《自动化控制系统基础》课件

自动化控制系统基础课程介绍：自动化控制的重要性提高生产效率自动化控制系统能够实现生产过程的自动化运行，减少人工干预，从而大幅提高生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。改善产品质量通过精确的控制和调节，自动化控制系统能够保证产品质量的稳定性和一致性，减少人为因素造成的误差，提高产品竞争力。保障生产安全控制系统的定义与组成1控制系统的定义控制系统是指由若干元件组成的，能够对被控对象的某些物理量进行控制的系统。其目的是使被控量按照预定的规律变化或维持在设定的范围内。2控制系统的组成一个典型的控制系统通常由以下几个部分组成：传感器、控制器、执行器和被控对象。各部分协同工作，实现对被控量的精确控制。各组成部分的作用开环控制系统定义开环控制系统是指控制作用只按设定的输入信号进行，而不考虑输出信号对控制作用的影响的系统。其特点是结构简单、成本低廉，但控制精度较低。特点开环控制系统没有反馈环节，输出信号的变化不会影响输入信号。因此，系统对外部干扰和参数变化的抑制能力较差。应用开环控制系统适用于对控制精度要求不高，且外部干扰较小的场合。例如，定时开关、简单的加热控制等。闭环控制系统定义闭环控制系统是指控制作用不仅取决于输入信号，还取决于输出信号的系统。其特点是具有反馈环节，能够根据输出信号的变化自动调节控制作用，从而提高控制精度。特点闭环控制系统具有反馈环节，输出信号的变化会影响输入信号。因此，系统对外部干扰和参数变化的抑制能力较强，能够实现精确控制。应用闭环控制系统适用于对控制精度要求较高的场合。例如，温度控制、速度控制、位置控制等。控制系统的分类1按控制方式可分为开环控制系统、闭环控制系统、复合控制系统等。2按控制规律可分为线性控制系统、非线性控制系统、时变控制系统等。3按控制对象可分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统等。4按自动化程度可分为手动控制系统、半自动控制系统、全自动控制系统等。控制系统的性能指标稳定性系统在受到扰动后，能够恢复到原来的稳定状态的能力。这是控制系统最基本的要求。精度系统输出量与期望值之间的偏差程度。精度越高，控制效果越好。快速性系统输出量对输入信号的响应速度。快速性越好，系统响应越快。平稳性系统输出量的变化过程是否平稳。平稳性越好，系统运行越稳定。稳定性：系统稳定的概念定义系统稳定性是指系统在受到扰动后，能够恢复到原来的稳定状态的能力。一个不稳定的系统，其输出量会随着时间的推移而无限增大，最终导致系统崩溃。1判据判断系统稳定性的方法有很多，常用的方法包括Routh判据、Nyquist判据等。2重要性稳定性是控制系统最基本的要求。一个不稳定的系统是无法正常工作的。3精度：稳态误差分析1定义稳态误差是指系统在稳定状态下，输出量与期望值之间的偏差。2影响因素稳态误差的大小受到输入信号类型、系统结构和参数的影响。3降低方法可以通过增加积分环节、提高开环增益等方法来降低稳态误差。快速性：响应时间与超调量1响应时间系统输出量从初始状态到达并保持在稳定状态所需的时间。2超调量系统输出量超过稳定状态值的最大幅度。3相互关系响应时间和超调量之间存在一定的矛盾关系。通常情况下，减小响应时间会导致超调量增大，反之亦然。常用控制算法：PID控制PID控制是一种应用广泛的控制算法，它结合了比例控制、积分控制和微分控制的优点，能够有效地提高系统的稳定性、精度和快速性。PID控制器的参数整定是关键，需要根据具体的系统特性进行调整，以达到最佳的控制效果。比例控制(P控制)原理比例控制是指控制器的输出与输入偏差成比例关系。比例系数越大，系统的响应速度越快，但稳态误差也越大。特点比例控制具有结构简单、响应速度快的优点，但存在稳态误差，不能完全消除偏差。应用比例控制适用于对稳态误差要求不高，且响应速度要求较高的场合。例如，简单的温度控制、液位控制等。积分控制(I控制)积分控制是指控制器的输出与输入偏差的积分成比例关系。