冶金，当时称为热工仪表，工作方式为机械式或液动式，体积比较大，只能实现就地显示、记录和简单的控制。又被称为基地式仪表，功能限于单回路控制。,1、机械控制装置：瓦特发明的飞球调速器；希腊人发明的庙门自动,9,3、单元组合式仪表,根据控制系统各组成环节的不同功能和不同使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。,单元组合仪表克服了基地式仪表结构不够灵活的缺点。将各种单元进行不同的组合，可以灵活第构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。,气动单元组合仪表（QDZ），电动单元组合仪表（DDZ），都经历了I型，II型，和III型三个发展阶段。,3、单元组合式仪表,10,变送单元：将各种物理量变换成标准统一信号；,转换单元：电-气转换，气-电转换，等；,控制单元：测量信号与给定信号比较，产生控制信号；,运算单元：将几个标准信号进行算术运算；,显示单元：指示、记录、报警、累计；,给定单元：产生给定值；,执行单元：按控制器输出的控制信号去改变控制量大小；,辅助单元：增设的功能，如手动-自动切换。,变送单元：将各种物理量变换成标准统一信号；,11,（1）30年代末40年代初，出现气动仪表，价格便宜，结构简单，特别对石油化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能。尤其是统一了压力信号，有远程发送仪器可以远传，如此能在控制室读数，可以实现在控制室进行检测、记录和控制。,（2）50年代出现了电动式组合仪表。传输速度快。,（1）30年代末40年代初，出现气动仪表，价格便宜，结构简单,12,上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；,计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；,常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。,上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制,13,单片机,单片机是,在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十个单片机在工作。,单片机 单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口,14,工业控制计算机,工控机类似普通微机，但提高了工作的可靠性，配备了用于工业控制的输入输出接口，并特别加强了针对工业环境的抗干扰措施。,工业控制计算机 工控机类似普通微机，但提高了工作的可靠性,15,可编程逻辑控制器,（ Programmable Logic Controller，简称“PLC”）,PLC包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功能，是专为工业环境下的应用而设计的，早期主要用于逻辑及顺序控制，以取代传统的继电器控制，后来又增加了连续的反馈调节功能，并具有联网和通信功能，应用范围越来越广。,可编程逻辑控制器（ Programmable Logic,16,数字信号处理器,（ Digital Signal Processor，简称“DSP” ）,DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用也越来越多,数字信号处理器（ Digital Signal Proce,17,计算机控制方式的演变,第一阶段：集中控制,用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。,计算机,受控设备1,受控设备2,受控设备N,反馈信号,反馈信号,控制信号,控制信号,计算机控制方式的演变 第一阶段：集中控制计算机受控设备1,18,第二阶段：单机控制,一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调 、电饭煲的控制等。,计算机,受控设备,反馈信号,控制信号,第二阶段：单机控制计算机受控设备反馈信号控制信号,19,第三阶段：分散控制,对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。,典型例子有：,计算机集成制造系统 CIMS （Computer Integrated Manufacturing System）,集散控制系统 DCS （Distributed Control System）,现场总线控制系统 FCS （Fieldbus Control System）,第三阶段：分散控制,20,一种网络化的现场总线控制系统,一种网络化的现场总线控制系统,21,现代计算机控制系统：管控一体化,一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。,现代生产自动化系统通常具有三层结构：,例如，最底层是,基础自动化层,，以PCS（过程控制系统）为代表；第二层是,生产过程运行优化层,，以MES（制造执行系统）为代表；最高层是,生产经营优化层,，以ERP（企业资源管理）为代表。,现代计算机控制系统：管控一体化一个生产企业往往可能同时采用了,22,基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等；,运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等；,经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等；,这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。,基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实,23,生产自动化系统的层次结构示意图,生产自动化系统的层次结构示意图 ,24,2.3 最基本的控制算法 PID控制,2.3 最基本的控制算法,25,反馈控制系统的结构,输出,控制器,受控对象,检测装置,给定,输入,反馈信号,控制量,误差,执行机构,反馈控制系统的结构输出控制器受控对象检测装置给定反馈信号控,26,什么是PID控制?,PID: Proportional-Integrel-Derivative （比例-积分-微分）,PID控制的原理及结构简单，使用方便；,PID控制的历史悠久，产生于20世纪初，先后有机械式、液动式、气动式、电子式等；,PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（80）。,什么是PID控制?PID: Proportional-In,27,PID控制的结构,比例作用,误差e,积分作用,微分作用,控制量u,比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，如 P控制、PI控制、PD控制、PID控制。