自动化技术与控制系统作业指导书

自动化技术与控制系统作业指导书TOC\o"1-2"\h\u13002第1章绪论 424301.1自动化技术概述 4233041.2控制系统发展历程 459981.3自动化技术与控制系统的关系 531068第2章控制系统数学模型 5203832.1线性连续系统数学模型 5216042.1.1微分方程模型 5318342.1.2传递函数模型 5150662.2线性离散系统数学模型 542592.2.1差分方程模型 5322852.2.2脉冲响应模型 6166702.3非线性系统数学模型 635802.3.1非线性微分方程模型 6320522.3.2非线性差分方程模型 6101792.3.3非线性变换模型 64702第3章控制系统分析 6232693.1稳定性分析 6211783.1.1线性系统稳定性分析 6306423.1.2非线性系统稳定性分析 685333.2可控性与可观性分析 7248243.2.1可控性分析 766173.2.2可观性分析 7162653.3鲁棒性分析 7303253.3.1鲁棒稳定性分析 7202063.3.2鲁棒功能分析 7118343.3.3鲁棒控制策略设计 729917第4章控制系统设计 7223494.1经典控制设计方法 784854.1.1负反馈控制设计 7295834.1.2频率响应设计 887504.1.3状态空间设计 8173284.2现代控制设计方法 8149074.2.1线性二次型最优控制 8235054.2.2模型预测控制 8256254.2.3鲁棒控制 8199884.3智能控制设计方法 8271004.3.1模糊控制 889084.3.2神经网络控制 8181284.3.3遗传算法优化控制 821304第5章传感器与执行器 9219765.1传感器概述 9253105.2常用传感器及其特性 960885.2.1电阻式传感器 9217705.2.2电容式传感器 9310975.2.3电感式传感器 9263645.2.4压电式传感器 9326895.3执行器概述 9319435.4常用执行器及其应用 9120515.4.1电动执行器 9240535.4.2气动执行器 10308915.4.3液压执行器 1021485.4.4电磁执行器 10306845.4.5超声波执行器 1021243第6章电气控制系统 10298796.1电气控制元件 10100296.1.1元件概述 10302066.1.2常用电气控制元件 1039356.2电气控制电路设计 10185396.2.1设计原则 1024766.2.2设计步骤 11196916.2.3设计实例 11188446.3电气控制系统故障分析与维修 11117556.3.1故障分析方法 11104446.3.2常见故障分析 11235376.3.3维修流程与注意事项 11178156.3.4维修实例 1129716第7章可编程逻辑控制器（PLC） 1121107.1PLC概述 1118067.1.1PLC的定义 11189817.1.2PLC的发展历程 11117707.1.3PLC的特点 12307487.2PLC编程语言与编程方法 125177.2.1PLC编程语言 1240467.2.2PLC编程方法 12303577.3PLC控制系统设计与应用 1266047.3.1PLC控制系统设计 13209137.3.2PLC应用案例 133281第8章自动化仪表 1373518.1自动化仪表概述 13113048.2常用自动化仪表及其特性 13306188.2.1压力仪表 13169998.2.2流量仪表 13192658.2.3温度仪表 14253078.2.4物位仪表 14316868.3自动化仪表系统设计 14284928.3.1设计原则 144078.3.2设计步骤 14197268.3.3设计注意事项 1418642第9章工业控制网络 14193249.1工业控制网络概述 