《自动化控制系统》课件

自动化控制系统自动化控制系统概述定义目标自动化控制系统是指通过使用传提高生产效率、产品质量和安全感器、执行器、控制器等自动化性，降低生产成本，改善劳动条设备，实现对工业生产过程或其件，实现无人化或少人化生产他系统的自动控制应用领域广泛应用于工业制造、能源、交通、农业、环境保护、航空航天、医疗等各个领域自动化控制系统的基本组成传感器控制器传感器是自动化控制系统中的眼睛控制器是自动化控制系统的大脑，“”“”，负责感知被控对象的各种参数，例根据传感器的反馈信号，计算出控制如温度、压力、流量、位置等指令，并向执行机构发出控制信号执行机构执行机构是自动化控制系统的手脚“”，负责执行控制指令，改变被控对象的运行状态，例如电机、阀门、气缸等信号的检测和转换传感器1将物理量转换为电信号信号调理2放大、滤波、线性化等处理转换器3将电信号转换为控制系统可接受的格式信号检测和转换是自动化控制系统中的关键环节，它负责将物理量转换为控制系统可以识别的信号，并对信号进行处理和转换，从而使控制系统能够对被控对象进行准确的控制传感器的类型和工作原理温度传感器压力传感器12温度传感器用于测量温度，常压力传感器用于测量压力，常见类型包括热电偶、热电阻、见类型包括应变式压力传感器热敏电阻等它们利用材料的、压阻式压力传感器等它们电阻、电压或电流随温度变化利用材料的变形或电阻随压力的特性来测量温度变化的特性来测量压力位移传感器速度传感器34位移传感器用于测量物体位置速度传感器用于测量物体速度或位移，常见类型包括电位器，常见类型包括霍尔传感器、、电感式位移传感器、光电式磁阻式速度传感器等它们利位移传感器等它们利用电位用磁场变化或电阻变化来测量器阻值、电感或光束变化来测速度量位移执行机构的作用和结构作用结构执行机构是自动化控制系统中的重要组成部分，它将控制信号执行机构通常由以下几个部分组成转换为实际的物理动作，实现对被控对象的控制例如，在工驱动部件提供执行机构所需的动力，常见类型包括电机、•业生产线上，执行机构可以控制电机转动、液压缸运动、阀门液压缸、气缸等开闭等动作，最终完成物料搬运、加工、包装等任务传动机构将驱动部件的动力传递给执行机构的输出端，常•见类型包括齿轮、链条、皮带等执行机构本体完成实际执行动作的部分，例如电机轴、液•压缸活塞杆、阀门阀芯等反馈机构将执行机构的实际输出状态反馈给控制器，用于•闭环控制驱动部件的类型和选择电动机气动执行器液压执行器电动机是驱动部件中最常用的类型它们气动执行器使用压缩空气作为动力源，具液压执行器以液压油作为动力源，具有力具有功率范围广、效率高、易于控制等优有成本低、结构简单、响应速度快等特点量大、精度高、动作平稳等特点，适用于点，适用于各种自动化控制系统，常用于需要快速动作的应用场景需要高负载和高精度的应用场景控制器的功能和种类控制器功能控制器种类控制器是自动化控制系统的核心，负责接收来自传感器的信号控制器种类繁多，可以根据不同的分类标准进行划分，常见的，并根据设定值和控制算法生成控制信号，最终控制执行机构分类包括的动作控制器主要功能包括模拟控制器主要用于处理模拟信号，应用于较为传统的控•信号处理和运算制系统•控制算法实现数字控制器主要用于处理数字信号，应用于现代化的自动••化控制系统，具有更高的精度、灵活性以及可靠性设定值设定和调整•可编程控制器（）是一种专门为工业控制而设计的数控制参数设置•PLC•字控制器，具有强大的功能和灵活的编程能力系统状态监控和报警•分布式控制系统（）是将多个控制器分散在不同的地•DCS点，通过网络连接，实现对整个系统的控制的基本结构和工作原理PLC输入输出模块中央处理器存储器模块编程软件/CPU输入模块接收来自传感器或其是的核心，负责处存储器模块用于存储用户编写的编程软件用于创建、调CPU PLC PLC他设备的信号，并将其转换为理来自输入模块的信号，执行的程序、控制数据、系统参数试和维护程序通常使PLC可识别的数字信号输出用户编写的程序，并向输出模以及其他信息通常使用用梯形图PLC PLCLadder Diagram模块则将的数字信号转块发送控制指令多种类型的存储器，例如或指令列表PLC