自动化概念核心技术

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1、电子与信息技术系电子与信息技术系 田凤霞田凤霞2021/6/1612021/6/1622021/6/163A.1.1 课程任务v自动化高技能人才的职业属性与需求v自动化概念及自动化技术核心v信号概念及其在自动化技术中的作用v自动控制形式及系统构建v自动化设备及控制装置v控制策略v自动化技术应用领域v流程生产行业控制系统v学习自动化应用技术与技能的方法途径2021/6/164A.1.2 自动化技能人才的社会需求v自动化技术为二十世纪高新技术之一，普及、深入到各行业；v“用信息化带动制造业现代化，用高新技术改造制造业，以实现制造业跨越式发展” 。制造业生产技术与手段由“电气化”时代全面迈进“自动化

2、”时代 ；v自动化技术改革了传统的的管理模式、生产模式、工艺过程、操作模式，需要自动化技术开发、设计的工程技术人才，也需要具有自动化思想、掌握自动化技术知识与应用能力的高技能人才，从事自动化设备及系统安装、调试、运行、管理、维护及检修工作；2021/6/165A.2.1 自动化技能人才的就业前景v具备自动控制的原理和方法、自动化单元技术和系统集成技术及其在各领域生产过程中的应用；v具有“控（制）管（理）结合，强（电）弱（电）并重，软（件）硬（件）兼施”鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业 ；v就业领域：各类制造业（过程、离散）、自动化科技公司、工程公司、轨道交通、港口物流、城

3、市公用与智能楼宇等。 2021/6/166A.2.2 自动化技能人才的职业属性v自动化技术专业是以自动化设备、装置、系统为操作对象或工具。技术应用能力与职业技能体现在对具体设备、装置及系统的安装调试、运行管理、维护检修活动之中；v职业活动主要涉及四个方面：1）应用与维护单体自动化设备、装置；2）组织相关设备、环节，构建与维护系统完成自动控制；3）实施与维护系统各环节间的信号传递、协调工作；4）调整控制策略、优化系统控制参数。 2021/6/167A.2.3 自动化技能人才的职业属性v宏观层面：v职业能力具有自动化核心思想，熟悉工业自动化技术、掌握自动化技术应用技能（主要针对工业生产设备、装置、

4、过程的运行状态检测、控制等）；v工作领域主要服务于工业企业，为工厂自动化、自动化工程、自动化技术行业提供一线的技能支持与服务；2021/6/168A.2.3 自动化技能人才的职业属性v职业范围在生产、实验、试验一线从事自动化设备及系统安装、运行调试、管理、维护及检修工作；v职业价值具体实施自动化技术规范、图纸、方案，维护自动化设备与系统正常工作，保障生产企业高效运行。自动化技能人才的职业价值不是从事理论研究，也不是从事开发设计，主要是通过所掌握的职业技能把现有的技术规范、操作规程、施工图纸和工程方案变为现实。2021/6/169A.2.3 自动化技能人才的职业属性v微观层面：v工作对象面向工业

5、企业加工设备、生产装置、生产过程所用自动化设备及系统；v工作手段运用“系统”、“信号”、“控制”的自动化核心思想，以自动化技术知识为基础进行分析、判断，利用专业技能与职业能力实施技术服务；v工作地点工业企业生产支持部门、自动化工程施工场地；v工作岗位自动化设备及系统安装、运行调试、管理、维护及检修职位。2021/6/1610A.2.3 自动化技能人才的职业属性v自动化技术专业是以自动化设备、装置、系统为操作对象或工具。技术应用能力与职业技能体现在对具体设备、装置及系统的安装调试、运行管理、维护检修活动之中；v职业活动主要涉及四个方面：1）应用与维护单体自动化设备、装置；2）组织相关设备、环节，

6、构建与维护系统完成自动控制；3）实施与维护系统各环节间的信号传递、协调工作；4）调整控制策略、优化系统控制参数。 2021/6/1611A.2.3 自动化技能人才的职业属性v宏观层面：v职业能力具有自动化核心思想，熟悉工业自动化技术、掌握自动化技术应用技能（主要针对工业生产设备、装置、过程的运行状态检测、控制等）；v工作领域主要服务于工业企业，为工厂自动化、自动化工程、自动化技术行业提供一线的技能支持与服务；2021/6/1612A.2.3 自动化技能人才的职业属性v职业范围在生产、实验、试验一线从事自动化设备及系统安装、运行调试、管理、维护及检修工作；v职业价值具体实施自动化技术规范、图纸、

7、方案，维护自动化设备与系统正常工作，保障生产企业高效运行。自动化技能人才的职业价值不是从事理论研究，也不是从事开发设计，主要是通过所掌握的职业技能把现有的技术规范、操作规程、施工图纸和工程方案变为现实。2021/6/1613第一节 自动化及自动化技术v自动化实例v家居环境：洗衣机、空调、电梯、自动门、红外防盗、火灾报警与消防联动；v工农业领域： 自动化生产线与生产流程、数控中心、机械手、机器人；自动化农业生产机械、自动灌溉系统、自动化种植大棚等；v交通物流领域：公路与轨道交通控制、自动化分拣、水电气控制等；v航空与国防领域：火炮与导弹控制、卫星与飞船控制等；v2021/6/16141.1.1

