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1、第七章第七章自动化技术自动化技术一、自动化的一、自动化的基本基本概念概念自动化就在我们的身边自动化就在我们的身边1、红绿灯为什么会自动切换？红绿灯为什么会自动切换？2 2、电冰箱电冰箱为什么会制冷？为什么会制冷？3 3、微波炉微波炉为什么能根据预先的设定，自动加热为什么能根据预先的设定，自动加热不同的食物？不同的食物？4 4、抽水抽水马桶冲完水，水箱桶冲完水，水箱将自动灌将自动灌水水而不溢出而不溢出？水位控制水位控制水位球球控制对象：控制对象：水位水位控制目标：控制目标：水位保持平稳水位保持平稳控制过程：控制过程：进水开关进水开关蒸汽机上的离心式调节器蒸汽机上的离心式调节器控制对象：转速。控制
2、对象：转速。控制目标：速度稳定。控制目标：速度稳定。控制过程（手段）：在蒸汽控制过程（手段）：在蒸汽机转轴上安装了一个飞球，机转轴上安装了一个飞球，并与蒸汽阀门连接起来。当并与蒸汽阀门连接起来。当蒸汽机转速太快时，飞球升蒸汽机转速太快时，飞球升高，蒸汽阀门开得小，蒸汽高，蒸汽阀门开得小，蒸汽机就降速。反之，转速减慢机就降速。反之，转速减慢了，飞球就降低，蒸汽阀门了，飞球就降低，蒸汽阀门开大，使蒸汽机升速。开大，使蒸汽机升速。电冰箱工作电冰箱工作控制对象：温度。控制对象：温度。控制目标：温度稳定。控制目标：温度稳定。控制过程（手段）：当控制过程（手段）：当传感器温度比设置的温传感器温度比设置的温
3、度高时，启动压缩机工度高时，启动压缩机工作；当传感器温度低于作；当传感器温度低于设置的温度时，停止压设置的温度时，停止压缩机工作。缩机工作。压缩机T温度传感器控制器古代自动装置：古代自动装置：铜壶滴漏铜壶滴漏整件由日整件由日壶、月壶、壶、月壶、星壶、受星壶、受水壶组成。水壶组成。古代的自动化装置：古代的自动化装置： - -中国的指南车中国的指南车 指南车：是用一辆双轮独指南车：是用一辆双轮独辕车组成，由马来拉动。车箱辕车组成，由马来拉动。车箱内采用一种能自动离合的齿轮内采用一种能自动离合的齿轮系统。车箱外壳上层，置有一系统。车箱外壳上层，置有一个木刻的仙人，无论车朝哪个个木刻的仙人，无论车朝哪
4、个方向转弯，它的伸臂都指向南方向转弯，它的伸臂都指向南方。方。 指南车的制法，主要是采指南车的制法，主要是采用差动齿轮的机械用差动齿轮的机械原理原理。 指南车的指南车的齿轮传动和自动齿轮传动和自动离合装置显示离合装置显示了古代机械技术了古代机械技术的卓越成就。的卓越成就。风后和指南车风后和指南车记里鼓车记里鼓车北宋北宋利用齿利用齿轮传动轮传动的原理的原理汽车的汽车的里程表里程表 在魏晋时期出现。记在魏晋时期出现。记里鼓车分上下两层，上层里鼓车分上下两层，上层设一口钟，下层设一鼓。设一口钟，下层设一鼓。车上有一木人，峨冠锦袍，车上有一木人，峨冠锦袍，坐于车的下层。车走十里，坐于车的下层。车走十里
5、，小木人击鼓一次；每击鼓小木人击鼓一次；每击鼓十次，小木人就上升到上十次，小木人就上升到上一层，击钟一次，煞是有一层，击钟一次，煞是有趣。趣。当今的自动化当今的自动化 放眼今天的社会生活、生产、各行各业，放眼今天的社会生活、生产、各行各业，自动化装置和系统无处不在。自动化装置和系统无处不在。日本韩韩国国会会看看家家会会唱唱歌歌自动化自动化 机器设备或生产过程在没有人的机器设备或生产过程在没有人的直接干预下，按预期的目标实现测量、直接干预下，按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。操纵等信息处理和过程控制的统称。 自动化的基础是控制论、信息论、自动化的基础是控制论、信息论、系统论。