Instruction换为控制执行机构所需的信号、和等编程语言来编写RAM ROMEEPROM ListPLC，例如电压、电流或气动信号程序可编程控制器的应用领域工业自动化楼宇自动化广泛应用于各种工业自动化领域在楼宇自动化系统中用于控制照PLC PLC，包括生产线控制、机器人控制、过明、空调、电梯、安防等，提高楼宇程控制、物流自动化等的舒适性和安全性交通控制机器人控制应用于交通信号灯控制、交通流是机器人控制系统的重要组成部PLCPLC量监测、停车场管理等，提高交通效分，用于控制机器人的运动、动作和率和安全性功能工业现场总线技术概述工业现场总线技术是现代自动化控制系统的重要组成部分，它在工厂自动化、过程控制等领域得到广泛应用现场总线技术可以实现不同设备之间的通信，提高数据传输效率，简化系统结构，降低成本，并为系统提供更灵活的扩展能力特点应用高带宽过程控制••低延迟机器控制••高可靠性数据采集••实时性远程监控••工业现场总线的分类和特点现场总线分类现场总线特点工业现场总线按其通信协议可工业现场总线具有以下特点分为以下几类基于高速通信，可实现实时数据-**IEC-标准的现场总线，传输灵活组网，可根据实61158**-例如、际需求灵活配置低成本，**Profibus**-和降低系统建设成本可靠性**Profinet**-基于以高，确保系统稳定运行**DeviceNet**-**太网技术的现场总线，例如**、**EtherCAT**和**Ethernet/IP****Modbus TCP**总线系统Profibus（）是德国西门子公司于年推出的现Profibus ProcessFieldbus1989场总线标准，是世界上应用最广泛的现场总线之一是一种开Profibus放的、基于令牌总线访问方法的现场总线系统，支持多种通信协议和数据传输速率，可用于各种自动化应用场景主要特点包括Profibus支持多种通信协议，包括、和•Profibus DPProfibus FMS，可满足不同应用场景的需求Profibus PA支持多种数据传输速率，从到，可根据实际情况•

9.6kbps12Mbps选择最佳的速率具有高度的可靠性，采用循环冗余校验（）和错误检测机制，•CRC确保数据的完整性和准确性易于安装和维护，使用标准化的连接器和接口，简化了系统配置和•调试具有良好的互操作性，支持不同厂商设备的互联互通，扩展了系统•应用范围总线系统Profinet是一种基于以太网的工业现场总线，它结合了以太网的高带宽、高Profinet速度和协议的灵活性和开放性，为工业自动化提供了高效可靠的通信TCP/IP解决方案总线系统广泛应用于工厂自动化、过程自动化、机床控Profinet制等领域总线系统具有以下特点Profinet高带宽和高速传输，支持实时数据传输•基于标准以太网协议，易于集成和扩展•支持多种通信模式，包括循环数据传输和非循环数据传输•提供丰富的诊断功能，方便故障检测和排除•支持多种设备类型，包括、传感器、执行器等•PLC总线系统DeviceNet是一种基于总线的现场总线，由DeviceNet CANAllen-公司开发，广泛应用于自动化领域它以其开放性、可Bradley靠性和易用性而闻名使用协议作为其物理层和数据链路层，保证•DeviceNet CAN了数据传输的可靠性和实时性支持各种设备类型，包括传感器、执行器、控制•DeviceNet器和人机界面，并提供灵活的网络拓扑结构具有低成本、易于安装和维护的优势，并提供强•DeviceNet大的诊断功能总线系统EtherCAT以太网控制自动化技术是一种实时以太网协议，专门为自动化EtherCAT应用而设计它具有以下特点高带宽和低延迟能够在高带宽下实现低延迟的实时通信，•EtherCAT满足工业自动化系统对实时性的要求高效率和低成本通过数据链路层上的循环冗余校验•EtherCAT CRC来确保数据传输的完整性和可靠性，从而降低了成本灵活性和可扩展性支持多种拓扑结构，如线型、环型、星•EtherCAT型等，可以根据不同的应用场景进行灵活配置广泛应用于工业自动化领域，例如机器人控制、运动控制、过程EtherCAT控制、机床控制等闭环控制系统的基本原理什么是闭环控制系统？