《自动化控制系统》课件

自动化控制系统自动化控制系统概述定义自动化控制系统是指通过使用传感器、执行器、控制器等自动化设备，实现对工业生产过程或其他系统的自动控制。目标提高生产效率、产品质量和安全性，降低生产成本，改善劳动条件，实现无人化或少人化生产。应用领域广泛应用于工业制造、能源、交通、农业、环境保护、航空航天、医疗等各个领域。自动化控制系统的基本组成传感器传感器是自动化控制系统中的“眼睛”，负责感知被控对象的各种参数，例如温度、压力、流量、位置等。控制器控制器是自动化控制系统的“大脑”，根据传感器的反馈信号，计算出控制指令，并向执行机构发出控制信号。执行机构执行机构是自动化控制系统的“手脚”，负责执行控制指令，改变被控对象的运行状态，例如电机、阀门、气缸等。信号的检测和转换1传感器将物理量转换为电信号2信号调理放大、滤波、线性化等处理3转换器将电信号转换为控制系统可接受的格式信号检测和转换是自动化控制系统中的关键环节，它负责将物理量转换为控制系统可以识别的信号，并对信号进行处理和转换，从而使控制系统能够对被控对象进行准确的控制。传感器的类型和工作原理1温度传感器温度传感器用于测量温度，常见类型包括热电偶、热电阻、热敏电阻等。它们利用材料的电阻、电压或电流随温度变化的特性来测量温度。2压力传感器压力传感器用于测量压力，常见类型包括应变式压力传感器、压阻式压力传感器等。它们利用材料的变形或电阻随压力变化的特性来测量压力。3位移传感器位移传感器用于测量物体位置或位移，常见类型包括电位器、电感式位移传感器、光电式位移传感器等。它们利用电位器阻值、电感或光束变化来测量位移。4速度传感器速度传感器用于测量物体速度，常见类型包括霍尔传感器、磁阻式速度传感器等。它们利用磁场变化或电阻变化来测量速度。执行机构的作用和结构作用执行机构是自动化控制系统中的重要组成部分，它将控制信号转换为实际的物理动作，实现对被控对象的控制。例如，在工业生产线上，执行机构可以控制电机转动、液压缸运动、阀门开闭等动作，最终完成物料搬运、加工、包装等任务。结构执行机构通常由以下几个部分组成：驱动部件：提供执行机构所需的动力，常见类型包括电机、液压缸、气缸等。传动机构：将驱动部件的动力传递给执行机构的输出端，常见类型包括齿轮、链条、皮带等。执行机构本体：完成实际执行动作的部分，例如电机轴、液压缸活塞杆、阀门阀芯等。反馈机构：将执行机构的实际输出状态反馈给控制器，用于闭环控制。驱动部件的类型和选择电动机电动机是驱动部件中最常用的类型。它们具有功率范围广、效率高、易于控制等优点，适用于各种自动化控制系统。气动执行器气动执行器使用压缩空气作为动力源，具有成本低、结构简单、响应速度快等特点，常用于需要快速动作的应用场景。液压执行器液压执行器以液压油作为动力源，具有力量大、精度高、动作平稳等特点，适用于需要高负载和高精度的应用场景。控制器的功能和种类控制器功能控制器是自动化控制系统的核心，负责接收来自传感器的信号，并根据设定值和控制算法生成控制信号，最终控制执行机构的动作。控制器主要功能包括：信号处理和运算控制算法实现设定值设定和调整控制参数设置系统状态监控和报警控制器种类控制器种类繁多，可以根据不同的分类标准进行划分，常见的分类包括：模拟控制器：主要用于处理模拟信号，应用于较为传统的控制系统。数字控制器：主要用于处理数字信号，应用于现代化的自动化控制系统，具有更高的精度、灵活性以及可靠性。可编程控制器（PLC）：是一种专门为工业控制而设计的数字控制器，具有强大的功能和灵活的编程能力。分布式控制系统（DCS）：是将多个控制器分散在不同的地点，通过网络连接，实现对整个系统的控制。PLC的基本结构和工作原理输入/输出模块输入模块接收来自传感器或其他设备的信号，并将其转换为PLC可识别的数字信号。输出模块则将PLC的数字信号转换为控制执行机构所需的信号，例如电压、电流或气动信号。