8、自动化v什么是自动化？自动化是如何实现的？自动化技术包含哪些内容？。v1946年、美国、D.S.Harder在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运自动化-(Automation) 。 v早期：机械的动作代替人力操作 ，以自动地完成特定的作业；v扩展：用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动、感觉器官，而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。 2021/6/16151.1.1 自动化v通过检测，利用反馈获取偏差去调节系统运行状态并保持运行稳定。v偏差控制（反馈控制、闭环控制）图1-1 室内空气温度调节系统2021/6/16161.1.1 自动化v严格按照设定程序一步一步、按部

9、就班的自动完成全过程。v程序控制（开环控制）v多参数检测、逻辑与模糊判断“智能化”图1-2 全自动洗衣机（洗衣机、控制板）2021/6/16171.1.1 自动化v制造业自动化的丰富内涵：v形式方面：代替人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，人机及整个系统的协调、管理、控制和优化；v范围方面，自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期全过程；v功能方面，自动化的功能目标不仅对生产过程实施控制，也对整个生产运行实施监测与管理，实现“管理-监测-控制”一体化。 2021/6/16181.1.2 自动化技术v自动化技术可理解为是“为了自动地完成特定作业而实施的包括自动化装备、方法、手段、

10、规则及相关信息资料的总和”。v自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、家庭自动化等。 2021/6/16191.1.3 工业自动化技术v工业主体制造业v工业自动化主体工厂自动化在无人直接参与的情况下，通过自动化装置及系统构建对生产设备及生产过程实施的控制与管理。v工厂自动化类型连续生产过程自动化和断续生产过程自动化。v连续生产过程自动化过程自动化，主要指石油、化工、冶金等连续物料的生产过程自动化。处理对象物态是流体、粉体，主要涉及温度、压力、流量、物位、成份量等变量；v断续生产过程自动化工

11、业电气自动化，主要指机械制造过程中的离散物品加工、装配、包装、输送、储藏等机械作业自动化。处理对象物态是固体，主要涉及位置、形状、尺寸、姿势与角度等问题。2021/6/16201.1.3 工业自动化技术v工业自动化技术v是一种运用自动控制理论、电磁技术、信息技术、数理知识及其它相关技术，应用自动化设备及系统构建，通过电路逻辑、软件程序有目的的对工业生产装备及工艺过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等的综合性技术。2021/6/1621小结v自动化利用自动化设备、装置与系统代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程v自动化技术“为了自动地完成

12、特定作业而实施的包括自动化装备、方法、手段、规则及相关的信息资料的总和”v工业自动化技术运用自动控制理论、电磁技术、信息技术、数理知识及其它相关技术，应用自动化设备，通过系统构建、电路逻辑、软件程序有目的的对工业生产装备及工艺过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策的综合性技术。 2021/6/1622第二节 自动化技术的发展v以蒸汽机为代表的“机械化”强调以大规模的机械装置代替人工体力劳动；v以电动设备为代表的“电气化”强调普遍应用电力来驱动生产机械工作；v以计算机、网络为代表的“信息化”强调大规模的使用计算机、网络等现代技术工具高效地获取、处理、分析和利用信息；v而以自动化设备及系统为代

13、表的“自动化”强调生产运行、管理方式的“自动”。v自动化设备/自动化理论/自动化系统2021/6/16231.2.1 自动化设备发展v自动化设备(装置)是实现自动化的工具。v自然界动力代替人力畜力 。 古代中国的指南车以及近代欧洲出现的钟表和风磨控制装置 v第一次工业革命-自动调节装置对付工业生产控制1788年英国机械师J.瓦特将离心式调速器(又称飞球调速器)，调节稳定蒸汽机转速 俄国人用浮子式阀门水位调节器调节稳定的蒸汽锅炉水位 2021/6/16241.2.1 自动化设备发展图1-3 瓦特蒸汽机转速控制系统2021/6/16251.2.1 自动化设备发展v电的发明、磁的应用开始了电气化时代

14、电动设备、电磁机构代替体力劳动，解放手脚；v1868年法国人发明了反馈调节器（叫伺服机构）自动调节器或装置代替大脑的部份工作，使一些物理量保持在设定值附近，继电装置实现逻辑控制；自力式（液压、气压）调节装置自动检测、调节稳定工艺参数。v自动化设备的第一次改革与创新微电子技术检测装置、控制装置、执行装置、显示装置等功能自动化仪表，以及电子组装控制装置、继电联锁装置2021/6/16261.2.1 自动化设备发展v计算机、数字与存储器技术自动化设备第二次飞跃多参数、自诊断、可编程等数字化设备（可编程序控制器（PLC）、智能化仪表、数控生产装置，机器人、自动机械手成为工业生产中重要的劳动者。v信息技

15、术自动化设备向数字化、网络化、人工智能化方向发展，DCS系统控制装置、FCS网络控制装置、集成制造系统（CIMS）等。J机械装置继电装置气动与电动仪表可编程仪表与设备网络型仪表与设备网络系统装置。随着传感技术、信息处理技术与人工智能研究与应用的进一步深入，自动化设备将有更新的发展及更为有效的应用。2021/6/16271.2.2 自动化系统发展v“系统”由若干相互依存和相互作用的子系统为达到某些特定目的组成的完整综合体。v若系统的构建目标为实现自动化功能任务，这样的系统就是自动化系统。v典型自动控制系统，它是为了实现各种控制任务，将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来所构成的一个有机的总