闭环控制系统是一种通过反馈机制实现对被控对象的自动控制的系统它将被控对象的输出量反馈到控制器，并与设定值进行比较，产生误差信号，然后通过执行机构来调节被控对象的输入量，从而使被控对象输出量趋近于设定值闭环控制系统的组成被控对象需要控制的目标对象•控制器接受反馈信号，并根据设定值生成控制信号•执行机构执行控制器的指令，改变被控对象的输入量•传感器测量被控对象的输出量，并将测量值转换成信号反馈给控制器•闭环控制系统的特点精确性通过反馈机制，可以有效地减小误差，提高控制精度•稳定性反馈机制可以抑制干扰，提高系统的稳定性•自适应性通过调整控制参数，可以使系统适应不同的工作环境•反馈控制系统的性能指标稳定性快速性指系统在受到扰动后，能否最终指系统对输入信号的响应速度恢复到稳定状态这是控制系统快速性指标包括上升时间、调节最重要的性能指标，保证系统不时间和超调量，反映了系统响应会失控的快慢和稳定程度准确性指系统输出值与设定值的偏差大小准确性指标反映了系统跟踪设定值的精度，对于需要精准控制的场合至关重要控制系统的动态特性分析阶跃响应冲激响应频率响应描述系统对阶跃输入的响应，反映系统的描述系统对冲激输入的响应，反映系统的描述系统对不同频率正弦输入的响应，反快速性和稳定性动态特性和稳定性映系统的动态特性和稳定性频域分析在控制系统中的应用频域分析是一种研究线性系统对不同通过频域分析，可以判断系统的稳定频率正弦信号响应的方法，它以频率性、带宽、相位裕度等性能指标，为为变量，将系统的输入和输出表示为控制系统设计和优化提供重要依据频谱，从而揭示系统对不同频率信号的传递特性频域分析常用于滤波器设计、信号处理、系统建模等领域，是控制系统分析和设计的重要工具稳定性判据及其应用稳定性定义稳定性判据应用举例对于一个控制系统，如果其输出在受到常用的稳定性判据包括在实际工程应用中，稳定性判据可以帮扰动后能够在有限时间内回到平衡状态助工程师判断控制系统的稳定性，并通劳斯赫维茨判据通过对特征方程•-，则称该系统是稳定的反之，如果输过调整系统参数来提高系统稳定性例系数进行判断，来判断系统稳定性出随着时间推移不断增大，则称该系统如，可以通过增加反馈环节，或改变系奈奎斯特判据通过对系统开环频率是不稳定的•统的参数，来使系统满足稳定性要求响应曲线进行分析，来判断系统稳定性李雅普诺夫稳定性理论基于能量函•数的概念，来判断系统稳定性根轨迹法在控制系统中的应用系统稳定性分析系统性能指标设计12根轨迹法可以直观地判断闭环系统根轨迹法可以用来设计系统的性能的稳定性，通过观察根轨迹的走向指标，例如上升时间、峰值时间、，可以判断系统是否稳定，以及稳调节时间等通过调整系统参数，定裕度的大小这在系统设计中非可以使根轨迹移动到期望的位置，常重要，可以确保系统不会出现不从而实现预期的性能指标稳定的振荡或发散控制器参数优化系统补偿设计34根轨迹法可以用来优化控制器的参根轨迹法可以用来设计系统的补偿数，例如比例系数、积分时间常数网络，例如前馈补偿、反馈补偿等、微分时间常数等通过调整控制通过引入补偿网络，可以改变系器参数，可以使根轨迹移动到期望统的根轨迹，改善系统的性能的位置，从而提高系统的性能控制器的结构和参数调整PID比例控制积分控制P I比例控制根据偏差的大小进行调积分控制作用于累计的偏差，可节，偏差越大，控制作用就越强以消除稳态误差，但响应速度较比例控制可以快速响应偏差，慢但无法消除稳态误差微分控制D微分控制作用于偏差的变化率，可以预测未来偏差，提高系统响应速度，抑制振荡自适应控制技术自适应控制的优势自适应控制的应用自适应控制能够根据环境的变化和系统参数的变化自动调整控制参数，自适应控制技术广泛应用于工业自动化、航空航天、机器人控制、过程以保持系统的稳定性和最佳性能它可以有效地应对系统参数的不确定控制等领域，例如性和扰动，并提高系统的鲁棒性和适应性机器人控制适应不同的工作环境和任务，提高机器人的灵活性--过程控制在生产过程中自动调节参数，提高产品质量和生产效率航-空航天在飞行过程中自动调整参数，保证飞行安全和性能模糊控制技术基于规则的控制处理不确定性模糊控制系统使用语言规则来描模糊控制可以处理不确定性和噪述控制策略，这些规则基于人类声，这在