《自动化控制原理与应用》课件

自动化控制原理与应用by课程概述课程目标掌握自动化控制原理与应用的基本知识和技能，能够分析、设计和调试简单的自动化控制系统。课程内容包括自动化控制的基本概念、典型控制系统、控制系统性能指标、PID控制、现代控制理论等。课程应用将理论知识应用于实际工程问题，并通过实验验证和实际案例分析，加深对自动化控制技术的理解。自动化控制系统的基本组成测量元件测量元件用于检测被控对象的实际状态，并将信号转换为控制器可识别的形式。控制器控制器根据测量元件的反馈信号，发出控制指令，调节执行机构，实现对被控对象的控制。执行机构执行机构根据控制器的指令，对被控对象进行实际操作，例如改变速度、温度或流量。测量元件及其特性传感器将非电量信号转换成电量信号，如温度传感器、压力传感器等。变送器将电信号的量程、精度等进行调整，如电流变送器、电压变送器等。显示仪表将电信号转换成可视化的信息，如压力表、温度计等。执行机构及其特性执行机构的功能将控制信号转换为实际的控制动作，驱动被控对象进行工作。执行机构的分类电动机、液压执行机构、气动执行机构、伺服电机等。执行机构的特性响应速度、精度、功率、可靠性、工作环境适应性等。控制器及其分类1开环控制器开环控制器根据预先设定的程序进行控制，不考虑系统的实际输出。2闭环控制器闭环控制器通过反馈回路不断监测系统的实际输出，并根据误差进行调节。3组合控制器组合控制器将开环和闭环控制相结合，以提高控制系统的性能。反馈控制系统工作原理1设定值期望值2控制器比较误差并发出控制信号3执行机构根据控制信号改变受控对象4测量元件测量受控对象状态5反馈信号将测量值反馈到控制器控制系统传递函数的求解1建立系统模型通过分析系统结构和各元件的特性，建立数学模型，例如微分方程或传递函数。2求解传递函数利用拉普拉斯变换等方法，将系统模型转换为传递函数，以便于分析系统特性。3简化传递函数通过合理近似，对传递函数进行简化，方便后续的分析和计算。控制系统的性能指标3快速性控制系统对输入信号的响应速度2稳定性控制系统在受到扰动后能够保持稳定状态1准确性控制系统输出信号与期望输出信号之间的偏差控制系统的稳定性分析稳定性系统在受到扰动后，能够在有限时间内恢复到平衡状态的能力不稳定性系统在受到扰动后，输出不断发散，无法恢复到平衡状态根轨迹法分析控制系统稳定性1定义根轨迹法是一种图形化分析方法，用于确定闭环系统极点的轨迹，以了解系统稳定性和性能变化。2步骤根轨迹法涉及绘制开环极点和零点，并确定根轨迹分支的渐近线、分离点和交点。3应用根轨迹法可以帮助确定系统稳定性、调节时间、超调量和阻尼比等关键性能指标。频率响应法分析控制系统稳定性频率响应曲线通过对系统输入正弦信号，分析系统输出的幅值和相位随频率的变化，得到频率响应曲线。幅频特性描述系统输出幅值随输入频率变化的特性，反映系统的放大能力和相位滞后。相频特性描述系统输出相位随输入频率变化的特性，反映系统的相位滞后和稳定性。稳定性分析根据频率响应曲线，判断系统是否稳定，并确定系统的带宽、相位裕度和增益裕度。PID控制器的组成及其作用比例控制(P)根据偏差的大小进行调节，比例系数越大，调节速度越快，但容易产生超调。积分控制(I)消除静差，积分系数越大，消除静差速度越快，但容易引起震荡。微分控制(D)预测偏差的变化趋势，微分系数越大，响应速度越快，但容易放大噪声。PID控制器的调校方法1试凑法经验丰富的工程师根据系统特性进行试调2阶跃响应法观察系统对阶跃信号的响应进行调整3频率响应法通过频率特性分析来确定参数PID控制器的参数对控制系统的性能有着重要的影响。常用的调校方法主要有试凑法、阶跃响应法和频率响应法等。试凑法是根据经验和对系统特性的了解进行调整，比较直观但效率较低；阶跃响应法通过观察系统对阶跃信号的响应进行调整，比较简单但需要一定的经验；频率响应法通过频率特性分析来确定参数，比较复杂但精确度较高。