,PID控制的结构比例作用误差e积分作用微分作用控制量u 比,28,例：水温调节系统,控制输入：进水口的热水流量与冷水流量之比,受控变量：出水口的水温,控制目标：保持出水温度基本恒定,各种扰动：进水口水温和水压的波动、环境温度变化、用户的用水量变化等,热水,冷水,温热水,调节阀,例：水温调节系统控制输入：进水口的热水流量与冷水流量之比热水,29,水温反馈控制系统,总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，即增大热/冷水流量的比值；反之，若水温偏高，则减小控制输入。,热水,冷水,温热水,调,节,阀,水温检测,控制装置,期望,水温,水温反馈控制系统 总的控制思路：若水温偏低，则增,30,水温调节的比例控制作用,若水温偏低，则水温低得越多，就使控制输入增大得越多；反之，若水温偏高，则水温高得越多，就使控制输入减小得越多。,即控制量的大小大致与偏差成比例。,热水,冷水,温热水,调,节,阀,水温检测,比例控制,期望,水温,水温调节的比例控制作用 若水温偏低，则水温低得越,31,比例控制的特点,比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，可以使输出在有扰动的情况下基本恒定。,比例系数的设置应适当，过小会调节作用太弱，系统变化过于缓慢，并产生较大误差；过大就会调节过头，偏差的一点点变化会对应产生很大的控制作用，容易引起系统输出上下波动，即发生振荡。,比例系数的确定是在响应的快速性与平稳性之间进行折衷。,比例调节基于偏差，不可能完全消除偏差。,比例控制的特点比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，可以使,32,水温调节的积分控制作用,若水温低于期望值，则将输入增大一些，如果还没有达到，就再增大一些，这样一点一点地调节，直到水温合适为止；控制输入包含对偏差的积分，即偏差在时间上的累积，可以最终消除偏差。,热水,冷水,温热水,调,节,阀,水温检测,控制装置,期望,水温,水温调节的积分控制作用 若水温低于期望值，则将输入,33,积分控制的特点,只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制量不断增大或减小，直到偏差为零为止。,积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并不单独使用，原因是积分控制作用比较缓慢。,例如，水温很低，也就是偏差很大，本应该大幅度增大输入量，使水温尽快上升，但若只有积分控制，则输入量只能逐渐增大，水温上升缓慢；而比例作用则是误差越大，控制作用越强。,比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，积分控制只是配合比例控制起作用。,积分控制的特点只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制量不,34,水温调节的微分控制作用,若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用与水温的变化率成正比。,热水,冷水,温热水,调,节,阀,水温检测,控制装置,期望,水温,水温调节的微分控制作用 若扰动使水温开始升高，则应,35,微分控制的特点,微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，刚有变化的趋势，调节作用就开始了，所以微分控制具有“超前”或“预测”的性质，可以及时地抑制水温的变化。,微分控制只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后微分作用对控制量没有影响，所以不能单独使用，一般是和比例、积分作用一起构成PD 或PID调节器。,微分会放大高频噪声信号，且频率越高，放大得越厉害，因此通常要配置一个能够过滤掉高频信号的低通滤波器。,微分控制的特点微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，刚有,36,PID控制的优、缺点,PID控制简单实用，工作原理简单，物理意义清楚，一线的工程师很容易理解和接受。,PID控制的设计和调节参数少，且调整方针明确。,PID控制是一种通用控制方式，广泛应用于各种场合，且不断改进和完善，如偏差小到一定程度才投入积分作用的“积分分离” 控制、能自动计算控制参数的参数自整定PID控制、能随时根据系统状态调整控制参数的自适应或智能型PID控制等。,PID控制是以简单的控制结构来获得相对满意的控制性能，控制效果有限，且对时变、大时滞、多变量系统等常常无能为力。,PID控制的优、缺点 PID控制简单实用，工作原理简单，物理,37,向科学技术要安全，向安全生产要效益。,11月-24,11月-24,Tuesday, November 19, 2024,安全是朵幸福花，合家浇灌美如画。,12:07:21,12:07:21,12:07,11/19/2024 12:07:21 PM,设备巡视莫粗心，运行操作要认真。,11月-24,12:07:21,12:07,Nov-24,19-Nov-24,生活幸福来自安全，人生快乐首当平安。,12:07:21,12:07:21,12:07,Tuesday, November 19, 2024,幸福是颗树，安全是沃土。,11月-24,11月-24,12:07:21,12:07:21,November 19, 2024,安全措施订得细，事故预防有保证。,2024年11月19日,12:07 下午,11月-24,11月-24,聚精会神驾车，万里不出差错，行万里平安路，做百年长乐人。,19 十一月 2024,12:07:21 下午,12:07:21,11月-24,严格遵守操作规程，提高安全生产意识。,十一月 24,12:07 下午,11月-24,12:07,November 19, 2024,精心设计是工程质量的灵魂。,2024/11/19 12:07:21,12:07:21,19 November 2024,坚持专群结合的消防工作原则。,12:07:21 下午,12:07 下午,12:07:21,11月-24,事事有程序，人人守程序。,11月-24,11月-24,12:07,12:07:21,12:07:21,Nov-24,认真细致，高效低耗，追求完美，顾客满意。,2024/11/19 12:07:21,Tuesday, November 19, 2024,百句空言不如一个行动。,11月-24,2024/11/19 12:07:21,11月-24,谢谢大家！,向科学技术要安全，向安全生产要效益。9月-239月-23Fr,38,
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