中央处理器(CPU)CPU是PLC的核心，负责处理来自输入模块的信号，执行用户编写的程序，并向输出模块发送控制指令。存储器模块存储器模块用于存储用户编写的程序、控制数据、系统参数以及其他信息。PLC通常使用多种类型的存储器，例如RAM、ROM和EEPROM。编程软件PLC的编程软件用于创建、调试和维护PLC程序。通常使用梯形图(LadderDiagram)或指令列表(InstructionList)等编程语言来编写PLC程序。可编程控制器的应用领域工业自动化PLC广泛应用于各种工业自动化领域，包括生产线控制、机器人控制、过程控制、物流自动化等。楼宇自动化PLC在楼宇自动化系统中用于控制照明、空调、电梯、安防等，提高楼宇的舒适性和安全性。交通控制PLC应用于交通信号灯控制、交通流量监测、停车场管理等，提高交通效率和安全性。机器人控制PLC是机器人控制系统的重要组成部分，用于控制机器人的运动、动作和功能。工业现场总线技术概述工业现场总线技术是现代自动化控制系统的重要组成部分，它在工厂自动化、过程控制等领域得到广泛应用。现场总线技术可以实现不同设备之间的通信，提高数据传输效率，简化系统结构，降低成本，并为系统提供更灵活的扩展能力。特点高带宽低延迟高可靠性实时性应用过程控制机器控制数据采集远程监控工业现场总线的分类和特点现场总线分类工业现场总线按其通信协议可分为以下几类：-基于**IEC61158**标准的现场总线，例如**Profibus**、**Profinet**和**DeviceNet**。-基于**以太网**技术的现场总线，例如**EtherCAT**、**Ethernet/IP**和**ModbusTCP**。现场总线特点工业现场总线具有以下特点：-高速通信，可实现实时数据传输。-灵活组网，可根据实际需求灵活配置。-低成本，降低系统建设成本。-可靠性高，确保系统稳定运行。Profibus总线系统Profibus（ProcessFieldbus）是德国西门子公司于1989年推出的现场总线标准，是世界上应用最广泛的现场总线之一。Profibus是一种开放的、基于令牌总线访问方法的现场总线系统，支持多种通信协议和数据传输速率，可用于各种自动化应用场景。Profibus主要特点包括：支持多种通信协议，包括ProfibusDP、ProfibusFMS和ProfibusPA，可满足不同应用场景的需求。支持多种数据传输速率，从9.6kbps到12Mbps，可根据实际情况选择最佳的速率。具有高度的可靠性，采用循环冗余校验（CRC）和错误检测机制，确保数据的完整性和准确性。易于安装和维护，使用标准化的连接器和接口，简化了系统配置和调试。具有良好的互操作性，支持不同厂商设备的互联互通，扩展了系统应用范围。Profinet总线系统Profinet是一种基于以太网的工业现场总线，它结合了以太网的高带宽、高速度和TCP/IP协议的灵活性和开放性，为工业自动化提供了高效可靠的通信解决方案。Profinet总线系统广泛应用于工厂自动化、过程自动化、机床控制等领域。Profinet总线系统具有以下特点：高带宽和高速传输，支持实时数据传输基于标准以太网协议，易于集成和扩展支持多种通信模式，包括循环数据传输和非循环数据传输提供丰富的诊断功能，方便故障检测和排除支持多种设备类型，包括PLC、传感器、执行器等DeviceNet总线系统DeviceNet是一种基于CAN总线的现场总线，由Allen-Bradley公司开发，广泛应用于自动化领域。它以其开放性、可靠性和易用性而闻名。DeviceNet使用CAN协议作为其物理层和数据链路层，保证了数据传输的可靠性和实时性。DeviceNet支持各种设备类型，包括传感器、执行器、控制器和人机界面，并提供灵活的网络拓扑结构。