6、系统论。 自动化技术的核心：控制论。自动化技术的核心：控制论。 19481948年，美国数学家年，美国数学家诺伯特诺伯特 维纳维纳（Norbert Norbert WienerWiener）与一些医生、生物学家、数学家以及与一些医生、生物学家、数学家以及工程技术人员合作，经过长达十几年的研究，工程技术人员合作，经过长达十几年的研究，发表了专著发表了专著“控制论控制论”，终于提出了现代自动，终于提出了现代自动化技术的核心化技术的核心控制论控制论( (Cybernetics)Cybernetics)。 1940年年, 维纳维纳(Norbert Wiener,美国美国,18941964),首先倡导使
7、用二进制编码形式首先倡导使用二进制编码形式控制论控制论自动化基本内容自动化基本内容1、控控制制2、系统系统3、控制系统控制系统4 4、反馈和反馈控制系统、反馈和反馈控制系统 5、数字控制技术、数字控制技术 （计算机控制）（计算机控制）控控制制v控控制制是是一一种种有有目目的的的的特特定定作作用用、和、和有目的的主有目的的主动行行为。v控控制制的的本本质是是调节，是是对“离离向向”或或“离离轨”的的倾向向的的调节，目目的的是是使使事事物物的的运运动沿沿着着既既定的方向和定的方向和轨道正常运行。道正常运行。自动控制是自动化技术的核心。自动控制是自动化技术的核心。 没有目的就谈不上控制。没有目的就谈
8、不上控制。 旗幡在风中飘动旗幡在风中飘动 机械运动过机械运动过程，不是一程，不是一种控制过程种控制过程 鸟儿在风中飞翔鸟儿在风中飞翔 反抗外界扰动作用的能反抗外界扰动作用的能力，是控制的过程力，是控制的过程 自动控制自动控制自动控制：自动控制： 不需要人的直接参预不需要人的直接参预, ,而控制而控制某些物理量按照指定的规律变化。某些物理量按照指定的规律变化。对于工程系统：对于工程系统： 自动控制自动控制 = = 自动化自动化 系统系统1 1、系统与元件、系统与元件系统：系统：是由相互作用和相互制约的各个部份是由相互作用和相互制约的各个部份（元件）（元件）组成的、具有一定功能的有机整体。组成的、
9、具有一定功能的有机整体。计算机是是一个系统。计算机是是一个系统。学生、教师、黑板、学生、教师、黑板、粉笔等教具以及教室粉笔等教具以及教室组成了一个组成了一个教学系统教学系统。空调是一个系统。空调是一个系统。大脑是是一个系统大脑是是一个系统。 2 2、系统与环境、系统与环境开（开（OpenOpen）系统：系统：与外部有能量或信与外部有能量或信息的交换。息的交换。闭（闭（CloseClose）系统：系统：与外部没有能量或与外部没有能量或信息的交换。信息的交换。控制系统控制系统1 1、控制系统的三个必要元素、控制系统的三个必要元素施控者施控者( (作用者作用者) )受控者受控者( (被作用者被作用者
10、) )，传递者：以及将作用由作用者传递到受作用者传递者：以及将作用由作用者传递到受作用者控制系统：控制系统：就是由施控者、受控者以及就是由施控者、受控者以及传递者这三个部份所组成的、能够对受传递者这三个部份所组成的、能够对受控者的状态进行控制的系统。控者的状态进行控制的系统。 2 2、控制系统的结构框图、控制系统的结构框图反馈反馈 浙江浙江工业大学工业大学反馈：反馈：在自动控制系在自动控制系统中统中, ,把输出量的一部把输出量的一部分送回系统的输入端分送回系统的输入端, ,对控制对象进行控制对控制对象进行控制, ,这一过程叫反馈这一过程叫反馈。反馈控制反馈控制：（又：（又称闭环控制）称闭环控制
11、） 控制系统的输出控制系统的输出量通过反馈直接量通过反馈直接影响控制作用的影响控制作用的控制方式。控制方式。负反馈负反馈：反馈信反馈信号与给定输入信号与给定输入信号是相减的，即号是相减的，即使偏差减小，从使偏差减小，从而削弱控制作用。而削弱控制作用。正反馈正反馈：反馈信反馈信号与给定输入信号与给定输入信号是相加的，即号是相加的，即使偏差加大，从使偏差加大，从而增强控制作用。而增强控制作用。反馈是控制理反馈是控制理论的基石！论的基石！开环系统开环系统控制器控制器执行器执行器控制对象控制对象输入量输入量输出量输出量输出端对输入没输出端对输入没有实施任何控制。有实施任何控制。即没有即没有“反馈反馈”