14287539.2现场总线技术 1539099.2.1现场总线的基本概念 1536499.2.2现场总线的体系结构 15126029.2.3常用现场总线技术 1536369.2.3.1Profibus 15298279.2.3.2FoundationFieldbus 1574439.2.3.3CAN 15223599.2.3.4LonWorks 15310729.2.4现场总线技术的应用与发展趋势 1568379.3工业以太网技术 15293379.3.1工业以太网的基本概念 151779.3.2工业以太网的体系结构 15309229.3.3工业以太网的关键技术 15159499.3.3.1实时性 15259939.3.3.2可靠性 15176589.3.3.3安全性 15127819.3.4工业以太网标准与协议 15269269.3.4.1IEEE802.3 15105749.3.4.2EtherCAT 15222039.3.4.3Profinet 15263019.3.4.4Ethernet/IP 1522489.3.5工业以太网技术的应用与发展趋势 1570739.4工业控制网络应用案例 15272889.4.1汽车制造生产线控制系统 16204459.4.2石化企业分布式控制系统 16121649.4.3电力系统自动化控制系统 1641899.4.4智能交通监控系统 1691739.4.5环保监测与控制系统 1626385第10章自动化控制系统应用案例 16137810.1流体控制系统 16398310.1.1概述 161077710.1.2流体控制系统的关键技术与设备 161381410.1.3应用案例 161123210.2控制系统 161479710.2.1控制系统的基本原理 161957010.2.2常见控制算法 163198510.2.3应用案例 16643110.3制造执行系统（MES） 161812210.3.1制造执行系统概述 162191410.3.2制造执行系统的核心功能 171802110.3.3应用案例 171184110.4智能交通控制系统 172103110.4.1智能交通控制系统概述 173007310.4.2智能交通控制系统的关键技术 171488910.4.3应用案例 17第1章绪论1.1自动化技术概述自动化技术是指利用一定的设备、装置和系统，对生产过程、科学研究、管理活动等进行控制、测量、监控和优化的一种技术。它涉及多个学科领域，如机械、电子、计算机、控制理论等。自动化技术的出现和发展，为提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、改善劳动条件以及减轻劳动强度提供了有力保障。在当今社会，自动化技术已广泛应用于各个行业，成为推动社会进步和经济发展的关键因素。1.2控制系统发展历程控制系统的发展历程可以分为以下几个阶段：（1）手动控制阶段：早期人类在生产实践中，通过直接操作机器和设备来实现生产过程的控制。这种方式效率低、劳动强度大，且容易受到主观因素影响。（2）机械化控制阶段：机械工业的发展，出现了以机械为主的控制系统。这一阶段的控制系统主要依靠机械装置来完成信号的传递、放大和处理，但仍然存在一定的局限性。（3）电气控制阶段：19世纪末至20世纪初，电力电子技术的迅速发展，使得电气控制系统逐渐取代了机械化控制系统。这一阶段的控制系统以电磁继电器、接触器等电气元件为核心，实现了信号的传递、放大、逻辑运算等功能。（4）模拟控制阶段：20世纪40年代至50年代，模拟电子技术和控制理论的发展，催生了模拟控制系统。模拟控制系统采用模拟电子元件，如运算放大器、滤波器等，实现对生产过程的连续控制。（5）数字控制阶段：20世纪60年代以来，计算机技术的快速发展，使得数字控制系统逐渐取代了模拟控制系统。数字控制系统具有更高的精度、可靠性和灵活性，可以实现对复杂生产过程的精确控制。