16、体。2021/6/16281.2.2 自动化系统发展v早期的自动化系统功能目标单一，生产设备间不存在关联或关联不强，主要是解决单一设备、单一过程、单一参数的检测与控制问题，被称为单机自动化。 图1-3 瓦特蒸汽机转速控制系统2021/6/16291.2.2 自动化系统发展v二战期间及后期任务主要局限于生产过程监测与控制，主要功能局限于稳定系统，实现定值控制，系统规模通常被限定在一个工段或一个车间，被称之为局部自动化。v系统控制装置一般都可以分装两个机柜：一个机柜（仪表屏）装各种PID调节器、显示记录仪表如图1-4所示的仪表控制系统；另一个机柜则装许多继电器和接触器，作起动、停止、联锁和保护之用

17、。因而在结构上显得相当复杂,控制速度和控制精度都有一定的局限性，可靠性也不是很理想的 2021/6/16301.2.2 自动化系统发展图1-4 锅炉控制系统与仪表控制屏2021/6/16311.2.3 自动化系统发展v现代控制理论系统性能扩展到自适应、最优化等先进控制策略综合自动化v功能：不局限于面向生产过程的控制，更是向管理自动化发展；v系统规模：不局限于单个车间，可能包括整个企业甚至整个制造集团。v50年代末出现了计算机控制的化工厂，60年代末出现了大型自动化生产线，70年代产生了专用机床组成的无人工厂，80年代初出现了柔性制造系统组成的无人工厂 。 2021/6/16321.2.2 自动

18、化系统发展v现代控制理论使复杂的控制问题容易解决v传感检测技术能获取以前难以得到的信息v计算机技术使复杂信息处理更为简单迅速v网络技术促进了信息的传递与丰富自动化系统构建进入网络时代，在网络实现整个生产过程各环节的信息互通互联，面向生产过程的网络体系形成分散型控制系统（DCS）以及现场总线型控制系统（FCS）。2021/6/16331.2.2 自动化系统发展（a）DCS网络结构 （b）FCS网络结构图1-6 DCS控制系统及FCS控制系统2021/6/16341.2.2 自动化系统发展v计算机集成制造系统（CIMS）生产综合自动化与组织管理自动化相结合v设想利用计算机不仅实现单元生产柔性自动化

19、，并把制造过程（产品设计、生产计划与控制、生产过程等）集成为一个统一的系统v通过多层次网络实现信息综合应用，实现企业管理、生产组织、生产过程控制一体化，同时引入人工智能，构建自动识别、评估、决策能力，对整个系统的运行加以优化。管-监-控”一体化自动化系统2021/6/16351.2.2 自动化系统发展（图1-7 “管-监-控”一体化自动化系统 PCS2021/6/16361.2.3 自动化的发展特性v实践性发展和社会重大需求联系。离心调速器与蒸汽机的蒸汽阀门连接稳定转速不稳定研究稳定性系统稳定性判据控制理论的研究。v时代性最先进技术作自动化技术主要内容。初期，反馈理论为基础的自动调节原理，用于

20、工业控制；二战期间解决军事设施控制；二战后解决迅速发展的工业控制问题，再后来主要为解空间技术问题。v系统性从“系统”的角度来分析、研究和实现各种目标。自动控制理论从初期到现在的整个发展过程都是基于最基本反馈概念的闭环控制系统来研究的。v交叉性涉及信息与网络技术、电气技术、数学及生产设备相关的机械、工艺领域知识，需要与更多学科交叉、融合。2021/6/1637第三节 自动化技术核心v自动化最基本的功能目标或任务用自动化设备、装置与系统构建代替或帮助人，使生产设备、工艺过程按预定模式、状态运行，自动地完成特定的任务。用自动化设备及构建的系统来约束、限定生产设备、工艺过程的运行模式、状态参数，或者说

21、实施控制。2021/6/16381.3.1 自动化本质自动控制v“控制”就是掌握住对象不使任意活动或超出范围；或使其在控制者的管理、影响下活动。v“自动控制”是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置及系统构建，使生产机器、设备或工艺过程的运行状态或参数自动地按照预定的规律运行。v自动化与自动控制概念自动化的本质是自动控制 2021/6/16391.3.1 自动化本质自动控制v自动控制VS手动控制？控制器图1-8 手动控制与自动控制(a) 手动控制(b) 自动控制眼睛变送器大脑控制器手操作阀门自动阀门2021/6/16401.3.1 自动化本质自动控制v不同的控制形式对应着不同的系统构

22、建模式，产生不同的控制效果。 闭环控制反馈控制偏差控制图1-9 电机驱动皮带轮转速控制v不同的控制策略产生不同的控制效果。全自动化洗衣机，多种洗衣模式对应于多种控制策略。开环控制2021/6/16411.3.1 自动化本质自动控制v控制论：“控制”的最基本问题是如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为。v自动控制涉及两个基本内容：采用何种手段（途径）对生产装置、生产过程施加控制作用，控制者的意愿是如何表达的。A这分别对应着控制形式（硬件系统构建）与控制策略（软件系统构建）。2021/6/16421.3.2 自动化思想观系统分析v系统（System）是指由相互关联、相互制约、相互影响、具有某种

23、功能的部分组成的有机整体。v系统以外的部分称为系统环境，系统环境对系统的作用称为系统的输入，系统对系统环境的作用称为系统的输出。v传统的自动化系统即机电一体化系统由机电本体、动力部分、检测传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信号处理单元等硬件元素，在软件程序和电路逻辑的目的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，形成物质和能量的有序规则运动，从而组成工业自动化系统。2021/6/16431.3.3 自动化信息载体信号v控制论：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或性能，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、施于该对象上的作用，就叫作控制。v控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，而