积分作用能够消除稳态误差，但可能导致系统不稳定。积分时间常数越小，消除稳态误差的速度越快，但系统稳定性越差。积分控制适用于对稳态误差要求较高，但响应速度要求不高的场合。例如，流量控制、压力控制等。微分控制(D控制)原理微分控制是指控制器的输出与输入偏差的变化率成比例关系。微分作用能够预测偏差的变化趋势，提前进行控制，从而提高系统的动态性能。微分时间常数越大，系统的超调量越小，但响应速度也越慢。特点微分控制具有抑制偏差变化、提高系统动态性能的优点，但不能单独使用，必须与比例控制或积分控制结合使用。应用微分控制适用于对动态性能要求较高的场合。例如，机器人控制、伺服系统控制等。PID参数整定方法1试凑法通过反复试验，调整PID参数，观察系统的响应曲线，直到满足性能指标要求为止。该方法简单易行，但需要一定的经验积累。2理论计算法根据系统的数学模型，通过计算得到PID参数的理论值。该方法精度较高，但需要建立精确的数学模型。3自动整定法利用自动整定算法，自动调整PID参数。该方法智能化程度高，但需要一定的计算资源。经验法：试凑法步骤1.首先设定积分和微分时间为零，仅调整比例增益，使系统达到稳定状态。2.适当调整积分时间，消除稳态误差。3.适当调整微分时间，改善系统的动态性能。注意事项每次调整一个参数，观察系统的响应曲线，记录参数的变化和系统的响应情况。根据经验，逐步调整参数，直到满足性能指标要求为止。适用性该方法适用于对系统模型了解不深，且对控制精度要求不高的场合。需要一定的经验积累，才能获得较好的控制效果。理论计算法建模首先需要建立系统的数学模型，例如传递函数模型或状态空间模型。模型的精度直接影响参数整定的效果。计算根据系统的数学模型，利用控制理论的知识，计算得到PID参数的理论值。常用的计算方法包括Ziegler-Nichols法、Cohen-Coon法等。验证将计算得到的PID参数应用于实际系统，观察系统的响应曲线，根据实际情况进行调整，以达到最佳的控制效果。现代控制理论简介1状态空间法以状态变量描述系统内部状态，能够处理多输入多输出系统和非线性系统。2最优控制在满足一定约束条件下，寻找使系统性能指标最优的控制策略。3自适应控制能够根据系统参数的变化自动调整控制策略，提高系统的鲁棒性。4鲁棒控制能够保证系统在参数不确定性或外部干扰存在的情况下，仍能保持稳定的控制性能。状态空间模型定义状态空间模型是一种用状态变量描述系统动态行为的数学模型。它由状态方程和输出方程组成，能够全面描述系统的内部状态和输出。优点状态空间模型能够处理多输入多输出系统和非线性系统，能够描述系统的内部状态，能够进行可控性和可观性分析。应用状态空间模型广泛应用于现代控制理论中，例如最优控制、自适应控制、鲁棒控制等。可控性与可观性可控性指系统在有限时间内，通过控制作用，能够将系统从任意初始状态转移到任意目标状态的能力。1可观性指系统在有限时间内，通过输出信号的观测，能够确定系统初始状态的能力。2重要性可控性和可观性是系统能够实现有效控制的前提条件。一个不可控或不可观的系统，是无法进行有效控制的。3传递函数与频率响应1传递函数描述线性时不变系统输入输出关系的数学模型，是复频率s的函数。2频率响应描述系统对不同频率的正弦信号的响应特性，包括幅频特性和相频特性。3联系频率响应可以通过传递函数计算得到，是分析系统稳定性和性能的重要工具。传递函数的定义1定义传递函数是指在零初始条件下，线性时不变系统输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。2特点传递函数只适用于线性时不变系统，它描述了系统输入输出之间的关系，与系统的内部结构无关。3应用传递函数是分析和设计控制系统的常用工具，可以用于分析系统的稳定性、性能等。频率响应的意义StabilityAnalysisPerformanceEvaluationSystemDesign频率响应描述了系统对不同频率的正弦信号的响应特性，包括幅频特性和相频特性。通过分析频率响应，可以了解系统的稳定性、性能等。