1.3自动化技术与控制系统的关系自动化技术是控制系统发展的基础和核心，控制系统是自动化技术在各个领域的具体应用。两者之间的关系主要体现在以下几个方面：（1）控制理论是自动化技术的基础：自动化技术的发展离不开控制理论的指导，控制理论为自动化技术提供了理论依据和方法支持。（2）控制系统是实现自动化技术目标的关键：自动化技术的目标是通过控制系统实现对生产过程的高效、精确控制，从而提高生产效率、保证产品质量。（3）自动化技术与控制系统相互促进：自动化技术的发展推动了控制系统的进步，而控制系统的优化和升级又为自动化技术的应用提供了更广阔的空间。（4）自动化技术与控制系统共同服务于各个行业：在工业、农业、医疗、交通等领域，自动化技术与控制系统发挥着重要作用，为人类社会的进步和发展做出了巨大贡献。第2章控制系统数学模型2.1线性连续系统数学模型2.1.1微分方程模型线性连续系统通常可以用微分方程来描述。一般形式如下：\[\sum_{i=0}^{n}a_i\frac{d^iy(t)}{dt^i}=\sum_{j=0}^{m}b_j\frac{d^jx(t)}{dt^j}\]其中，\(y(t)\)表示系统输出，\(x(t)\)表示系统输入，\(a_i\)和\(b_j\)是常数。2.1.2传递函数模型传递函数是描述线性连续系统动态特性的另一种数学工具。传递函数\(G(s)\)定义为系统输出\(Y(s)\)与输入\(X(s)\)的拉普拉斯变换之比：\[G(s)=\frac{Y(s)}{X(s)}\]2.2线性离散系统数学模型2.2.1差分方程模型线性离散系统通常可以用差分方程来描述。一般形式如下：\[\sum_{k=0}^{N}a_ky[nk]=\sum_{l=0}^{M}b_lx[nl]\]其中，\(y[n]\)表示系统在第\(n\)时刻的输出，\(x[n]\)表示系统在第\(n\)时刻的输入，\(a_k\)和\(b_l\)是常数。2.2.2脉冲响应模型脉冲响应是指当输入为单位脉冲时，系统输出的序列。线性离散系统的脉冲响应\(h[n]\)可以用来表示系统特性。2.3非线性系统数学模型2.3.1非线性微分方程模型非线性系统通常采用非线性微分方程来描述，其一般形式为：\[F\left(\frac{dy(t)}{dt},y(t),x(t),t\right)=0\]其中，\(F\)是关于微分项、状态变量、输入和时间的非线性函数。2.3.2非线性差分方程模型对于离散时间非线性系统，可以使用非线性差分方程来描述。一般形式如下：\[F\left(y[n],x[n],n\right)=0\]其中，\(F\)是关于状态变量、输入和时间的非线性函数。2.3.3非线性变换模型非线性系统还可以通过非线性变换方法来建模。这些方法包括哈密顿系统、李雅普诺夫方法等，以解决系统的稳定性和动态特性问题。第3章控制系统分析3.1稳定性分析稳定性是评价控制系统功能的重要指标，本章首先对控制系统的稳定性进行分析。稳定性分析主要包括线性系统稳定性分析和非线性系统稳定性分析两个方面。3.1.1线性系统稳定性分析线性系统稳定性分析主要包括劳斯赫尔维茨稳定性准则、奈奎斯特稳定性准则和伯德稳定性准则。通过对系统特征方程的根进行分析，判断系统稳定性。3.1.2非线性系统稳定性分析非线性系统稳定性分析主要采用李雅普诺夫稳定性理论。通过对系统状态方程和输出方程进行线性化处理，构建李雅普诺夫函数，进而分析系统的稳定性。3.2可控性与可观性分析可控性和可观性是控制系统设计和实现的两个基本要求。本节主要分析线性系统的可控性和可观性。3.2.1可控性分析可控性分析旨在研究系统状态是否可以通过控制输入进行有效调节。基于可控性矩阵的行列式判据和卡尔曼秩判据，对线性系统的可控性进行判断。3.2.2可观性分析可观性分析关注系统状态是否可以通过输出进行准确观测。利用可观性矩阵的行列式判据和卡尔曼秩判据，对线性系统的可观性进行分析。3.3鲁棒性分析鲁棒性分析是控制系统设计中的环节，主要研究系统在不确定性和外部干扰影响下的功能表现。