24、任何控制又都依赖于信息来实现。图1-10 电加热炉温度控制系统2021/6/16441.3.3 自动化信息载体信号v构建自动化系统的各组成环节，实现协调动作、必须依靠相互间的信息传递与联络。v信息获取与转换、传递、各种操作与控制指令的表达与传递、应用等均依赖于信号；v信号是实现系统环节间信息传递与联络的载体。是实现自动化的信息载体。工作台图3-5 数控机床工作台闭环进给系统XCPXS磁尺X控制器伺 服电机2021/6/16451.3 自动化技术核心v工业自动化技能人才的技术核心是实施“系统”分析、“信号”关联、“控制”措施，保障、维护“环节”与“系统”的协调运行。其中，“信号”在自动化技术中具

25、有重要的作用。v“反馈”是实现自动控制的最典型、最重要的技术手段，也是一种基本结构形式。 2021/6/16462.1.1 信息从图中你能感悟出什么？自然事物图例人类交换信息方式为什么会有如此感觉呢？图像传递出某种？第一节 信息与信息技术2021/6/1647通过电话你了解到什么？电磁波电脉冲通讯信号传递方式电波？声音？语言表达的意思？信息！信息！2021/6/1648信息论创始人（美国,C.仙农,19162001）:客观世界的三大要素是物质、能量和信息。体现了信息在现代社会中的重要作用.1. 信息客观存在的一切事物通过载体所发生的消息、情报、指令、数据、信号和所包括的一切可传递和交换的知识内

26、容2. 认识事物的关键事物的特征各种特征将通过一定的物质形式传递；通过不同特征区别不同事物；3. 知识是一种特定的人类信息有区别、有选择，对自然、对社会、对思维的认识与掌握。2021/6/1649信息技术（IT）用于管理、处理信息所采用的各种技术的总和。收集、识别、提取、存贮、传递、处理、检索、检测、分析、利用主要包括下列四大技术:n传感技术-扩展人获取信息的感觉器官功能。它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。 n通讯技术-实现信息快速、可靠、安全的转移。 n计算机技术-对信息的编码、压缩、加密以及再生（更深层次的决策信息 ）n控制技术-应用信息为人类生活、生产服务的技术问题，主要包括控制

27、技术、显示技术。2.1.2 信息技术2021/6/16502.1.3 信息技术与自动化技术关系n从技术要素层次上看，四大技术相互包含、相互交叉、相互融合的。传感、通信、计算机都离不开控制；传感、计算机、控制也都离不开通信；传感、通信、控制更是离不开计算机。n在自动化系统运行过程中，必须真实、准确、快速地获取设备、过程的运行信息，对相关的信息进行判断、运算、决策，并能准确地传递指令与控制信息，正确地执行指令，施加控制作用，以使生产可靠地、稳定地运行。n控制论:控制的基础依据是信息，一切信息传递都为了控制，任何控制又都有赖于信息来实现。2021/6/1651n从信息技术体系角度看，自动化技术包括信

28、息获取-传递-决策-应用：控制与自动化技术的核心问题仍然是信息问题。n 获取设备、过程运行状态传感获取信息； 匹配各环节间信号及传递信息传递； 控制策略与信号运算计算与处理信息； 指令与控制信号的输出、执行信息的应用n信息技术与自动化技术两者关系： 自动化技术以基础地位支撑信息技术。 信息技术发展推动自动化技术进步； 2021/6/1652第二节 信号信息载体 2.2.1 2.2.1 信号信号1、信号C.仙农认为：对客观事物的物理特征进行抽象后的最低级表达层次信号。 茫茫宇宙，存在无数的信号含义是？ 人为的/自然的；有效的/无效的；已知/末知；“信息”是传递与交换的具体内容（包括知识、意识），

29、那么“信号”就是信息的一种表现形式。信号（也称为讯号）是运载消息的工具，是消信号（也称为讯号）是运载消息的工具，是消息的载体。息的载体。工程上，信号就是一种通过媒介传递的、含有某种信息的实际物理量。2021/6/16532 2、信号的两个要素、信号的两个要素 人类通过对光、声、电信号进行信息传递-接收，表达-确认信息信息。 信号应有一种载体媒介。如“声波”、“电脉冲”、“电磁波”、“光脉冲”等。 信号媒介的一种特性或多种特性组合应含有要反映的“信息”。n比如“声波”、“电脉冲”、“电磁波”、“光脉冲”等能量的强弱、变化快慢及规律等应能反映要描述的信息，或者说信息被信号的能量强弱、变化快慢及变化

30、规律等特征所表达。n另外，含有信息的“信号”必须要能被人类所接收、描述、应用才有实际意义。2021/6/16542.2.2 2.2.2 信号的描述信号的描述1 1数学描述数学描述描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。被测t温度温度信号Rt图2-4 热电阻测温光电元件电压u信号光照i图2-5 光电检测元件2021/6/16552 2波形描述波形描述按照函数随自变量的变化关系，以曲线、图形方式表示出来。 Rttiu(b) 热电阻(c) 光敏电阻2021/6/16562.2.3 2.2.3 信号的种类信号的种类1.1.按信号的描述形式划分按信号的描述形式划分 确定信号与随机信号；要点：给定的自

