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1、第七章,自动化技术,一、自动化的基本概念,自动化就在我们的身边,1、红绿灯为什么会自动切换？2、电冰箱为什么会制冷？3、微波炉为什么能根据预先的设定，自动加热不同的食物？4、抽水马桶冲完水，水箱将自动灌水而不溢出？,水位控制,水位,球,控制对象：水位,控制目标：水位保持平稳,控制过程：进水开关,蒸汽机上的离心式调节器,控制对象：转速。控制目标：速度稳定。控制过程（手段）：在蒸汽机转轴上安装了一个飞球，并与蒸汽阀门连接起来。当蒸汽机转速太快时，飞球升高，蒸汽阀门开得小，蒸汽机就降速。反之，转速减慢了，飞球就降低，蒸汽阀门开大，使蒸汽机升速。,电冰箱工作,控制对象：温度。控制目标：温度稳定。控制过
2、程（手段）：当传感器温度比设置的温度高时，启动压缩机工作；当传感器温度低于设置的温度时，停止压缩机工作。,压缩机,T,温度传感器,控制器,古代自动装置：铜壶滴漏,整件由日壶、月壶、星壶、受水壶组成。,古代的自动化装置： -中国的指南车,指南车：是用一辆双轮独辕车组成，由马来拉动。车箱内采用一种能自动离合的齿轮系统。车箱外壳上层，置有一个木刻的仙人，无论车朝哪个方向转弯，它的伸臂都指向南方。 指南车的制法，主要是采用差动齿轮的机械原理。 指南车的齿轮传动和自动离合装置显示了古代机械技术的卓越成就。,风后和指南车,记里鼓车,北宋,利用齿轮传动的原理,汽车的里程表,在魏晋时期出现。记里鼓车分上下两层
3、，上层设一口钟，下层设一鼓。车上有一木人，峨冠锦袍，坐于车的下层。车走十里，小木人击鼓一次；每击鼓十次，小木人就上升到上一层，击钟一次，煞是有趣。,当今的自动化,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。,日本,自动化,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、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、系统论。 自动化技术的核心：控制论。,1948年，美国数学家诺伯特维纳（Norbert Wiener）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，发表了专著“控制论”，终于提出了现代自动化技术的核心控制论(
4、Cybernetics)。,1940年, 维纳(Norbert Wiener,美国,18941964),首先倡导使用二进制编码形式,控制论,自动化基本内容,1、控制2、系统3、控制系统4、反馈和反馈控制系统 5、数字控制技术 （计算机控制）,控制,控制是一种有目的的特定作用、和有目的的主动行为。控制的本质是调节，是对“离向”或“离轨”的倾向的调节，目的是使事物的运动沿着既定的方向和轨道正常运行。,自动控制是自动化技术的核心。,没有目的就谈不上控制。,旗幡在风中飘动,机械运动过程，不是一种控制过程,鸟儿在风中飞翔,反抗外界扰动作用的能力，是控制的过程,自动控制,自动控制： 不需要人的直接参预,而
5、控制某些物理量按照指定的规律变化。对于工程系统： 自动控制 = 自动化,系统,1、系统与元件,系统：是由相互作用和相互制约的各个部份（元件）组成的、具有一定功能的有机整体。,计算机是是一个系统。,学生、教师、黑板、粉笔等教具以及教室组成了一个教学系统。,空调是一个系统。,大脑是是一个系统。,2、系统与环境,开（Open）系统：与外部有能量或信息的交换。,闭（Close）系统：与外部没有能量或信息的交换。,控制系统,1、控制系统的三个必要元素,施控者(作用者)受控者(被作用者)，传递者：以及将作用由作用者传递到受作用者,控制系统：就是由施控者、受控者以及传递者这三个部份所组成的、能够对受控者的状
6、态进行控制的系统。,2、控制系统的结构框图,反馈,浙江工业大学,反馈：在自动控制系统中,把输出量的一部分送回系统的输入端,对控制对象进行控制,这一过程叫反馈。,反馈控制：（又称闭环控制） 控制系统的输出量通过反馈直接影响控制作用的控制方式。,负反馈：反馈信号与给定输入信号是相减的，即使偏差减小，从而削弱控制作用。,正反馈：反馈信号与给定输入信号是相加的，即使偏差加大，从而增强控制作用。,反馈是控制理论的基石！,开环系统,输出端对输入没有实施任何控制。即没有“反馈”,开环系统应用：水塔,工作：如每天8:00 8:30给水塔打水。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,人工控制水塔
7、水位,在人工控制系统中，通过人，将输出量H的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。,闭环控制系统,闭环系统的相关概念,闭环系统的特点：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(当然也对输出本身)进行控制。 反馈控制系统（反馈系统）：有了反馈后，就构成了闭环控制系统。负反馈系统：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，使偏差消除或基本消除，从而使被控对象达到预定目标。,开环系统和在闭环系统比较,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。,闭环系统中，不但有从施控系统传向被控系统的控制信息，而且有从被控系统传向施控系统的
8、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回路。,反馈系统的基本结构,基本结构：由传感器、控制器、反馈装置和执行机构组成。,传感器 :负责感受周围物体和情况（收集信息和传递信息）-耳聪目明 控制器 :负责指挥（处理信息和作出决策）-指挥有方 执行器 :负责执行命令、采取行动（执行信息） -手脚灵活 控制系统评价标准：稳、快、准,反馈控制系统基本结构图,控制器：在负反馈系统中，控制器的输入是系统的误差 (偏差)：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。,反馈控制系统基本结构图,执行器：它的输入是
9、控制器送来的控制规律，执行器要提供足够的能量，按控制规律产生控制作用，作用到控制对象上，使控制对象能达到预定的控制目标。,反馈控制系统基本结构图,控制对象：它是我们要进行控制的设备、过程、系统。它接受来自执行器的控制作用，被控制量作为输出。,反馈控制系统基本结构图,检测装置：也称为传感器。 它用来测量被控制量(控制对象的输出)，并将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,控制系统评价指标,“稳、快、准”,“稳”：是指系统的稳定性。“快”：是指系统响应的快速性。“准”：是指系统的稳态控制精度。,控制系统的抗干扰能力也是性能指标的一个重要方面。,控制技术,1、PID控制 比例（
10、P）：代表了当前的信息，起纠正偏差的作用，使过程反应迅速； 微分（D）：在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的信息。在过程开始时强迫过程的进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高系统的稳定性，起到加快系统的过渡过程作用； 积分（I）：代表了过去积累的信息，它能消除静差，改善系统静态特性。,控制技术,2、先进控制技术 鲁棒控制（Robust Control） 预测控制（Predictive Control） 模糊控制（Fuzzy Control） 专家控制（Expert Control） ,检测技术与自动化装置,检测技术与自动化装置，是运用现代物理、控制理论、电子学、计算机科学和计量科学，研究
11、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。,传感器,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（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传感器等。,软测量技术,软测量(Soft Sensor)是指应用计算机技术，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(称为二次变量)，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。 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优点.,自动化仪表,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传送和数据处理。,