3.3.1鲁棒稳定性分析鲁棒稳定性分析关注系统在参数摄动和外部干扰作用下，是否仍然保持稳定。采用小增益定理、奇异值分解等方法，对系统的鲁棒稳定性进行评估。3.3.2鲁棒功能分析鲁棒功能分析旨在研究系统在不确定性和外部干扰影响下的功能表现。通过H∞控制和μ综合方法，对系统功能进行优化，保证在不利条件下仍具有良好的功能。3.3.3鲁棒控制策略设计针对控制系统中的不确定性和外部干扰，本节介绍了几种常见的鲁棒控制策略，如PID控制、滑模控制、自适应控制等。通过设计相应的控制律，提高系统在不确定性因素下的稳定性和功能。（本章完）第4章控制系统设计4.1经典控制设计方法4.1.1负反馈控制设计经典控制设计方法主要基于负反馈原理。本节将介绍比例（P）、积分（I）、微分（D）控制器的原理与设计方法。通过合理的参数调整，实现对系统的稳定性、快速性及稳态误差的优化。4.1.2频率响应设计频率响应设计方法以伯德图、奈奎斯特图等工具为基础，通过分析系统的开环频率特性，设计满足功能要求的控制器。本节将阐述如何运用频率响应法进行控制系统设计。4.1.3状态空间设计状态空间设计方法将系统状态、输入和输出表示为向量，通过建立状态空间模型进行控制器设计。本节将介绍状态空间设计的基本理论及方法。4.2现代控制设计方法4.2.1线性二次型最优控制线性二次型最优控制（LQR）是一种以系统状态和控制输入的二次型功能指标为目标，求解最优控制策略的方法。本节将详细阐述LQR的设计原理及实施步骤。4.2.2模型预测控制模型预测控制（MPC）是一种基于系统模型的预测、优化和反馈控制方法。本节将介绍MPC的基本原理、算法及其在控制系统设计中的应用。4.2.3鲁棒控制鲁棒控制设计旨在使控制系统在面对模型不确定性、外部干扰等因素时仍能保持稳定性和功能。本节将讨论H∞控制、μ综合等鲁棒控制方法。4.3智能控制设计方法4.3.1模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，适用于处理具有不确定性和非线性特性的系统。本节将介绍模糊控制器的设计原理、结构及其应用。4.3.2神经网络控制神经网络控制利用神经网络的学习能力、自适应性和并行处理能力进行控制系统设计。本节将讨论神经网络控制器的设计方法及其在自动化系统中的应用。4.3.3遗传算法优化控制遗传算法优化控制通过模拟生物进化过程，优化控制器的参数。本节将阐述遗传算法在控制系统参数优化中的应用及实施步骤。通过本章的学习，读者将对控制系统设计方法有更深入的了解，为实际工程应用提供理论支持。第5章传感器与执行器5.1传感器概述传感器作为自动化技术中的关键组成部分，其功能是检测、感知并转换物理量为可处理的电信号。传感器的选择和合理应用对于整个控制系统的功能具有重大影响。本章将介绍传感器的基本概念、分类及其在自动化系统中的作用。5.2常用传感器及其特性5.2.1电阻式传感器电阻式传感器主要包括热电阻、光敏电阻和力敏电阻等。这类传感器通过电阻值的变化来反映被测物理量的变化。其特点为灵敏度高、输出信号大，但线性范围较窄，易受温度、湿度等环境因素的影响。5.2.2电容式传感器电容式传感器利用电容量与被测物理量之间的关系进行测量。常见的电容式传感器有压力传感器、湿度传感器等。这类传感器具有响应速度快、精度高、输出信号稳定等特点。5.2.3电感式传感器电感式传感器是基于电感系数的变化来实现物理量测量的。常见的电感式传感器有位移传感器、速度传感器等。这类传感器具有较高的线性度、抗干扰能力强、工作温度范围宽等优点。5.2.4压电式传感器压电式传感器利用压电材料的压电效应，将压力、加速度等物理量转换为电信号。这类传感器具有体积小、重量轻、响应速度快、灵敏度高等特点。5.3执行器概述执行器是自动化控制系统的另一重要组成部分，其功能是根据控制信号对被控对象进行调节和控制。本章将介绍执行器的基本概念、分类及其在自动化系统中的应用。5.4常用执行器及其应用5.4.1电动执行器电动执行器主要包括电动机和驱动器两部分，广泛应用于各种自动化设备中。