31、变量是否对应唯一确定的信号取值。对于确定信号，每一个信号值均有一个确定的信息，因此确定信号最简单、最容易利用的信号， 时间连续信号与离散信号；要点：自变量的定义域是否是整个连续区间。2021/6/1657 模拟与数字信号。要点：信号值域是否均连续.注：模拟信号有时间连续、时间离散之分，主要在于数值为无限个，连续变化。注：数字信号在于数值为有限个，不连续 能量信号和功率信号；要点：信号能量是否有限。 实信号与复信号；要点：信号取值是否为实数。数字信号模拟信号t图2-7 模拟信号与数字信号2021/6/1658B.B.按信号的物理形式划分按信号的物理形式划分 电信号（电压、电流、脉冲、频率等）：此

32、种信号因传输、转换、处理、使用方便而广泛应用。 光信号（强度、脉冲、频率等形式）：此种信号可通过光纤传输，容量大；抗电磁干扰能力强；信号转换方便。是一种很具优越性的信号。 电磁信号：此种信号无需敷设专门传输线路，在通讯行业广泛应用。电磁信号容易受电磁干扰，需要考虑抗干扰及滤波问题。 气信号（气压、气脉冲等）：通常利用压缩空气的压力信号来表示某种信息。气信号具有“本安”特性、不存在电磁干扰等优点，但气信号的传输距离有限、滞后大、损失大等不足，在对安全要求很高具距离较近的场合使用。注：气信号在传输信息同时，也可同时传输能量。2021/6/16592.3.1 2.3.1 信号拾取要求信号拾取要求n设

33、备、过程运行中应有一种或多种形式的性质或特征物理现象表现出来。n设备、过程运行中的性质、特征物理现象能被某种物质感知并能转化为其它装置接受与处理的信号。第三节 信息拾取与传感器设备、过程状态表征1表征2表征n图2-8 设备、过程状态2021/6/16602.3.2 2.3.2 传感器传感器n要确知所得信息的真实性，对信号的形式、种类、强弱、特性关系等有着特定的要求，这就要依靠传感器来感知信息并输出相应的信号。n广义地说，传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等信息，并能将其转化为可加以利用的信号的装置。n狭义地讲，感受被测物理信息（也称之为被测量）并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出

34、信号的装置。n由于电信号优越性，传感器的输出信号一般是电信号（如电流、电压、电阻、电感、电容、电频率等）2021/6/1661传感器的示例2021/6/1662传感器应满足的条件传感器能感知设备、过程的操作与运行状态信息并转化为信号，需要满足必要的条件： 传感器中具有一种特殊材料（敏感元件），对所要检测的物理信息具有很高的敏感性。 敏感元件获得的信号与所表现的信息之间具有确定的关系，且能直接应用或再转化应用。 也就是说传感器本身具有将物理信息赋予到输出信号特征量上的能力。地位传感器是感知、获取与检测信息的关键，是实现自动化的首要环节 2021/6/16632.3.3 2.3.3 传感器分类传感

35、器分类1.按被测量（传感器的用途）分类n如压力传感器、温度传感器、位移传感器、颜色传感器等。相应传感器一般按被测量命名，便于根据被测对象选择。2.按工作原理分类传感器的工作原理主要是基于电磁原理和固体物理学理论。n主要分为电阻式、电感式、电容式、电涡流式、热电式、压电式、光电式（红外、光纤等）、超声式、同位素式、微波式等。有利于从原理方面进行分析、设计应用2021/6/16643.按输出信号类型分类n传感器输出信号可分为模拟式与数字式两大类。n模拟式输出模拟信号，具有直观性，与数字设备相连需要引入模数转换环节；n数字式一般将被测量转换成脉冲、频率或二进制数码输出，抗干扰能力强.注：自动化仪表领

36、域，常被称为变送器；在一般电气装置领域，习惯称为传感器。一般而言，传感器广义的，变送器是特指的。两者之间存在着一定的区别。2021/6/1665第四节 信号转换放大与干扰消减2.4.1 2.4.1 信号转换与放大信号转换与放大1.信号转换传感器的输出信号形式取决于传感器本身，为了传输的需要、为了接收设备对信号形式、种类及大小、变化特性需要等，信号在传输、使用中可能进行一次或多次的转换。v比如电阻式传感器，其信号形式为阻值，不便于传输，应考虑转换为电压信号；v模拟信号要与数字设备相连，要考虑模拟信号向数字信号的转换；v数字信号要驱动模拟设备，则需转换为模拟量;v电信号转换为光信号通过光纤传输等。

37、2021/6/16662、信号放大通常传感器输出信号很小，不宜传输、不便使用，有些器件、设备对信号有阈值要求，特别是对于数字设备及逻辑设备而言，存在高电平与低电平的定义，所以信号应符合标准，否则可能造成逻辑上的错误。v信号传递、转换或使用前、过程中需要进行适当的放大，放大后的信号应具有原信号的全部信息特征。 放大 环节2021/6/16672.4.2 2.4.2 干扰与消减干扰与消减 根据信号的种类，对于信号的传输有不同技术要求与传输方式。 工程应用中的信号大多数为电信号，信号的传输则是以传输导线为主。传感器信号接收设备干扰电磁场图2-10 信号的传输2021/6/16681 1信号管线的阻抗

38、特性影响信号管线的阻抗特性影响 电信号沿导线传输，电荷会受到导体的电阻作用，导线与导线、导线与器件间存在着电容，即存在着对能量的储存，同时传输导线上也存在着感抗，对于信号的变化也会产生抑制作用； 气压信号沿管线传输时，也会受到管线的阻力作用，信号路线也存在着容量。 这些阻碍作用、容量储存等因素将会导致信号能量的损失，信号数值降低；原始信号的变化不及时得到反映，时间上造成滞后。2021/6/16692周围环境的电磁、静电干扰v环境中存在的电磁场将在信号传输导线中产生电磁感应，导线中会出现感应电势迭加在原始信号中，特别严重时会淹没原始信号。v静电感应也是一种干扰源，在传输导线各处，静电感应强度不一