现实世界中很常见它专家的知识和经验例如，如使用模糊集和模糊推理来处理难“果速度太快，那么减小油门以精确量化的信息”易于实现模糊控制系统通常相对容易实现，因为它们不需要复杂的数学模型这使得它们适用于各种应用，包括工业过程控制、机器人控制和汽车控制神经网络控制技术自适应性非线性处理能力学习能力123神经网络控制系统可以根据环境的神经网络可以处理复杂的非线性系神经网络可以从数据中学习，并不变化自动调整控制参数，从而适应统，例如具有未知或难以建模的动断优化控制策略，提高系统的性能不同的工作条件，提高系统的鲁棒力学特性的系统性预测控制技术预测控制概述预测控制特点预测控制是一种基于模型的控制方法，它利用系统模型预测未预测控制具有以下特点:来一段时间内的系统行为，并根据预测结果计算出当前时刻的优异的抗扰动能力•最佳控制策略能够处理约束条件•预测未来状态和输出•适应性强，易于调节•优化控制策略•广泛的应用领域•适应系统变化•智能控制系统的分类和特点基于知识的控制基于学习的控制利用专家知识和经验，建立控制规则利用神经网络、遗传算法等机器学习和决策机制例如，专家系统，模糊方法，从数据中学习控制策略控制仿生控制模拟生物的智能行为，如生物神经网络、免疫系统等工业机器人的结构和分类关节式机器人直角坐标机器人机器人并联机器人SCARA由多个旋转关节组成，能够实沿着直线运动的机器人，结构用于平面运动的机器人，速度多个支链连接到一个公共平台现多自由度的运动，灵活性高简单，精度高，适用于搬运、快，精度高，适用于电子制造，具有高刚度、高精度和高速，适用于各种复杂任务码垛等工作、组装等工作的特点，适用于高速精密加工、包装等工作工业机器人的工作坐标系关节坐标系工具坐标系以机器人的各个关节为参考系，以机器人末端执行器上的工具中描述机器人末端执行器的位置和心点为原点，描述工具中心点的姿态每个关节对应一个坐标轴位置和姿态工具坐标系通常与，坐标轴的正方向由关节运动方机器人末端执行器的方向一致向决定世界坐标系通常固定于机器人工作空间的某个参考点，描述机器人和其他物体的位置关系世界坐标系是所有其他坐标系的参考坐标系工业机器人的运动规划路径规划1确定机器人从起点到终点的运动轨迹，并优化路径以提高效率和精度速度规划2根据路径规划结果，制定机器人运动速度，保证安全性和平稳性轨迹生成3根据速度规划，生成机器人运动轨迹的数学表达式，用于控制机器人执行动作运动规划是机器人控制系统中的重要环节，它决定了机器人的运动效率、精度和安全性能运动规划通常涉及路径规划、速度规划和轨迹生成三个步骤工业机器人的伺服控制系统伺服控制系统是工业机器人实现精确伺服控制系统通常包括伺服电机、驱运动的关键部分，它负责接收控制指动器、编码器和控制算法等组件，它令并将其转换为精确的运动们协同工作以实现对机器人的精确控制伺服控制系统需要进行参数调整，以获得最佳的控制性能，例如响应速度、精度和稳定性等工业机器人的编程和仿真编程语言仿真软件12工业机器人编程语言用于控制机器仿真软件可以模拟机器人工作环境人的运动、操作和工作流程常见，对机器人程序进行测试和优化，的编程语言包括机器人专用语言避免实际运行中的错误和风险常（如的、的见的仿真软件包括、ABB RAPIDFANUC RoboDK）、高级编程语言（如、等Karel C++RobotStudio Delmia、）以及图形化编程界面Python离线编程在线调试34离线编程是指在计算机上对机器人在线调试是指在实际运行中对机器进行编程，无需实际操作机器人人程序进行调试，以确保程序的正这可以提高编程效率，减少停机时确性和可靠性在线调试需要进行间，并使编程人员能够在安全的环安全操作，并遵循相关的安全规范境中进行编程工厂自动化系统概述工厂自动化系统是将现代控制理论、计算机技术、传感器技术、执行机构技术、网络通信技术等有机结合，实现工厂生产过程的自动化控制、管理和优化主要特点应用领域提高生产效率制造业••提升产品质量能源化工••降低生产成本物流仓储••改善工作环境航空航天••增强企业竞争力食品加工••医药•生产过程自动化提高效率改善质量增强安全性自动化可以帮助企业提高生产效率，减自动化可以帮助企业改善产品质量，减自动化可以