12、开环系统应用：开环系统应用：水塔水塔定时器定时器水泵水泵水位水位预期水位预期水位实际水位实际水位工作：如每天工作：如每天8:00 8:308:00 8:30给水塔打水。给水塔打水。实际水位和预期水位的没有关联。实际水位和预期水位的没有关联。人工控制的水箱水位系统人工控制的水箱水位系统 人工控制水塔水位人工控制水塔水位 在人工控制系统中，通过人，将输出量在人工控制系统中，通过人，将输出量H H的的大小用来改变阀门的开度，即输出信息对系统大小用来改变阀门的开度，即输出信息对系统的控制作用有直接影响。的控制作用有直接影响。 闭环控制系统闭环控制系统 闭环系统的相关概念闭环系统的相关概念闭环系统的特点
13、：闭环系统的特点：将系统的输出信息反送回将系统的输出信息反送回到输入端，使输出信息也参与对系统到输入端，使输出信息也参与对系统( (当然当然也对输出本身也对输出本身) )进行控制。进行控制。 反馈控制系统（反馈系统）：反馈控制系统（反馈系统）：有了反馈后，有了反馈后，就构成了闭环控制系统。就构成了闭环控制系统。负反馈系统负反馈系统：不管造成偏差的原因是什么，：不管造成偏差的原因是什么，都利用负反馈方法来控制对象，使都利用负反馈方法来控制对象，使偏差消偏差消除除或或基本消除基本消除，从而使被控对象达到预定，从而使被控对象达到预定目标。目标。开环系统和在闭环系统比较开环系统和在闭环系统比较 开环系
14、统中，只有从施控者传向被控开环系统中，只有从施控者传向被控者的控制信息，信息的传递是单方向的。者的控制信息，信息的传递是单方向的。 闭环系统中，不但有从施控系统传向闭环系统中，不但有从施控系统传向被控系统的控制信息，而且有从被控系统被控系统的控制信息，而且有从被控系统传向施控系统的反馈信息，信息的传递是传向施控系统的反馈信息，信息的传递是双方向的，闭环系统中存在着信息的闭合双方向的，闭环系统中存在着信息的闭合回路。回路。反馈系统的基本结构反馈系统的基本结构基本结构基本结构：由传感器、控制器、反馈：由传感器、控制器、反馈装置和执行机构组成。装置和执行机构组成。传感器传感器 :负责感受周围物体和情
15、况负责感受周围物体和情况（收集信息和传递信息收集信息和传递信息）-耳聪目耳聪目明明 控制器控制器 :负责指挥负责指挥（处理信息和作出决策）（处理信息和作出决策）-指挥有指挥有方方 执行器执行器 :负责执行命令、采取行动负责执行命令、采取行动（执行信息执行信息） -手脚灵活手脚灵活 控制系统评价标准：稳、快、准控制系统评价标准：稳、快、准反馈控制系统基本结构反馈控制系统基本结构图图控制器：控制器：在负反馈系统中，控制器的输入是系统的误差在负反馈系统中，控制器的输入是系统的误差 ( (偏差偏差) )：误差输入量反馈量：误差输入量反馈量 控制器根据误差的大小，按照预先设计的控制方法，计控制器根据误差
16、的大小，按照预先设计的控制方法，计算出应当采用什么样的控制规律，作为控制器的输出，送给算出应当采用什么样的控制规律，作为控制器的输出，送给执行器。执行器。反馈控制系统基本结构反馈控制系统基本结构图图执执行行器器：它它的的输输入入是是控控制制器器送送来来的的控控制制规规律律，执执行行器器要要提提供供足足够够的的能能量量，按按控控制制规规律律产产生生控控制制作作用用，作作用用到到控控制制对对象象上上，使使控控制制对对象象能能达达到到预预定定的的控控制制目标。目标。 反馈控制系统基本结构反馈控制系统基本结构图图控控制制对对象象：它它是是我我们们要要进进行行控控制制的的设设备备、过过程程、系系统统。它
17、它接接受受来来自自执执行行器器的的控控制制作作用用，被被控控制制量量作作为为输出。输出。反馈控制系统基本结构反馈控制系统基本结构图图检测装置：检测装置：也称为传感器。也称为传感器。 它它用用来来测测量量被被控控制制量量( (控控制制对对象象的的输输出出) )，并并将将其转换成与系统输入量同一性质的物理量。其转换成与系统输入量同一性质的物理量。控制系统的稳态过程控制系统的稳态过程控制系统评价指标控制系统评价指标 “稳、快、准稳、快、准” “稳稳”：是指系统的稳定性。：是指系统的稳定性。“快快”：是指系统响应的快速性。：是指系统响应的快速性。“准准”：是指系统的稳态控制精度。：是指系统的稳态控制精
