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1、第2讲 自动控制系统的类型与组成,自动控制系统的类型与组成,2.1 自动控制系统的类型 1.开环、闭环及复合控制 2.恒值自动调节系统、程序自动控制系统和随动系统2.2 自动化系统的组成 介绍自动化系统的主要组成部分,自动控制的类型（Types of automation）,开关控制 Discrete control(on/off)-离散控制连续控制 Continuous control开环、闭环控制 Open and closed loop顺序控制、逻辑控制和状态变量控制 Sequential control and logical sequence or system state cont
2、rol计算机控制 Computer control,2.1 自动控制的类型,按结构框图来分：1、开环控制（Open loop）2、闭环控制（Closed loop）3、(补偿控制)(Compensation)4、(复合控制)(Compound),例：电加热炉的炉温控制,外部扰动：电源电压波动，环境温度变化等内部扰动：元器件老化、参数改变，工件体积和质量变化等,给定电位器,给定电压,加热炉,+,-,交流电源,工件,1 最简单的控制开环控制,开关/连续控制？,特点：没有反馈，结构简单，但抗扰性差，控制精度低,原理图：,方块图：,功率放大器,加热炉,控制输入,（给定电压）,（电功率）,输出量,（炉温
3、）,控制装置,受控对象,扰动量,扰动量,给定电位器,给定电压,加热炉,+,-,交流电源,工件,开环控制,简单的全自动洗衣机（进水过程略）清洗（定时）甩干（定时）漂洗（定时）甩干（定时）漂洗（定时）甩干（定时）结束信号,反馈控制,例：电加热炉的炉温反馈控制（人作为控制器）,给定电位器,给定电压,加热炉,+,-,交流电源,工件,温度检测,根据炉温的高低调节给定电压，从而调节温度,给定电位器,控制量,加热炉,控制器,误差 e,温度变送器,变换电压 uf,电热丝,温度传感器,功率放大器,温度信号,+,-,交流电源,给定电压ur,u,输出量 y（炉温）,+,-,工件,注：反馈控制又称为“闭环控制”（fe
4、edback/closed loop),电加热炉的炉温反馈控制（自动控制）,方块图：,原理图：,给定电位器,控制量,加热炉,控制器,误差 e,温度变送器,变换电压 uf,电热丝,温度传感器,功率放大器,温度信号,+,-,交流电源,给定电压 ur,u,输出量 y（炉温）,+,-,工件,反馈控制的特点：有反馈信息（信号传递形成闭合回路），抗扰性好，控制精度高,反馈形式有两种：负反馈（自动化中广泛应用），正反馈（信号发生器等）,18世纪末发明蒸汽机及离心调速器 第一次工业革命 大规模使用机器系统,瓦特1788年发明蒸汽机及其反馈控制系统,最早的反馈控制分析,反馈控制系统的基本结构：,显示或记录,检测
5、信号,注意每个模块的输入与输出,反馈系统的相关术语：,受控对象,反馈信号,温度：被控量,给定信号,比较环节,-,即时纠偏补偿控制,例：电加热炉对电源电压波动的补偿控制,电源电压输出电压，但补偿调节器使控制电压 输出电压基本不变温度基本不变,补偿控制的特点：提供一个控制作用来尽量抵消扰 动对系统的影响，抑制扰动比反馈控制更及时。,补偿控制属于开环控制，补偿效果取决于设计是否准确，而且仅对特定可测扰动有效，一般扰动要靠反馈控制来抑制。,复合控制系统例：水箱的水位反馈控制+针对出水流量变化的补偿控制,比单纯的反馈调节更快、更及时！,补偿控制可更快地及时抑制可测扰动对输出的影响（对其他扰动没有抑制作用
6、）；反馈控制可抑制一般扰动对输出的影响；两者的结合可改善抗扰性，提高控制精度；缺点是结构较复杂。,复合控制的一般结构及特点,2.1 自动控制的类型,按输入信号来分:1、恒值自动调节系统2、程序自动控制系统3、随动系统（伺服系统）,问题：控制对象？电动机的作用？反馈环节？,恒值调节系统：全自动燃气热水器,手动调节,全自动反馈调节：自动根据水温调节火力,需要什么元件？,恒值调节系统：水箱的水位控制,+,-,水位 y,出水,阀门,误差,进水,水箱,放大器,M,电机,给定电位计,方块图？,是闭环吗？,问题：控制对象？电动机的作用？反馈环节？,反馈控制举例：电冰箱的温度控制,问题：控制对象？电动机的作用
