第一章 自动控制工程及其技术简介

1、自动控制工程基础及应用主讲：汤素丽Email:理论课教材自动控制工程基础及应用 张小惠主编 高等教育出版社技术应用性课程的性质和特点课程的性质和特点l 自动控制是一门技术学科，本书从实际应用出发介绍代表当今自动控制工程领域广泛使用的一些主要技术，如基于PC机的自动化工程。微电子传感器传动控制技术计算机技术电路理论自动控制原理自动控制技术自动控制系统PLC课程的概述课程的概述 必修课l 40个学时l 主要内容自动化和自动控制工程的概念对自动控制系统的基本要求自动控制工程技术和装置简介自动控制工程及其技术的简介传感器和检测装置计算机控制技术传感器的基础知识接近开关及其作用位移检测装置速度传感器温度

2、检测装置压力传感变换器计算机控制系统及其构成串行与并行接口模拟信号输入接口模拟信号输出接口开关信号输入输出通道接口计算机控制中控制规律的实现课程概述 可编程控制器和触摸屏装置 传动和执行机构 自动控制工程实施PLCPLCPLCPLCPLCPLC可编程控制器概况的基本结构及工作原理的技术性能的特点及应用场合的编程编程工具软件的使用程序的编制方法触摸屏装置电气传动机构调速方式与负载类型配合直流电动机速度调节装置三相异步电动机变速调速方式与负载配合变频调速装置液压执行机构气动执行机构自动控制工程的设计步骤控制系统的干扰抑制和冗余配置单机自动控制工程实施系统自动控制工程实施集散控制系统的实施应用自动控

3、制工程中设备的安装及注意事项气动执行机构 l 主要内容教学考核要求l考核：综合出勤、学习态度、课堂表现、作业及期末考试等方面平时占30%、期末考试占70%缺作业达到三分之一及其以上，或随机抽点名缺勤三次以上无考试资格本章教学重点l 理解自动控制工程的基本概念l 掌握反馈控制系统的基本要求l 了解自动控制工程技术和装置简介。 第1章 自动控制工程及其技术简介控制系统的发展史 l经典控制(1935-1950) 空间技术l现代控制(1950-Now) 控制理论 经典控制（ 1935-1950）l 美国 N. Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法 (1922)；l 美国

4、E. Sperry以及C. Mason 研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器 (1929)；现代控制（1950-Now ）l1.1 自动化和自动控制工程的概念 一、自动控制工程的意义 自动化工程主要指自动化系统的方案构思、设计、设备配置、安装调试等实施内容。 意义：借助自动化装置技术，实施对各种设备或生产过程的控制和监视，会大大降低员工的劳动强度、提高生产效率。在高温、剧毒、强辐射等环境中，用自动化装置远距离监控，保障了操作人员的身心安全，它的高精度、高速度、连续性好的特点还有利于提高产品质量。二、传动控制系统构成和基本概念1、首先看一个例子，自动门（a）机械机构图自动门 （b）控制系

5、统图，自动控制有控制器、伺服电动机、传动丝杠、门机构、内外红外线探测器和门开门关位置监视开关自动门的控制过程l当人走进自动门时，红外探测器2会检测到信号送至控制器，控制器气动电动机3带动丝杠正传，门6开启，到达全敞开位置时触及开门限位开关8，控制器接到该信号后，使电动机断电，门处在敞开位置。当人离开红外线探测范围后，控制器经过短暂延迟，反向气动3关门，当门到达全闭位置触及关门限位开关9，电动机断电停止。2、恒温箱自动控制系统控制过程：（1）恒温箱的温度由热电偶转换为对应的电压u2（2）恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号uu1u2 （3）温度偏差信号经电压、功率放

6、大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差达到给定值为止，此时，偏差 u=0, 电机停止转动。系统原理方块图有上述事例可知传动控制系统的构成： （1）被控对象和被控量 （2）控制装置 （3）传动和执行机构 （4）传感器装置自动控制系统组成：由被控对象以及为完成控制任务而配置的控制装置两大部分构成。图1-1 自动控制系统框图 2、自动控制系统的基本概念 被控对象： 是控制系统所控制和操纵的对象，它接受控制量并输出被控量。可以是一套装置或设备，也可以是一个动态过程（被控制的运行状态）。如化工行