自适应控制系统环境变化系统参数变化、环境干扰和负载变化。在线调整通过实时监测和分析来调整控制参数，以适应系统变化。高性能提高系统性能，如精度、稳定性和鲁棒性，以满足不同工况需求。模糊控制系统模糊逻辑模糊控制系统使用模糊逻辑来处理不确定性和不精确的信息，模拟人类的推理过程。模糊集模糊集通过隶属度函数来表示不精确的概念，例如“高温”或“低速”。模糊规则模糊规则描述了输入和输出之间的关系，例如“如果温度很高，则降低速度”。神经网络控制系统1自适应学习神经网络可以通过学习数据来调整自身的参数，实现对系统动态变化的适应。2非线性建模神经网络能够处理非线性系统，克服传统控制方法在处理复杂系统方面的局限性。3鲁棒性强神经网络控制系统对噪声和扰动具有较强的鲁棒性，能够提高系统的稳定性和可靠性。分布式控制系统多个控制器协同工作，每个控制器负责控制部分设备。每个控制器独立运行，相互之间通过网络通信。提高系统可靠性和可扩展性，并降低成本。可编程逻辑控制器的结构与功能中央处理单元(CPU)负责执行控制程序，并根据输入信号进行逻辑运算和控制输出。输入/输出(I/O)模块用于连接传感器、执行机构和其他外设，并接收来自外部的信号。存储器用于存储控制程序、数据和状态信息，包括用户程序和系统程序。通信接口用于与其他设备进行数据交换和通信，如上位机、网络和现场总线。阶梯图编程技术1顺序执行按照顺序执行指令2分支控制根据条件选择执行路径3循环控制重复执行指令工业现场总线技术定义与特点工业现场总线是用于工厂自动化系统中设备之间通信的标准化接口。它提供了一种可靠、高效的通信方式，支持数据共享和控制功能。类型与标准常见的工业现场总线类型包括：PROFIBUS、CANopen、Modbus、Ethernet/IP等。它们遵循不同的协议标准，适应不同的应用场景。现场总线在自动化系统中的应用1提高生产效率减少布线工作量，缩短调试时间，提升生产效率。2增强系统灵活性简化系统扩展，适应生产需求变化，提高系统适应性。3降低系统成本减少布线材料和安装成本，降低系统维护成本。4提升系统可靠性减少故障点，增强系统抗干扰能力，提升系统可靠性。工业以太网技术在自动化系统中的应用高速数据传输工业以太网能够以高带宽和低延迟传输大量数据，满足实时控制和数据采集需求。可靠性工业以太网协议经过优化，具有抗干扰能力，确保数据传输的可靠性，适合工业环境。易于扩展工业以太网采用标准化协议，易于扩展和集成，可满足各种自动化系统的需求。国内外工厂自动化发展现状中国工厂自动化水平不断提升，但与欧美国家相比仍有差距。智能制造与工业4.0自动化实现生产过程的自动化，提高生产效率和产品质量。数据驱动利用数据分析和预测模型优化生产流程，提高决策效率。人机协作融合人机交互技术，实现人与机器的协同工作，提高生产效率。数字孪生技术在自动化系统中的应用1优化设计数字孪生可用于模拟和测试自动化系统的设计，优化性能和可靠性。2预测性维护通过分析数字孪生模型，可以预测自动化系统潜在的故障并进行提前维护。3提高效率数字孪生可以帮助识别和消除自动化系统中的瓶颈，提高生产效率和资源利用率。工业机器人技术在自动化系统中的应用提高生产效率工业机器人可以执行重复性的工作，释放人力资源，提高生产效率。提升产品质量工业机器人可以确保生产过程的一致性和精度，从而提高产品质量。保障安全生产在危险或恶劣的工作环境中，工业机器人可以代替人工，保障安全生产。自动化系统可靠性与安全性分析3关键因素故障率、MTBF、MTTR2安全标准IEC61508、IEC615111分析方法FTA、HAZOP、FMEA自动化系统维护与故障诊断1定期维护包括定期检查、清洁、润滑和更换易损件，以确保系统处于最佳工作状态。2故障诊断通过分析系统运行数据、故障现象和传感器信息，识别故障原因。3故障排除根据故障诊断结果，采取相应的措施进行故障排除，并确保系统恢复正常运行。4数据分析收集系统运行数据，进行数据分析，识别潜在的故障趋势和风险，并采取预