DeviceNet具有低成本、易于安装和维护的优势，并提供强大的诊断功能。EtherCAT总线系统EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一种实时以太网协议，专门为自动化应用而设计。它具有以下特点：高带宽和低延迟：EtherCAT能够在高带宽下实现低延迟的实时通信，满足工业自动化系统对实时性的要求。高效率和低成本：EtherCAT通过数据链路层上的循环冗余校验(CRC)来确保数据传输的完整性和可靠性，从而降低了成本。灵活性和可扩展性：EtherCAT支持多种拓扑结构，如线型、环型、星型等，可以根据不同的应用场景进行灵活配置。EtherCAT广泛应用于工业自动化领域，例如机器人控制、运动控制、过程控制、机床控制等。闭环控制系统的基本原理什么是闭环控制系统？闭环控制系统是一种通过反馈机制实现对被控对象的自动控制的系统。它将被控对象的输出量反馈到控制器，并与设定值进行比较，产生误差信号，然后通过执行机构来调节被控对象的输入量，从而使被控对象输出量趋近于设定值。闭环控制系统的组成被控对象：需要控制的目标对象控制器：接受反馈信号，并根据设定值生成控制信号执行机构：执行控制器的指令，改变被控对象的输入量传感器：测量被控对象的输出量，并将测量值转换成信号反馈给控制器闭环控制系统的特点精确性：通过反馈机制，可以有效地减小误差，提高控制精度稳定性：反馈机制可以抑制干扰，提高系统的稳定性自适应性：通过调整控制参数，可以使系统适应不同的工作环境反馈控制系统的性能指标稳定性指系统在受到扰动后，能否最终恢复到稳定状态。这是控制系统最重要的性能指标，保证系统不会失控。快速性指系统对输入信号的响应速度。快速性指标包括上升时间、调节时间和超调量，反映了系统响应的快慢和稳定程度。准确性指系统输出值与设定值的偏差大小。准确性指标反映了系统跟踪设定值的精度，对于需要精准控制的场合至关重要。控制系统的动态特性分析阶跃响应描述系统对阶跃输入的响应，反映系统的快速性和稳定性。冲激响应描述系统对冲激输入的响应，反映系统的动态特性和稳定性。频率响应描述系统对不同频率正弦输入的响应，反映系统的动态特性和稳定性。频域分析在控制系统中的应用频域分析是一种研究线性系统对不同频率正弦信号响应的方法，它以频率为变量，将系统的输入和输出表示为频谱，从而揭示系统对不同频率信号的传递特性。通过频域分析，可以判断系统的稳定性、带宽、相位裕度等性能指标，为控制系统设计和优化提供重要依据。频域分析常用于滤波器设计、信号处理、系统建模等领域，是控制系统分析和设计的重要工具。稳定性判据及其应用稳定性定义对于一个控制系统，如果其输出在受到扰动后能够在有限时间内回到平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，如果输出随着时间推移不断增大，则称该系统是不稳定的。稳定性判据常用的稳定性判据包括：劳斯-赫维茨判据：通过对特征方程系数进行判断，来判断系统稳定性奈奎斯特判据：通过对系统开环频率响应曲线进行分析，来判断系统稳定性李雅普诺夫稳定性理论：基于能量函数的概念，来判断系统稳定性应用举例在实际工程应用中，稳定性判据可以帮助工程师判断控制系统的稳定性，并通过调整系统参数来提高系统稳定性。例如，可以通过增加反馈环节，或改变系统的参数，来使系统满足稳定性要求。根轨迹法在控制系统中的应用1系统稳定性分析根轨迹法可以直观地判断闭环系统的稳定性，通过观察根轨迹的走向，可以判断系统是否稳定，以及稳定裕度的大小。这在系统设计中非常重要，可以确保系统不会出现不稳定的振荡或发散。2系统性能指标设计根轨迹法可以用来设计系统的性能指标，例如上升时间、峰值时间、调节时间等。通过调整系统参数，可以使根轨迹移动到期望的位置，从而实现预期的性能指标。