根据电动机类型的不同，可分为直流电动机、交流电动机和步进电动机等。电动执行器的优点是控制简单、运行稳定，适用于各种工业控制场合。5.4.2气动执行器气动执行器利用压缩空气作为动力源，通过气动元件实现各种控制功能。常见的气动执行器有气缸、气动阀等。气动执行器的优点是响应速度快、结构简单、成本低，但受气压波动影响较大。5.4.3液压执行器液压执行器利用液体传递压力，实现各种控制动作。这类执行器具有输出力大、运行平稳、易于实现精确控制等优点，但系统复杂、成本较高。5.4.4电磁执行器电磁执行器利用电磁力实现控制动作，如电磁阀、电磁铁等。这类执行器具有响应速度快、控制简单、无污染等优点，广泛应用于各种自动化设备中。5.4.5超声波执行器超声波执行器利用超声波传递能量，实现远距离控制。这类执行器具有结构简单、无机械磨损、易于实现非接触式控制等优点，适用于特殊环境下的自动化控制。第6章电气控制系统6.1电气控制元件6.1.1元件概述电气控制元件是电气控制系统中的基本组成部分，主要包括开关元件、保护元件、执行元件、控制元件和信号元件等。各类元件相互配合，共同完成电气控制系统的各项功能。6.1.2常用电气控制元件本节主要介绍常用的电气控制元件，包括接触器、继电器、断路器、熔断器、按钮、行程开关、电磁铁等，并对各元件的原理、结构、选用原则及应用进行详细阐述。6.2电气控制电路设计6.2.1设计原则电气控制电路设计应遵循可靠性、安全性、经济性、操作简便性和维修方便性等原则。设计过程中需充分考虑实际需求，保证控制系统稳定可靠。6.2.2设计步骤本节详细阐述电气控制电路设计的步骤，包括需求分析、方案设计、元件选型、电路绘制、仿真测试和现场调试等。6.2.3设计实例通过具体实例，介绍电气控制电路的设计过程，包括控制要求分析、元件选型、电路图绘制及调试等。6.3电气控制系统故障分析与维修6.3.1故障分析方法本节介绍电气控制系统故障分析的方法，包括直观检查法、逻辑分析法、等效替换法、参数测量法等，并分析各种方法的优缺点及适用场合。6.3.2常见故障分析针对电气控制系统中常见的故障，如接触不良、元件损坏、电路短路、过载等，进行原因分析，并提出相应的解决措施。6.3.3维修流程与注意事项介绍电气控制系统维修的流程，包括故障排查、维修方案制定、元件更换、调试等环节。同时强调维修过程中的安全注意事项，保证维修工作的顺利进行。6.3.4维修实例通过具体实例，介绍电气控制系统的故障维修过程，包括故障现象、原因分析、维修方法和维修效果等。第7章可编程逻辑控制器（PLC）7.1PLC概述7.1.1PLC的定义可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是一种广泛应用于工业控制领域的数字运算控制器，其主要功能是通过用户编程实现对生产过程中各种机械设备和生产过程的监控与控制。7.1.2PLC的发展历程自20世纪60年代美国推出第一台PLC以来，PLC技术得到了迅速发展。微电子技术、计算机技术及通信技术的不断进步，PLC在工业控制领域的地位日益重要，已成为现代自动化控制系统的重要组成部分。7.1.3PLC的特点（1）高可靠性：采用模块化设计，抗干扰能力强，能在恶劣环境下稳定工作。（2）编程方便：采用直观的编程语言，便于用户理解和掌握。（3）扩展功能好：可根据实际需求，方便地增加输入/输出模块、通讯模块等功能模块。（4）维护成本低：故障率低，维修方便，有利于降低企业生产成本。7.2PLC编程语言与编程方法7.2.1PLC编程语言（1）梯形图（LadderDiagram，简称LD）：是最常用的PLC编程语言，其表示方式与电气原理图类似，易于理解和掌握。（2）指令表（InstructionList，简称IL）：采用指令助记符进行编程，对编程人员的专业知识要求较高。（3）功能块图（FunctionBlockDiagram，简称FBD）：采用图形化的编程方式，便于表示复杂的逻辑关系。