18、度。 控制系统的抗干扰能力也是性能指标的一控制系统的抗干扰能力也是性能指标的一个重要方面。个重要方面。 控制技术控制技术1 1、PIDPID控制控制 比比例例（P P）：代代表表了了当当前前的的信信息息，起起纠正偏差的作用，使过程反应迅速；纠正偏差的作用，使过程反应迅速； 微微分分（D D）：在在信信号号变变化化时时有有超超前前控控制制作作用用，代代表表了了将将来来的的信信息息。在在过过程程开开始始时时强强迫迫过过程程的的进进行行，过过程程结结束束时时减减小小超超调调，克克服服振振荡荡，提提高高系系统统的的稳稳定定性性，起起到到加加快快系统的过渡过程作用；系统的过渡过程作用； 积分（积分（I
19、I）：）：代表了过去积累的信息，代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。它能消除静差，改善系统静态特性。控制技术控制技术2 2、先进控制技术先进控制技术 鲁棒控制（鲁棒控制（Robust ControlRobust Control） 预测控制（预测控制（Predictive ControlPredictive Control） 模糊控制（模糊控制（Fuzzy ControlFuzzy Control） 专家控制（专家控制（Expert ControlExpert Control） 检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置 检测技术与自动化装置，是运用现代检测技术与自动化装置，是运
20、用现代物理、控制理论、电子学、计算机科学和物理、控制理论、电子学、计算机科学和计量科学，研究被控对象的信息提取、转计量科学，研究被控对象的信息提取、转换、传递与处理的理论、方法和技术的学换、传递与处理的理论、方法和技术的学科。它以自动控制系统为对象，研究相关科。它以自动控制系统为对象，研究相关的信息检测技术、可靠性技术，研究传感的信息检测技术、可靠性技术，研究传感器、变送器、控制器、执行机构等自动化器、变送器、控制器、执行机构等自动化装置的集成化与智能化。装置的集成化与智能化。 传感器传感器 在工业过程的各种参数检测中，常用在工业过程的各种参数检测中，常用的传感器有电量传感器、力学量传感器的传
21、感器有电量传感器、力学量传感器（含压力、位移、角速度传感器等）、温（含压力、位移、角速度传感器等）、温度传感器、湿度传感器以及物理化学成份度传感器、湿度传感器以及物理化学成份传感器等。传感器等。 软测量技术软测量技术 软测量软测量(Soft Sensor)是指应用计算机是指应用计算机技术，对于一些难以测量或不能测量的重技术，对于一些难以测量或不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量要变量，选择另外一些容易测量的变量(称为二次变量称为二次变量)，通过构成某种数学关系，通过构成某种数学关系来判断和估计，以软件来代替硬件功能。来判断和估计，以软件来代替硬件功能。 软测量仪表具有响应迅速、连续给出软测量仪表具有响应迅速、连续给出未知变量信息、投资低和维护保养简单等未知变量信息、投资低和维护保养简单等优点优点. 自动化仪表自动化仪表 工业自动化仪表是在工业生产过程中，对工业自动化仪表是在工业生产过程中，对工艺参数进行自动检测、显示、记录或控制的工艺参数进行自动检测、显示、记录或控制的仪表，又称工业仪表或过程检测控制仪表。此仪表，又称工业仪表或过程检测控制仪表。此外，利用工业自动化仪表还可实现信息远距离外，利用工业自动化仪表还可实现信息远距离传送和数据处理。传送和数据处理。