3控制器参数优化根轨迹法可以用来优化控制器的参数，例如比例系数、积分时间常数、微分时间常数等。通过调整控制器参数，可以使根轨迹移动到期望的位置，从而提高系统的性能。4系统补偿设计根轨迹法可以用来设计系统的补偿网络，例如前馈补偿、反馈补偿等。通过引入补偿网络，可以改变系统的根轨迹，改善系统的性能。PID控制器的结构和参数调整比例控制(P)比例控制根据偏差的大小进行调节，偏差越大，控制作用就越强。比例控制可以快速响应偏差，但无法消除稳态误差。积分控制(I)积分控制作用于累计的偏差，可以消除稳态误差，但响应速度较慢。微分控制(D)微分控制作用于偏差的变化率，可以预测未来偏差，提高系统响应速度，抑制振荡。自适应控制技术自适应控制的优势自适应控制能够根据环境的变化和系统参数的变化自动调整控制参数，以保持系统的稳定性和最佳性能。它可以有效地应对系统参数的不确定性和扰动，并提高系统的鲁棒性和适应性。自适应控制的应用自适应控制技术广泛应用于工业自动化、航空航天、机器人控制、过程控制等领域，例如：-机器人控制：适应不同的工作环境和任务，提高机器人的灵活性-过程控制：在生产过程中自动调节参数，提高产品质量和生产效率-航空航天：在飞行过程中自动调整参数，保证飞行安全和性能模糊控制技术基于规则的控制模糊控制系统使用语言规则来描述控制策略，这些规则基于人类专家的知识和经验。例如，“如果速度太快，那么减小油门”。处理不确定性模糊控制可以处理不确定性和噪声，这在现实世界中很常见。它使用模糊集和模糊推理来处理难以精确量化的信息。易于实现模糊控制系统通常相对容易实现，因为它们不需要复杂的数学模型。这使得它们适用于各种应用，包括工业过程控制、机器人控制和汽车控制。神经网络控制技术1自适应性神经网络控制系统可以根据环境的变化自动调整控制参数，从而适应不同的工作条件，提高系统的鲁棒性。2非线性处理能力神经网络可以处理复杂的非线性系统，例如具有未知或难以建模的动力学特性的系统。3学习能力神经网络可以从数据中学习，并不断优化控制策略，提高系统的性能。预测控制技术预测控制概述预测控制是一种基于模型的控制方法，它利用系统模型预测未来一段时间内的系统行为，并根据预测结果计算出当前时刻的最佳控制策略。预测未来状态和输出优化控制策略适应系统变化预测控制特点预测控制具有以下特点:优异的抗扰动能力能够处理约束条件适应性强，易于调节广泛的应用领域智能控制系统的分类和特点基于知识的控制利用专家知识和经验，建立控制规则和决策机制。例如，专家系统，模糊控制。基于学习的控制利用神经网络、遗传算法等机器学习方法，从数据中学习控制策略。仿生控制模拟生物的智能行为，如生物神经网络、免疫系统等。工业机器人的结构和分类关节式机器人由多个旋转关节组成，能够实现多自由度的运动，灵活性高，适用于各种复杂任务。直角坐标机器人沿着直线运动的机器人，结构简单，精度高，适用于搬运、码垛等工作。SCARA机器人用于平面运动的机器人，速度快，精度高，适用于电子制造、组装等工作。并联机器人多个支链连接到一个公共平台，具有高刚度、高精度和高速的特点，适用于高速精密加工、包装等工作。工业机器人的工作坐标系关节坐标系以机器人的各个关节为参考系，描述机器人末端执行器的位置和姿态。每个关节对应一个坐标轴，坐标轴的正方向由关节运动方向决定。工具坐标系以机器人末端执行器上的工具中心点为原点，描述工具中心点的位置和姿态。工具坐标系通常与机器人末端执行器的方向一致。世界坐标系通常固定于机器人工作空间的某个参考点，描述机器人和其他物体的位置关系。世界坐标系是所有其他坐标系的参考坐标系。工业机器人的运动规划1路径规划确定机器人从起点到终点的运动轨迹，并优化路径以提高效率和精度。2速度规划根据路径规划结果，制定机器人运动速度，保证安全性和平稳性。3轨迹生成根据速度规划，生成机器人运动轨迹的数学表达式，用于控制机器人执行动作。