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1、自动化教研室,第2章 自动控制系统,主讲：顾德英,2.1 自动控制系统的组成 2.2 自动控制系统分类 2.3 计算机控制系统,2.1 自动控制系统的组成,自动控制系统 (Automatic Control System)： 由被控对象（简称为对象）和自动控制装置按一定方式联 结起来的、能自动地完成一定控制任务的总体。 基本特征： 控制系统中各个组成部件之间存在着控制和信息联系， 控制的目的是使被控对象的输出能自动地按预定的规律运 行，达到预期目标。,自动控制系统基本组成方框图,1.自动控制装置,过程控制系统 实验装置,由被控对象、执行机构、元件测量、控制器、放大元件等组成。,被控对象 被控对
2、象(Plants)是控制系统所控制和操纵的对象，一般指所需控制的设备或生产过程。 常见的控制对象有： 锅炉 加热炉 反应釜 压缩机 旋转窑等生产设备,执行机构 执行机构(Actuator)根据控制信号的大小和方向对被控对象进行直接操作，使其被控量按要求发生变化。 常用执行机构 气动调节阀 电动调节阀 电动机及液压马达 变频器,交流电动机与变频器,测量元件 测量元件(Measurement Element)用来测量被控量（系统输出量）的实际值，并经过信号处理转换为与被控量有一定函数关系，且与控制输入信号具有同一种能量形式的信号。测量元件是一种典型的反馈部件。,温度传感器,压力传感器,变送器,电流
3、互感器,电压传感器,校正装置（Correcting Device） 也称为控制器(Controller)或补偿装置。 它根据误差信号并按照某种控制规律产生控制信号，通过执行机构对被控对象施加影响，使被控对象按照预定要求进行工作。目前控制器大多采用计算机。,可编程控制器（PLC）,单片机系统,数字化仪表,工业控制计算机（IPC）,放大元件 将控制器输出信号放大并进行能量形式变换，使其在 形式、幅值及功率上能满足执行机构要求。 给定环节 给定环节是根据工艺要求给出被控量的期望值 来产生控制输入信号的装置 比较部件 比较部件用于对控制输入信号进行比较，得出偏差信号。,简单的水箱液位控制,水箱液位自动
4、控制系统,2.控制系统中常用的名词术语,系统输入量 也称给定值(Set Value)，它是指对系统输出量的预定要求（期望值）。其数值大小与生产工艺有关。 控制输入信号r 也称给定信号，它是给定环节的输出信号，并直接作用于比较部件上的输入信号。其与反馈信号具有同一种能量形式的信号。 系统输出量 也称被控量(Controlled Variable)，它是由控制系统加以控制的被控对象的运动参数或状态的物理量。,反馈信号 利用测量变送元件把系统输出量检测出来并经变换处理后的信号，送回到系统输入端的比较元件中去，则称该信号为反馈信号(Feedback Signal)。若反馈信号与控制输入信号相减，则称为
5、负反馈，反之，若相加，则称为正反馈。 误差信号（误差）e 误差信号(Error Signal)是控制输入信号与反馈信号之差 扰动量 扰动(Disturbances)是指那些对系统输出量不利的信号，它使被控量向偏离给定值方向变化。如果扰动产生在系统的内部，称为内部扰动；反之，当扰动产生在系统的外部时，则称之为外部扰动。,2.2 自动控制系统分类,自动控制系统由于其结构性能和完成的控制任务不同，分类方法较多，可按控制系统的输入信号特征、控制方式、控制元件的特性分类。,2.2.1 按控制系统输入信号变化规律分类,1. 恒值控制系统 ：恒值控制系统的给定值为常量，控制系统的任务是尽量排除各种扰动的影响
6、，以一定精度维持系统被控量在期望的数值上。,2. 随动控制系统 ：随动控制系统又称为伺服控制系统(Servo-contrlled System)或跟踪控制系统(Follow-up control System)，这类控制系统的给定值不是一个常量，而是一个事先难于确定的随时间任意变化的量。要求系统的被控量能以一定的精度迅速平稳地跟踪给定值的变化。 国防上的火炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。,3. 程序控制系统 ：程序控制系统(Programed Control System)的给定值不是常量，但事先是可以确定的随时间有规律变化的量。 要求系统的被控量能快速、准确地
7、跟随给定值的变化。,2.2.2 按控制方式分类,1. 开环控制系统 ：开环控制(Open-loop Control)是一种最简单的控制方式，它是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的控制系统称为开环控制系统(Open-loop Control System)。 2. 闭环控制系统 ：闭环控制系统(Closed-loop Control System)又称反馈控制系统(Feedback Control System)。反馈控制方式是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。,3. 复合控制系统：在反馈控制方式的基础上增加了对主要扰动的前馈
8、控制方式称为复合控制方式。按复合控制方式组成的系统称为复合控制系统(Compound Control System)。对于可测量的主要扰动，可以采用适当的补偿装置（前馈控制器）实现对其进行控制，同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。,2.2.3按控制系统元件的特性分类,线性控制系统 ：当控制系统的各个元件的输入/输出特性是线性特性，控制系统的动态过程可以用线性微分方程（或线性差分方程）来描述。则称这种控制系统为线性控制系统。 非线性控制系统 ：当控制系统中的一个或一个以上的非线性元件时，控制系统的动态过程就用非线性方程来描述，由非线性方程描述的控制系统称为非线性控制
9、系统 。,2.3 计算机控制系统,计算机控制是自动控制发展中的高级阶段，是自动控制的重要分支。计算机控制系统利用计算机的硬件和软件代替自动控制系统的控制器，它以自动控制理论、计算机技术和检测技术等为基础。计算机控制广泛应用于工业、国防和民用的各个领域。,绝大多控制系统的被控量是连续时间信号 计算机等数字运算装置只能处理数字信号,连续信号变换为离散信号的采样过程,2.3.1 从模拟量到数字量,零阶保持器的信号保持过程,2.3.2 计算机控制,A/D和D/A构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁，一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图。,数字计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件
10、，一个计算机控制系统也必须包括硬件和软件两部分。 1. 硬件组成,计算机主机 由中央处理器(CPU)、存储器和接口组成的主机是控制系统的核心，它根据输入设备送来的反映设备或过程工作状态的信息，以及既定的控制规则(算法)，进行运算处理，并将处理结果通过输出设备向设备或过程发送控制命令。另外，主机还要接受来自操作台的操作命令。 输入输出设备 A/D、D/A是模拟量输入输出设备。除此之外，还有开关量输入输出设备，负责将设备或过程的开关、触点等开关量信号送入主机，将主机关于通/断的控制命令传至设备或过程。 人机接口设备 除了通用的CRT显示器、键盘和打印机外，还包括专用的操作显示面板或操作显示台，主要用于操作员发操作命令、设置控制系统参数、显示工作状态等。,二、软件组成 软件是计算机控制系统的神经中枢，负责指挥计算机控制系统的活动。软件主要有系统软件和应用软件两部分。 系统软件 指为用户使用、管理、维护计算机所提供的计算机程序，一般包括操作系统、算法语言、数据库、诊断程序等。 应用软件 指为完成具体对象自动控制任务而编制的专用软件，通常包括数据采集及处理程序、控制程序、过程监视程序、打印制表程序等。,自动化教研室, Add your company slogan ,Thank You !,