例如，可以判断系统是否具有足够的相位裕度和幅值裕度，可以了解系统的带宽和阻尼比等。频率响应是分析和设计控制系统的常用工具。Bode图分析定义Bode图是一种以频率为横坐标，分别以幅值的对数和相位的度数为纵坐标的曲线图。它可以直观地显示系统的幅频特性和相频特性。分析通过分析Bode图，可以判断系统的稳定性、带宽和阻尼比等。例如，可以根据相位裕度和幅值裕度判断系统的稳定性，可以根据带宽判断系统的响应速度。应用Bode图是分析和设计控制系统的常用工具，可以用于分析系统的稳定性、性能等。Nyquist图分析Nyquist图是一种以实轴为横坐标，虚轴为纵坐标的曲线图。它描述了系统开环传递函数的频率响应在复平面上的轨迹。通过分析Nyquist图，可以判断系统的稳定性。例如，可以根据Nyquist判据判断系统的稳定性。Nyquist图是分析和设计控制系统的常用工具。系统稳定性判据：Routh判据原理Routh判据是一种判断线性时不变系统稳定性的代数方法。它通过分析系统特征方程的系数，构造Routh表，判断系统是否稳定。步骤1.写出系统特征方程。2.构造Routh表。3.判断Routh表第一列的符号变化次数。4.如果第一列的符号变化次数为零，则系统稳定；否则，系统不稳定。优点Routh判据是一种简单的代数方法，易于计算，适用于判断低阶系统的稳定性。系统稳定性判据：Nyquist判据1原理Nyquist判据是一种判断线性时不变系统稳定性的频率域方法。它通过分析系统开环传递函数的Nyquist图，判断系统是否稳定。2步骤1.绘制系统开环传递函数的Nyquist图。2.判断Nyquist图是否包围(-1,0)点。3.如果Nyquist图不包围(-1,0)点，则系统稳定；否则，系统不稳定。3优点Nyquist判据适用于判断高阶系统的稳定性，可以分析系统的稳定裕度。MATLAB在控制系统中的应用建模与仿真利用MATLABSimulink工具箱，可以方便地建立控制系统的数学模型，进行仿真分析，验证控制算法的有效性。控制系统设计利用MATLAB控制系统工具箱，可以进行控制系统的设计，例如PID参数整定、状态反馈控制设计、最优控制设计等。数据分析与可视化利用MATLAB强大的数据分析和可视化功能，可以对控制系统的数据进行分析，绘制各种曲线，直观地了解系统的性能。Simulink建模与仿真1建模Simulink提供丰富的模块库，可以方便地搭建各种控制系统的数学模型，包括传递函数模型、状态空间模型、非线性模型等。2仿真Simulink提供多种仿真算法，可以对控制系统进行仿真分析，观察系统的响应曲线，评估控制算法的性能。3调试Simulink提供强大的调试功能，可以对控制系统进行调试，例如设置断点、观察变量值、单步执行等。4优化Simulink可以进行参数优化，自动调整控制系统中的参数，使系统达到最佳的性能。控制系统的设计流程系统需求分析明确控制系统的功能、性能指标、约束条件等。控制器设计选择合适的控制算法，设计控制器参数。系统仿真与调试利用仿真工具对系统进行仿真，验证控制算法的有效性，并进行参数调整。硬件实现与测试将控制算法移植到硬件平台，进行实际测试，评估系统的性能。系统需求分析功能需求明确控制系统需要实现的功能，例如温度控制、流量控制、位置控制等。1性能指标明确控制系统需要满足的性能指标，例如稳定性、精度、快速性等。2约束条件明确控制系统需要满足的约束条件，例如成本、功耗、体积等。3控制器设计1算法选择根据系统特性和控制要求，选择合适的控制算法，例如PID控制、状态反馈控制、最优控制等。2参数整定根据系统模型或实验数据，整定控制器参数，使系统满足性能指标要求。3稳定性分析分析控制系统的稳定性，确保系统能够稳定运行。系统仿真与调试1建模建立控制系统的数学模型，例如传递函数模型或状态空间模型。2仿真利用仿真工具对系统进行仿真，观察系统的响应曲线，评估控制算法的性能。3调试根据仿真结果，调整控制器参数，改善系统的性能。