7、业中从原料到产品的生产工艺流程。 测量环节： 其作用是检测被控对象的控制量（温度、压力、流量、位移等），并且一般需要转换为标准的电信号（如05V直流电压或010mA直流电流），以便于处理。为了保证控制精度，测量环节应当测量准确，并且牢固、可靠，受环境条件影响小。 比较环节： 其作用是将测量环节的实际输出值与给定量进行比较，求出它们之间的偏差。通常采用的比较元件有差动放大器、电桥、机械的差动装置等。 计算环节： 它是控制装置的核心，决定着控制系统性能的好坏。其作用是根据控制要求，对偏差信号进行各种计算并形成适当的控制作用。校正装置就是可以实现某种“控制规律”的计算环节，从而改善系统的动态、稳态性

8、能。对于复杂的运算可以利用计算机完成。 放大环节： 由于经过计算机处理的信号通常是标准化的弱信号，不能驱动被控对象，因此需要加以放大。放大环节的输出必须有足够的能量，一般需要幅值的放大和功率的放大，才能实现驱动能力。 执行环节： 其作用是产生控制量，直接推动被控对象的控制量发生变化。如电动机、调节阀门等就是执行元件。常用的名词术语常用的名词术语 给定量： 又称为参考输入，是指人为给定的并且要求系统输出量参照变化的外部指令信号。给定量与期望的输出量之间一般存在着物理量纲转换关系。给定量可以是常值，也可以是随时间变化的已知函数或未知函数。 被控量： 又称为输出量，是指被控对象中某个需要被控制的物理

9、量。它与给定量之间存在一定函数关系。 干 扰： 又称为扰动信号，是指由某些因素（外部和内部）引起的、对系统被控量产生不利影响的信号。 反馈： 是系统的输出量从被控量端（输出）经变换、处理到达系统的给定量端（输入）。若是从系统输出端到系统输入端，这种反馈称为主反馈；而其他反馈称为局部反馈。 前向通道： 是从系统的给定量端（输入）到被控量端（输出）所经过的通路。 偏差： 是给定量与反馈量之差。 误差： 是系统输出量的实际值与期望值之差。系统期望值是理想化系统的输出，实际中很难达到。在单位反馈情况下，期望值就是系统的给定量，则误差就等于偏差。 系统： 是一些部件的组合，能完成一定的任务。系统的概念可

10、以应用于抽象的动态现象。一.开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。 开环控制系统二、闭环控制 将系统的被控变量反馈到输入端，并与参考输入相比较，产生一个误差信号加到控制器上使输出改变，从而减少系统误差，到达实现精确控制的目的。闭环控制系统l实际的控制系统按有无反馈作用来界定开环和闭环l反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程l负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小三.开环控制与反馈控制的比较开环优点 :系统结构简单，调试容易，当输入信号和扰动能预先知道时，控制效果较好。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度

11、影响较大，抗干扰能力差。闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高，抗干扰能力强。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。1.2 控制系统的基本要求l一、基本要求l 稳定性 最基本的要求l 准确性（稳态精度）l 快速性与平稳性（动态性能） 1、稳定性l 闭环控制系统在给定值单位作用下的过渡过程曲线如下图（a）（b）（c） , 稳定性是指系统过渡过程曲线呈衰减振荡的形式，最终趋于稳定。（a） c常量其中(a) 稳定，(b)不稳定，(c)临界稳定2、准确性 系统的准确性又可称为系统的稳态精度，它可用系统的稳态误差来表征。 系统的稳态误差可定义

12、为控制系统响应的稳态值与其希望值之差。3、快速性与平稳性 输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。表征系统的动态性能。4、灵敏度系统中元件参数的改变对系统响应的影响，可以用灵敏度来表示。5、抗干扰性 系统的抗干扰性，直接与系统的稳态精度有关，是衡量控制系统品质的一个重要参数。注意：1 不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重；2 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。控制系统的主要性能指标l控制系统在单位阶跃信号下的过渡过程曲线如下图：性能指标l 1、稳定性指标超量超调量指被控量输出的最大值与其稳态值之差与其稳态值之比的百分数，用公式表示如

13、下2、精确性指标稳态误差（静差）用系统给定值与稳定值之差的绝对值表示，其公式如下%max%cccsse sser tc5%l 3、快速性指标控制或调节时间 一般认为，控制时间 是指从信号施加开始到被控量完全进入其稳态值的 或取 误差范围内所需的最短时间。 反映控制系统起始阶段快速性的指标： a、延迟时间 ：指被控量首次达到其稳态值的一半所需的时间stst2%dt 0.5|dc tcttrtb、上升时间 ：指被控量从稳态值的10%上升到90%（对振荡的系统，也可从零到第一次上升到其稳态值）所需的时间。C、峰值时间 ：指被控量超过其稳态值达到第一个峰值所需的时间。上述的三个基本要求和各项性能指标之间，常常相互矛盾，相互制约。 :0.10.9|rc tcc