（4）顺序功能图（SequentialFunctionChart，简称SFC）：主要用于描述系统的顺序控制过程。（5）结构化文本（StructuredText，简称ST）：采用高级编程语言的形式，适用于复杂的算法处理。7.2.2PLC编程方法（1）逻辑设计：根据控制系统的需求，设计出相应的逻辑关系。（2）编程：采用相应的编程语言，将逻辑关系转化为程序代码。（3）调试：在PLC硬件平台上，对编写好的程序进行调试，保证程序的正确性。（4）运行与维护：将调试合格的程序应用于实际生产过程，定期对程序进行检查和维护。7.3PLC控制系统设计与应用7.3.1PLC控制系统设计（1）确定系统需求：分析控制对象，明确控制系统的功能和功能指标。（2）选择PLC型号：根据系统需求，选择合适的PLC型号。（3）设计输入/输出模块：根据控制对象，设计输入/输出信号的数量和类型。（4）编写程序：采用合适的编程语言，编写控制系统程序。（5）系统调试：在PLC硬件平台上，对控制系统进行调试，保证控制效果满足要求。7.3.2PLC应用案例（1）生产线自动控制：PLC在生产线中，实现对各种设备的自动控制，提高生产效率。（2）楼宇自动化：PLC在楼宇自动化系统中，实现对照明、空调、电梯等设备的控制。（3）水处理系统：PLC在污水处理、给水处理等领域，实现对各种设备的自动控制，保证水处理效果。（4）电力系统：PLC在电力系统中，实现对发电机、变压器等设备的监控与保护。第8章自动化仪表8.1自动化仪表概述自动化仪表是自动化技术与控制系统中不可或缺的组成部分，主要负责对工业生产过程中各种物理量进行检测、显示、控制及传输。它涵盖了各种传感器、执行器、变送器、控制器等设备，为工业生产过程的自动化提供了重要保障。本章节主要介绍自动化仪表的基本概念、分类及其在自动化系统中的应用。8.2常用自动化仪表及其特性8.2.1压力仪表压力仪表主要用于测量流体介质中的压力，常见的有弹性式压力表、电测式压力表等。其特性包括：准确度高、稳定性好、抗干扰能力强、适用范围广等。8.2.2流量仪表流量仪表用于测量流体介质的流量，包括电磁流量计、涡街流量计、质量流量计等。其特性为：测量准确、响应速度快、可靠性高、易于安装和维护等。8.2.3温度仪表温度仪表主要用于测量物体温度，包括热电阻、热电偶、红外测温仪等。其特性包括：测量范围宽、准确度高、响应时间短、抗干扰能力强等。8.2.4物位仪表物位仪表用于测量容器内物料的高度或液位，如超声波物位计、雷达物位计等。其特性为：测量准确、适用范围广、抗干扰能力强、安装方便等。8.3自动化仪表系统设计8.3.1设计原则（1）保证系统安全、可靠、经济、环保；（2）满足生产工艺要求，提高生产效率；（3）便于操作、维护和管理；（4）充分考虑现场环境、设备功能、设备兼容性等因素。8.3.2设计步骤（1）确定仪表类型、规格及数量；（2）确定仪表安装位置及布局；（3）选择合适的仪表连接方式及电缆；（4）设计仪表供电、信号传输及控制系统；（5）对系统进行调试、验收和投运。8.3.3设计注意事项（1）遵循相关标准和规范，保证设计合理；（2）考虑设备运行过程中的磨损、老化等因素，合理选型；（3）重视系统防雷、防腐、防爆等安全措施；（4）优化系统功能，提高自动化程度。通过以上内容，本章对自动化仪表的基本概念、常用仪表及其特性以及自动化仪表系统设计进行了详细阐述，为后续的工程实践提供了理论指导。第9章工业控制网络9.1工业控制网络概述工业控制网络是现代工业自动化控制系统中的重要组成部分，主要负责实现各种控制设备、仪器和系统之间的信息交换与数据通信。本章主要介绍工业控制网络的体系结构、特点、发展历程以及在我国的应用现状。9.2现场总线技术现场总线技术是工业控制网络的核心技术之一，它将控制设备与被控设备通过总线连接起来，实现数据的高速、可靠传输。本节主要介绍以下内容：9.2.1现场总线的基本概念9.2.2现场总线的体系结构9.2.3常用现场总线技术9.2.3.1