帮助企业增强生产安全性，少人工成本，提高产品质量例如，通少人为失误，提高产品一致性例如，减少工人的危险操作，提高生产环境安过自动化生产线，可以实现连续生产，通过自动化控制系统，可以控制生产参全例如，通过自动化机器人，可以完减少停机时间，提高生产效率数，确保产品质量稳定成危险的生产作业，保障工人安全集中控制系统和分布式控制系统集中控制系统分布式控制系统12集中控制系统将所有控制设备分布式控制系统将控制功能分集中在一个控制中心，由中央散到各个控制单元，每个单元处理器进行统一管理这种系负责控制一个特定的设备或过统通常用于规模较小的工厂或程，通过通信网络进行信息交生产线，具有结构简单、成本换和协调这种系统可扩展性低廉的优点，但可扩展性较差强，便于维护，而且可靠性更，维护工作也比较复杂高，适用于规模较大、结构复杂的工厂或生产线系统的结构和特点DCS分布式结构分层结构系统采用分布式结构，将控制功系统通常分为多个层次，包括过DCS DCS能分散到各个控制站，提高了系统的程控制层、操作层、管理层等，实现可靠性和可扩展性不同功能的分工协作安全性和可靠性系统采用冗余设计和故障检测机DCS制，确保系统的安全性和可靠性，即使部分设备出现故障，也能保证系统正常运行系统的功能和应用SCADA系统功能系统应用领域SCADA SCADA数据采集和监控电力系统••过程控制和优化石油和天然气••报警管理和事件记录水处理••报表生成和分析制造业••远程访问和管理交通运输••环境保护•自动化系统的安全保护故障安全紧急停止在出现故障时，系统应能够安全地停止运行或进入故障模式，以提供紧急停止按钮或其他安全装置，允许操作人员在紧急情况下防止对人员、设备或环境造成损害立即停止系统访问控制数据保护限制对系统关键部分的访问，并使用身份验证机制，以防止未经采取措施保护系统数据免受意外或恶意访问、修改或删除，以确授权的访问或操作保数据的完整性和安全性自动化系统的远程监控和诊断实时监控故障诊断数据分析远程监控系统允许操作员实时查看自动化远程诊断系统可以通过分析系统数据、故远程监控和诊断系统可以收集大量运行数系统的运行状态，包括设备参数、生产指障日志等信息，快速定位故障原因，并提据，通过数据分析，可以评估系统性能、标、报警信息等，以便及时发现问题并进供相应的解决方案，减少停机时间，提高优化运行参数，提高系统可靠性和安全性行处理生产效率自动化系统的能源管理节能优化数据监测通过智能控制算法，优化设备运行参实时监控能耗数据，识别能源浪费和数，降低能耗效率低下之处可再生能源整合太阳能、风能等可再生能源，降低能源成本自动化系统的数据采集和分析实时数据采集数据分析与可视化数据驱动决策自动化系统能够实时收集来自各种传感器通过对采集到的数据进行分析，可以识别基于数据分析的结果，可以进行更加科学和设备的数据，例如温度、压力、流量、生产过程中的趋势、模式和异常，从而帮合理的决策，例如调整生产参数、优化生速度等这些数据可以用于监测生产过程助优化生产流程，提高效率，降低成本产计划、预测生产需求等，从而进一步提的运行状态，并及时发现潜在的问题数据可视化工具可以帮助用户更直观地理升生产效率和效益解数据，并及时发现问题自动化系统的集成和优化系统集成系统优化自动化系统的集成是指将不同的自动化子系统，例如控制系统自动化系统的优化是指通过对系统参数、算法、结构等方面的、信息系统、监控系统等，整合到一个统一的平台上，实现信调整，提高系统的性能指标，例如提高生产效率、降低能耗、息共享、协同工作和统一管理集成可以提高系统的效率、可提高产品质量等优化方法包括参数优化、算法优化、结构优靠性和安全性，并降低运营成本集成常用的方法包括数据集化和系统重构等优化需要对系统进行分析和评估，根据具体成、功能集成和平台集成的指标进行调整结论与展望自动化控制系统在现代工业发展中扮演着至关重要的角色，为提高生产效率、降低成本、保证产品质量和安全提供了有力支撑随着科技进步和产业升级，自动化控制系统将继续朝着智能化、网络化、集成化的方向发展未来，自动化控制系统将更加注重与人工智能、大数据、云计算等技术的融合，实现更加高效、灵活、可靠的控制和管理，为推动工业转型升级和经济发展做出更大的贡献。