运动规划是机器人控制系统中的重要环节，它决定了机器人的运动效率、精度和安全性能。运动规划通常涉及路径规划、速度规划和轨迹生成三个步骤。工业机器人的伺服控制系统伺服控制系统是工业机器人实现精确运动的关键部分，它负责接收控制指令并将其转换为精确的运动。伺服控制系统通常包括伺服电机、驱动器、编码器和控制算法等组件，它们协同工作以实现对机器人的精确控制。伺服控制系统需要进行参数调整，以获得最佳的控制性能，例如响应速度、精度和稳定性等。工业机器人的编程和仿真1编程语言工业机器人编程语言用于控制机器人的运动、操作和工作流程。常见的编程语言包括：机器人专用语言（如ABB的RAPID、FANUC的Karel）、高级编程语言（如C++、Python）以及图形化编程界面。2仿真软件仿真软件可以模拟机器人工作环境，对机器人程序进行测试和优化，避免实际运行中的错误和风险。常见的仿真软件包括：RoboDK、RobotStudio、Delmia等。3离线编程离线编程是指在计算机上对机器人进行编程，无需实际操作机器人。这可以提高编程效率，减少停机时间，并使编程人员能够在安全的环境中进行编程。4在线调试在线调试是指在实际运行中对机器人程序进行调试，以确保程序的正确性和可靠性。在线调试需要进行安全操作，并遵循相关的安全规范。工厂自动化系统概述工厂自动化系统是将现代控制理论、计算机技术、传感器技术、执行机构技术、网络通信技术等有机结合，实现工厂生产过程的自动化控制、管理和优化。主要特点提高生产效率提升产品质量降低生产成本改善工作环境增强企业竞争力应用领域制造业能源化工物流仓储航空航天食品加工医药生产过程自动化提高效率自动化可以帮助企业提高生产效率，减少人工成本，提高产品质量。例如，通过自动化生产线，可以实现连续生产，减少停机时间，提高生产效率。改善质量自动化可以帮助企业改善产品质量，减少人为失误，提高产品一致性。例如，通过自动化控制系统，可以控制生产参数，确保产品质量稳定。增强安全性自动化可以帮助企业增强生产安全性，减少工人的危险操作，提高生产环境安全。例如，通过自动化机器人，可以完成危险的生产作业，保障工人安全。集中控制系统和分布式控制系统1集中控制系统集中控制系统将所有控制设备集中在一个控制中心，由中央处理器进行统一管理。这种系统通常用于规模较小的工厂或生产线，具有结构简单、成本低廉的优点，但可扩展性较差，维护工作也比较复杂。2分布式控制系统分布式控制系统将控制功能分散到各个控制单元，每个单元负责控制一个特定的设备或过程，通过通信网络进行信息交换和协调。这种系统可扩展性强，便于维护，而且可靠性更高，适用于规模较大、结构复杂的工厂或生产线。DCS系统的结构和特点分布式结构DCS系统采用分布式结构，将控制功能分散到各个控制站，提高了系统的可靠性和可扩展性。分层结构DCS系统通常分为多个层次，包括过程控制层、操作层、管理层等，实现不同功能的分工协作。安全性和可靠性DCS系统采用冗余设计和故障检测机制，确保系统的安全性和可靠性，即使部分设备出现故障，也能保证系统正常运行。SCADA系统的功能和应用SCADA系统功能数据采集和监控过程控制和优化报警管理和事件记录报表生成和分析远程访问和管理SCADA系统应用领域电力系统石油和天然气水处理制造业交通运输环境保护自动化系统的安全保护故障安全在出现故障时，系统应能够安全地停止运行或进入故障模式，以防止对人员、设备或环境造成损害。紧急停止提供紧急停止按钮或其他安全装置，允许操作人员在紧急情况下立即停止系统。访问控制限制对系统关键部分的访问，并使用身份验证机制，以防止未经授权的访问或操作。数据保护采取措施保护系统数据免受意外或恶意访问、修改或删除，以确保数据的完整性和安全性。自动化系统的远程监控和诊断实时监控远程监控系统允许操作员实时查看自动化系统的运行状态，包括设备参数、生产指标、报警信息等，以