39、，沿信号线各处静电电位不等，同样产生附加的电势。v除此以外，电源波动、雷电、温度、湿度的变化及接触点等均可能在传输线上产生附加电势。2021/6/16703 3干扰的消减与滤除干扰的消减与滤除 干扰无处不在，信号中或多或少都存在扰动，需要去设法消减、滤除干扰，保证信息的真实性。（1）在信号传输中，要考虑信号的电磁屏蔽、防雷防静电、接地问题，以及导线的特性阻抗匹配等技术问题；（2）同时考虑对信号种类的选择，不同类型的信号自身抗干扰的能力不同，因此选择一种适合的、可行的信号类型进行传输。（3）信号接收中一般可借助滤波去除干扰。v滤波的方法有多种，考虑信号的特征频率、频谱等特性，通过高通、低通、带通

40、与带阻、采样频率等手段尽可能地去除干扰，获得真实的信号。2021/6/1671第五节 信号制式与传输规则 一个信息源点（信息产生者）被传递到信息终点（消费者）获得应用按系统图示实施：当信号从信源点装载信息经过传输网络传递到目的系统后，应能被准确的接收，并正确分离出其中的信息。需要发送方与接收方都能理解并共同遵守的信号传输标准、约定或规则。v在自动化领域中，要从信号中得出操作指令、数据信息，必须清楚指令、数据信息是以什么格式、组织关系被赋予到信号的什么特征上的，也就是说必须首先找出操作指令、数据与信号特征间的关系信号制式或协议信号制式或协议源点发送器传输系统接收器终点输入信息输入信号发送信号接收

41、信号输出信号输出信息源系统传输系统目的系统2021/6/16722.5.1 2.5.1 信号制式信号制式v在现代信息传递网络出现之前，信息主要是在两个硬件间单向的、一对一交换，信息功能主要在于两硬件间连接、控制。信息较单一、容量小、格式简单，信息载体主要是模拟量或简单脉冲量信号，信息传输依靠单回路结构即可实现，信息传递系统结构简单。v信号制在这种简单的信息传输系统中，采用的两硬件间实现传递与接收、相互理解、共同遵守的信息传递规则。发信装置发信装置接收装置接收装置传输管、线传输管、线图图2-13 简单信息传递系统简单信息传递系统2021/6/1673v功能：主要是规定了建立、维持及断开物理通道所

42、需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性。其作用是确保信号能在物理通道上传输；约定了信息的一种简单表达形式，如用电流的大小来表示一个温度信息的大小，或者控制作用的强弱。其作用是描述信息加载部位。1、模拟信号制式用于模拟量设备之间进行信息的传递。v电动类早期：0-10mA.DC与0-2V.DC信号标准， 现国际标准：4-20mA.DC与1-5V.DC。v气动类：主要采用20-100KPa气压信号制式。2021/6/1674（2）脉冲（开关）信号制式脉冲是指在很短时间内出现的电压或电流信号。v脉冲具有较多的特征参数，加上脉冲信号通常具有突变性、短促性，可以承载更多的信息，除常规数据信息以外，还用

43、于承载操作指令。在自动控制、数字技术、计算机、通讯及多种电器装置等方面得到广泛的应用。v脉冲承载信息所用的特征主要集中于脉冲宽度、作用时刻（上升或下降）、脉冲高低电平（幅度）、脉冲周期、脉冲频率、脉冲个数等。(矩形波) (方波) (尖脉冲) (三角波) (阶梯波) (锯齿波)图2-15 几种常见脉冲信号波形2021/6/1675 在数字逻辑系统中，脉冲“高、低”电平表示数字“0、1”（图2-16所示）、逻辑“真、假”等； 脉冲作用时刻可用于描述某种作用动作时刻并触发该动作；脉冲宽度可用于描述并维持某种作用或动作的持续时间；脉冲频率或个数可用于表示某种信息的程度或数据大小； 转速测量中使用脉冲编

44、码器来表示转速与转向；在逻辑控制装置中应用脉冲来实现各种逻辑运算等。定时器内使用秒脉冲来实现计数与定时（图2-17所示）0 1 1 1 0 0 1 1 0图2-16 数字0-1的描述定时系统启动定时定时动作图2-17 秒脉冲计数与定时N个秒脉冲动作2021/6/16762.5.2 2.5.2 通讯协议通讯协议v现代传输是在复杂网络结构实体（硬件、软件）间多对多、双向、数字化方式进行信息交换，信息复杂、海量。需要一整套传输规则来约束、控制实体间的信息交换，保证信息传递与交换正常进行。v通讯协议、网络协议：网络系统中两实体间相互理解、共同遵守的控制信息传递与交换的规则集合。网络协议三要素：语义、语

45、法和时序规则三部分。语义：规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息，执行的动作和返回的应答；语法：规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式；时序：规定了信息交换的次序。2021/6/1677第三节第三节 自动化系统分类自动化系统分类按系统的功能任务与系统构建差异，分为三类：自动检测系统、自动控制系统、自动联锁保护系统。3.3.1、自动检测系统、自动检测系统 以获取设备、过程的操作与运行状态，并以指针、数字、数据表格或图形及其它形式显示出来为目的，同时配合参数警戒值设定，实现运行状态的监控与报警。 通过获取并显示出来的运行