7、？反馈环节？,程序自动控制系统,按照时间，过程，加工要求的变化编程，执行机构按照控制器输出的电脉冲信号进行控制。程序控制一般是属于数字控制，例如数控机床，化工反应釜、加工流水线、定时灌概系统、音乐喷泉等。,定时自动化喷灌系统,温室立体栽培,化工反应釜,打印机，复印机按照确定的程序进行工作。接收信息并储存，打印流程，出纸。,程序自动控制系统,程序自动控制系统,当完全按设定的程序顺序执行时，可以认为是开环。当程序中含有根据输入信号进行判断，选择执行时可以认为是闭环。程序自动控制本质上也是计算机控制的一部分，计算机控制有时指：可能处理的情况更加复杂，输入输出信号更多。,工业自动加工流水线,随动系统（
8、伺服系统）,Servo machanism按照预先未知的规律来控制被控量例：火炮跟踪系统 雷达导引系统 天文望远镜Servomechanism,or servo,a device used to provide control of a desired operation through the use of feedback.,随动系统（伺服系统）早期,伺服系统,伺服系统的结构：有机械的电气的伺服电机，各类控制电机微机控制的伺服电机或控制器,结合计算机，有了更多的伺服系统机器人也可以认为是一种。其流程框图：,自动化系统的组成,与人作对比：检测装置人的感觉器官；控制器人的大脑；执行机构人的四肢
9、。驱动（driving device)决定系统性能的最关键部分：控制器,自动化系统的组成,给定输入产生给定的输入信号(传感器sensor)放大环节放大控制器的输出信号，使之能控制执行器执行器控制被控对象 控制器自动控制的核心部分，使系统按设定的控制规律自动工作。反馈环节对系统的输出量进行测量，并将它转换成反 馈信号 比较环节将给定的输入信号与反馈信号进行比较，产生误差（校正）信号扰动各个环节产生的误差，干扰信号,自动化系统的组成,各个环节采用的设备与技术在不断变化：自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平；早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等；随着电的发
10、明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；计算机技术使自动化控制技术更上一层楼。网络技术则使得大规模的工业控制网络、无线遥控等成为可能。,随动系统（伺服系统）早期,自动化系统的组成,上图所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推
11、广和普及；,计算机控制的自动化系统的组成器件介绍,传感器,伺服电机,伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。,控制器,常用的电气控制设备,PLC,交流接触器,单片机,单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十个到上百个单片机在工作。,数字信号处理器（Digital Signal Pr
12、ocessor，简称“DSP”）,DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用也越来越多,计算机控制方式的演变,第一阶段：集中控制 用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。,计算机,受控设备1,受控设备2,受控设备N,反馈信号,反馈信号,控制信号,控制信号,第二阶段：单机控制 一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调、电饭煲的控制等。现在用单片机控制。,第
13、三阶段：分散控制 对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。典型例子有：计算机集成制造系统 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）集散控制系统 DCS（Distributed Control System）现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）,一种网络化的现场总线控制系统,自动控制和远距离控制,某工厂的控制室,某工厂控制室,某制造厂现场,远距离控制,遥测系统的框图,远距离控制,遥测遥控系统框图,思考题,1.闭环的自动控制系统有哪几个基本环节，画出框图并说明的作用。2.什么叫反馈？什么叫负反馈？3.程序控制系统的特点是什么？4.随动系统（伺服系统）的特点是什么？,