硬件实现与测试HardwareSelectionCodeDeploymentTestingandValidation选择合适的硬件平台，例如PLC、单片机、DSP等。将控制算法移植到硬件平台。进行实际测试，评估系统的性能，并进行必要的调整。测试内容包括稳定性测试、精度测试、快速性测试等。硬件实现与测试是控制系统设计的重要环节，直接影响系统的性能和可靠性。传感器原理与应用原理传感器是一种能够感受被测量，并将其转换为可用的输出信号的器件。它是控制系统的重要组成部分，用于检测被控量的实际值。应用传感器广泛应用于各种控制系统中，例如温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器等。类型传感器种类繁多，按工作原理可分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器等。位移传感器位移传感器是一种用于测量物体位移的传感器。常用的位移传感器包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、光栅式位移传感器等。位移传感器广泛应用于各种控制系统中，例如机器人控制、伺服系统控制等。温度传感器原理温度传感器是一种用于测量物体温度的传感器。常用的温度传感器包括热电偶、热敏电阻、集成温度传感器等。特点不同类型的温度传感器具有不同的特点，例如热电偶测量范围广，但精度较低；热敏电阻精度较高，但测量范围较窄。应用温度传感器广泛应用于各种控制系统中，例如温度控制、空调控制、冰箱控制等。压力传感器1原理压力传感器是一种用于测量物体压力的传感器。常用的压力传感器包括应变式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器等。2特点不同类型的压力传感器具有不同的特点，例如应变式压力传感器精度较高，但灵敏度较低；压电式压力传感器灵敏度较高，但需要进行电荷放大。3应用压力传感器广泛应用于各种控制系统中，例如压力控制、液位控制、流量控制等。流量传感器原理流量传感器是一种用于测量流体流量的传感器。常用的流量传感器包括涡轮流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器等。特点不同类型的流量传感器具有不同的特点，例如涡轮流量传感器精度较高，但易受流体杂质的影响；电磁流量传感器不受流体导电性的影响，但成本较高。应用流量传感器广泛应用于各种控制系统中，例如流量控制、供水系统控制、化工过程控制等。执行器原理与应用1定义执行器是一种能够根据控制器的指令，驱动被控对象运动或改变状态的器件。它是控制系统的重要组成部分，用于执行控制作用。2类型执行器种类繁多，按工作原理可分为电动机、液压缸、气动元件等。3应用执行器广泛应用于各种控制系统中，例如机器人控制、伺服系统控制、过程控制等。4选择选择执行器时，需要考虑其力矩、速度、精度、响应速度等性能指标，以及成本、功耗、体积等约束条件。电动机原理电动机是一种将电能转换为机械能的执行器。常用的电动机包括直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。特点不同类型的电动机具有不同的特点，例如直流电机控制简单，但易产生电刷磨损；交流电机寿命长，但控制较复杂。应用电动机广泛应用于各种控制系统中，例如机器人控制、数控机床控制、家电控制等。液压缸原理液压缸是一种将液压能转换为机械能的执行器。它通过液压油的压力推动活塞运动，从而实现直线运动或旋转运动。1特点液压缸具有输出力大、响应速度快、精度高等优点，但易受液压油泄漏的影响。2应用液压缸广泛应用于各种控制系统中，例如工程机械控制、飞机控制、船舶控制等。3气动元件1原理气动元件是一种将气压能转换为机械能的执行器。它通过压缩空气的压力推动活塞运动，从而实现直线运动或旋转运动。2特点气动元件具有结构简单、成本低廉、响应速度快等优点，但输出力较小，易受空气压缩机性能的影响。3应用气动元件广泛应用于各种控制系统中，例如自动化生产线控制、气动机械控制等。