46、状态，指导操作、控制、管理人员掌握设备、过程及生产运行状态，通过分析、判断、作出相关生产组织、调度、操作等决策。 生产设备、过程、环境状态参数1、2 参数n传感检测装置显示报警装置图3-12 自动检测系统转换与附属环节传输网络2021/6/1678随着通讯技术、网络技术的发展及应用深入，自动化检测系统正向网络化发展，通过有线、无线网络构建网络检测、监控系统。如：厂级集中监测系统（SIS）、环境监测系统、楼宇监测系统、危险源监测系统、设备状态监测系统等。图3-13 厂级设备集中监测系统（SIS）2021/6/1679v分析自动检测系统的任务过程，它主要涉及信息获取、信号转换与传输以及信息处理三个

47、过程。也就是说自动检测系统的结构主体是：传感检测环节、信号转换与传输环节、信息处理与显示环节。v在系统中，传递的信息是现场运行状态类数据信息，信号是单向传递的：由现场经传输转换环节到监控室或集中监控点。敏感元件转换放大处理与显示传输网络传输网络状态参数过程参数传输网络传输网络现场现场监控室监控室2021/6/16803.3.23.3.2、自动控制系统、自动控制系统 1、按控制方式分类分为两类，一是开环控制系统，也可称为自动操作系统，一是闭环控制系统，也可称之为反馈控制系统。 1）自动操纵（操作）系统开环控制系统v自动操作系统的主要目的是实现在无人干预的情况下，操作装置按预先设定的步骤、程序对设

48、备或过程自动进行相关的操作。v比如，手动遥控操作航空器、全自动洗衣机、数控车床步进电机开环进给系统等以及基于时基工作的控制系统，均属于自动操作类系统生产设备、过程状态参数1、2 参数n现场驱动执行机构时基程序装置图图3-14 自动操作系统（开环）自动操作系统（开环）转换及附属环节2021/6/1681v自动操纵（操作）系统存在的问题是“做”之后的效果怎样？是否实现预定的目标？这类有关结果的问题不属系统考虑的范畴。（操作效果不能送回自动修正操作方式）。v自动操作系统的任务过程，主要涉及操作指令的产生、操作指令的转换与传输、操作指令的实施三个过程。也就是说自动操作系统主体结构是：指令产生环节(控制

49、装置)、指令转换与传输环节、指令执行环节。v在系统中，产生与传递的信息是操作指令信息，信号传递也是单向的：由集中控制室或控制装置经传输转换环节到现场。执行环节转换放大指令产生环节传输网络传输网络动作参数传输网络传输网络现场现场监控室监控室2021/6/16822）反馈控制系统闭环控制系统v反馈控制系统的功能是自动检测设备、过程的运行状态，与设定状态进行比较，根据其偏差情况，按一定的方式或规律产生控制信号，自动调节设备、过程的运行状态，克服干扰影响，最终达到设定运行状态。自动操作系统的主要目的是实现在无人干预的情况下，操作装置按预先设定的步骤、程序对设备或过程自动进行相关的操作。生产设备、过程、

50、环境状态参数1、2 参数n传感检测装置显示、报警装置图3-15 反馈（闭环）控制系统转换与附属环节传输网络现场驱动执行机构转换及附属环节反馈控制装置网络系统 比较、 判断、 运算、 决策2021/6/1683v反馈控制系统结合了“看”、“做”、同时还具有“想”比较、判断、运算、决策能力。根据传感检测“看”的情况，进行比较、判断、运算、决策“想”，调整执行与操作行为“做”，使“做”的效果与设定目标一致。反馈控制系统有一关键环节：反馈，即根据控制结果传感检测送来的数据修正控制行为，也正因为反馈的引入，形成了闭环结构闭环控制系统。 自动操纵系统（做）自动检测系统（看）生产设备、过程、环境状态参数1、

51、2 参数n传感检测装置显示、报警装置图3-15 反馈（闭环）控制系统转换与附属环节传输网络现场驱动执行机构时基、程序控制装置转换及附属环节反馈控制装置网络系统 比较、 判断、 运算、 决策反馈闭环控制系统看想做2021/6/1684v分析反馈控制系统的任务过程：它涉及现场运行状态信息的获取与传输、对现场运行信息的分析、判断与决策并产生控制信号、控制信号的传输及执行三大过程。也就是说反馈控制系统的主体结构为：现场生产运行信息获取与传输环节传感检测、信息处理环节控制装置与网络、控制信息的传输与执行环节驱动与执行。v在系统中，存在两类信息：一类是由现场传递到控制装置的反映现场运行状态的数据信息，另一

52、类是由控制装置产生的传递到现场需要被执行的指令类信息。v从系统功能与结构比较，反馈控制系统通过控制装置与网络实现了自动检测系统、自动操作系统的联接。生产设备、过程、环境状态参数1、2 参数n传感检测装置显示、报警装置图3-15 反馈（闭环）控制系统转换与附属环节传输网络现场驱动执行机构转换及附属环节反馈控制装置网络系统 比较、 判断、 运算、 决策2021/6/1685v2、按设定值特点分类按设定值特点分类v按设定值情况又可分为定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统等主要类型。v1 1）定值控制系统）定值控制系统v设备、过程的运行状态设定值为恒定不变的自动控制系统。设备、过程的运行状态设定值

53、为恒定不变的自动控制系统。 控制器冷料进热料出燃料气控制阀传感器加热炉图3-16 定值控制系统2021/6/1686v工艺过程：物料通过加热炉内管道，吸收加热炉炉膛热量后，温度升高到设定温度后，由出口管送出。加热炉炉膛热量由燃料气在炉膛内燃烧产生。v干扰因素：冷物料进料量变化，冷物料温度、压力变化，烯料气流量、压力变化，v控制过程：传感检测装置感知热料出口温度，并转化为电信号，与设定温度对应的电信号比较，两者不等时，控制器便会根据差值的大小与极性产生相应变化的控制信号，开大或关小控制阀，改变燃料气量的大小，调节炉膛热量（温度），达到控制热料出口温度的目的。控制器冷料进热料出燃料气控制阀传感器加

54、热炉2021/6/1687v2 2）程序控制系统）程序控制系统v当自动控制系统的设定值是已知的时间函数时，这类控制系统为程序控制系统。v如工业窑炉的温度控制要求：在第一时间段内，将窑炉内温度升到温度T1，保持此温度预热第二段时间t2,然后在第三时间段内将温度升至T2，在第四时间段内保持温度不变，最后在第五时间段内，将温度降到常温，完成整个加热过程。以此窑炉内温度为控制指标时，运行温度要求如图所示，其温度指标按程序性、规律性的改变，为程序控制系统。v程序控制系统可以是开环的，也可以是闭环的。如果利用反馈技术实现闭环控制，则可以提高系统的运行控制精度。时间图3-17 窑炉运行温度控制 一段 二段

55、三段 四段 五段温度T2T12021/6/16883 3）随动控制系统（伺服系统）随动控制系统（伺服系统）v在自动控制系统中，设定值为预先未知的随时间变化的函数，这种反馈控制系统为随动控制系统（也叫伺服控制系统）。v如导弹跟踪系统、雷达导引系统、航天器导引系统等，其目标参数并非预先确定，那么跟踪系统需要随目标参数自动捕获而实时进行调整。如图所示，导弹在跟踪敌方飞行器的飞行控制过程中，跟踪方位随敌方目标不断进行调整，从而最终击中目标。图3-18 随动控制导弹跟踪轨迹2021/6/16893.3.33.3.3、自动报警与联锁保护系统、自动报警与联锁保护系统v生产设备、过程在运行中存在着多种干扰，使

56、设备、过程的运行偏离设定状态，自动控制系统的目的就是克服干扰影响，控制设备、过程回复到设定状态。v生产中出现难以克服的干扰因素、或系统中某些环节出现的故障，造成被控制设备、过程的状态达到警界状态，为及时的发现异常、及时进行干预，需要自动进行声、光报警；如果状态达到事故临界值，为了防止事故的发生或事故的扩大，相关设备、过程自动进入紧急处理程序，按规定的条件或程序联锁动作，如停车、制动、关闭、排空、熄火等操作。大型完善的联锁保护系统也叫紧急停车系统（ESD控制系统）。v报警与联锁保护系统是位于自动控制系统之上的更高层次的系统。在设备、过程处于正常运行状态时，自动控制系统实施以质量、数量、效益为目标

57、的生产控制；当生产过程达到危险状态时，联锁系统将按设计要求接管控制权，实施以安全为基本要务的紧急操作。2021/6/1690图3-20 加热炉的安全联锁保护系统T出料温度调节器；P燃料压力调节器；GL进料流量调节器；GR燃料流量调节器；Bs火焰温度监测器开关；Ls低值选择器v以燃料气为燃料的加热炉生产设备。通过分析知：以燃料气为燃料的加热炉中主要危险有以下几点：(1)被加热工艺介质流量过低或 中断。此时必须采取切断燃料气 进气调节阀，停止供给燃料，停止 燃烧，防止加热炉炉管烧坏、破裂而引起重大火灾事故。(2)当火焰熄灭时会在燃烧室内形成能量积累效应，产生引起爆炸性的燃料与空气的混合物，若不注意

58、用蒸汽吹扫，会引发炉瞠爆炸。(3)当燃料气压过低、流量过小时，会出现火焰回流到燃气管内现象。必须保证最小燃料气供应流量或压力。(4)当燃料气压力过高、燃烧速度小于流体速度时，会造成喷嘴脱火、灭火现象，导致燃烧室形成爆炸的条件。2021/6/1691为保证大型加热炉的安全生产；防止发生事故而造成极为严重的损失，应有必要的安全联锁保护系统。v正常生产时，用炉出口温度来调节 燃料气量的大小。当调节阀后的燃料 气压力过高达安全极限时，压力调节器 P通过低值选择器Ls取代温度调节器 工作，关小调节阀以防止脱火。一旦 压力恢复正常，仍由温度调节器控制燃气流量。v当燃气流量过低时，GR联锁报警信号使三通电磁阀线圈失电，调节器输出气压信号放空，切断燃料气供给阀，防止回火事故。联锁动作以后，只有经人工检查确认危险已彻底消除才可人工复位，继续按程序投入运行，避免误动作造成再次爆炸事故。v当工艺介质流量过低或供应中断时，GL信号切断燃料气调节阀，停止燃烧。或者因火焰熄灭、火焰监测器开关Bs动作，同样也停止供燃料气。 图3-20 加热炉的安全联锁保护系统T出料温度调节器；P燃料压力调节器；GL进料流量调节器；GR燃料流量调节器；Bs火焰温度监测器开关；Ls低值选择器2021/6/1692 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！