PLC控制系统1定义PLC（可编程逻辑控制器）是一种专为工业自动化设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械或生产过程。2特点PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等优点，广泛应用于工业自动化领域。3应用PLC广泛应用于各种工业自动化系统中，例如生产线控制、机械设备控制、过程控制等。PLC的组成与工作原理CPUMemoryI/OModulesPLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源等组成。CPU用于执行程序，存储器用于存储程序和数据，I/O模块用于与外部设备进行通信。PLC的工作原理是循环扫描，即不断读取输入信号、执行程序、输出控制信号。PLC的循环扫描周期通常为几毫秒到几十毫秒。PLC编程语言梯形图梯形图是一种图形化的编程语言，它类似于继电器控制电路图，易于理解和掌握。梯形图是PLC最常用的编程语言。指令表指令表是一种类似于汇编语言的编程语言，它直接操作PLC的寄存器和存储器，能够实现复杂的控制功能。功能块图功能块图是一种图形化的编程语言，它将控制功能封装成一个个功能块，通过连接功能块来实现复杂的控制逻辑。PLC应用实例PLC广泛应用于各种工业自动化系统中。例如，在生产线控制中，PLC可以控制输送带的启停、机械手的动作、产品的检测等。在机械设备控制中，PLC可以控制电机的转速、阀门的开关、传感器的采集等。在过程控制中，PLC可以控制温度、压力、流量等。工业自动化案例分析汽车生产线汽车生产线是一个典型的工业自动化系统。PLC控制着生产线上各个工位的机械手、输送带、焊接设备等，实现汽车的自动化生产。食品包装线食品包装线是一个对卫生要求较高的工业自动化系统。PLC控制着包装线上各个环节的机械设备、传感器等，实现食品的自动化包装。电力系统电力系统是一个复杂的工业自动化系统。PLC控制着变电站的开关、断路器、保护装置等，实现电力的自动化调度和保护。机器人控制系统1组成机器人控制系统由控制器、驱动器、传感器、机械本体等组成。控制器用于控制机器人的运动，驱动器用于驱动电机的转动，传感器用于检测机器人的状态。2控制方式机器人控制系统可以采用开环控制、闭环控制、模糊控制、神经网络控制等多种控制方式。3应用机器人控制系统广泛应用于各种工业自动化系统中，例如焊接、喷涂、装配、搬运等。电力系统自动化变电站自动化变电站自动化是指利用计算机、通信、控制等技术，实现变电站的自动化运行和管理。其主要功能包括数据采集、监控、控制、保护、计量等。配电自动化配电自动化是指利用计算机、通信、控制等技术，实现配电系统的自动化运行和管理。其主要功能包括故障检测、故障隔离、负荷调控等。能量管理系统能量管理系统是指利用计算机、通信、控制等技术，实现电力系统的能量优化调度和管理。其主要功能包括负荷预测、发电计划、电网调度等。交通运输自动化1铁路自动化包括列车自动驾驶、信号自动控制、调度集中等。2公路自动化包括智能交通系统、自动驾驶汽车等。3航空自动化包括飞行自动控制、空中交通管制等。4水运自动化包括船舶自动驾驶、港口自动化等。智能建筑控制系统环境控制包括空调控制、照明控制、通风控制等，实现建筑环境的舒适性和节能性。安防控制包括门禁控制、视频监控、报警系统等，保障建筑的安全。设备监控包括电梯监控、水泵监控、消防设备监控等，保障建筑设备的正常运行。模糊控制定义模糊控制是一种基于模糊集合论和模糊逻辑的控制方法。它能够处理不确定性和模糊性，适用于难以建立精确数学模型的系统。1特点模糊控制具有鲁棒性强、易于实现、无需精确模型等优点，但控制精度较低。2应用模糊控制广泛应用于各种控制系统中，例如空调控制、洗衣机控制、机器人控制等。3模糊集合与模糊逻辑1模糊集合模糊集合是指元素对集合的隶属度不是0或1，而是介于0和1之间的连续值。2隶属函数隶属函数描述了元素对模糊集合的隶属度，常用的隶属函数包括三角形隶属函数、梯