《工业自动化控制系统》课件

工业自动化控制系统课程概述课程目标学习内容考核方式掌握工业自动化控制系统的基本概念与原系统介绍工业自动化控制系统的组成、分理熟悉常用传感器、控制器、执行机构类、发展历程深入讲解传感器技术、控的选型与应用具备设计、集成与调试简制器技术、执行机构与驱动技术、工业网单自动化系统的能力络与通信、人机界面、运动控制系统、过程控制系统、工业机器人技术、工业物联网与智能制造、自动化系统集成等核心内容第一章工业自动化控制系统简介工业自动化的定义

1.1自动化的概念工业自动化的特点工业自动化的优势12自动化是指机器设备在没有人或较少工业自动化是自动化技术在工业领域人的直接参与下，按照预定的程序或的具体应用，具有高效性、精确性、指令自动进行操作或控制的过程其稳定性和安全性的特点它能够实现核心在于利用控制系统替代人工操作，生产过程的连续化、集成化和智能化，提高生产效率、降低劳动强度从而提高产品质量、降低生产成本工业自动化的发展历程

1.2机械自动化1早期的自动化主要依赖于机械装置，如齿轮、凸轮等，实现简单的重复性动作例如，早期的纺织机、机床等设备电气自动化2随着电力技术的应用，电气元件如继电器、接触器等被引入自动化系统，实现了更复杂的控制功能例如，电梯、自动控制的生产线电子自动化3电子技术的快速发展，使得自动化系统更加小型化、集成化例如，采用晶体管、集成电路的控制器计算机自动化4计算机技术的引入，使自动化系统具备了更强大的计算、存储和通信能力，实现了智能化控制例如，PLC、DCS等控制系统工业自动化控制系统的组成

1.3控制层控制层是自动化系统的核心，负责接收传感器信号、执行控制算法、输出控制指令常见的控制设备包括PLC、DCS、IPC等执行层执行层负责接收控制层的指令，驱动执行机构完成相应的动作常见的执行机构包括电机、气缸、液压缸等设备层设备层是自动化系统的基础，包括各种生产设备、传感器、仪器仪表等它们负责采集数据、执行操作，为控制层提供信息支持网络通信网络通信是连接各个层次的桥梁，负责实现数据传输、信息共享常见的工业网络包括以太网、现场总线等工业自动化控制系统的分类

1.4离散控制系统连续控制系统主要用于控制离散的、不连续的生主要用于控制连续的、连续变化的产过程，如开关、启停等例如，生产过程，如温度、压力、流量等流水线上的物料分拣、装配等例如，化工生产、冶金等批次控制系统主要用于控制分批次的生产过程，如食品生产、制药等每个批次的产品具有相同的工艺流程和质量要求第二章传感器与测量技术传感器是工业自动化系统的“眼睛”和“耳朵”，负责感知生产过程中的各种参数，并将这些参数转化为电信号，供控制系统处理本章将深入讲解传感器的基本概念、分类与选择，介绍常见工业传感器的原理与应用，分析测量系统的误差来源与补偿方法通过学习本章，您将掌握传感器与测量技术的核心知识，为构建精确可靠的自动化系统奠定基础传感器概述

2.1定义作用传感器是一种能够感受规定的被测量，并传感器是自动化系统的关键组成部分，负1按照一定的规律转换成可用输出信号的器责采集生产过程中的各种参数，为控制系2件或装置统提供信息支持选择分类4选择合适的传感器需要考虑多种因素，如传感器种类繁多，可以按照不同的标准进测量范围、精度、响应速度、环境条件等3行分类，如按照工作原理、输出信号、应用领域等常见工业传感器

2.2温度传感器压力传感器流量传感器液位传感器用于测量物体的温度，常见的有用于测量气体的压力或液体的压用于测量流体的流量，常见的有用于测量液体的液位高度，常见热电偶、热敏电阻、铂电阻等强，常见的有应变式压力传感器、涡轮流量计、电磁流量计、超声的有超声波液位计、浮球液位计、压阻式压力传感器等波流量计等静压液位计等信号调理技术

2.3放大将传感器输出的微弱信号放大到合适的幅度，提高信噪比，便于后续处理滤波滤除信号中的噪声和干扰，提高信号的质量转换A/D将模拟信号转换为数字信号，供计算机或其他数字设备处理测量系统误差分析

2.4系统误差由于测量仪器或测量方法本身存在缺陷而引起的误差，具有规律性，可以通过校准或修1正来减小随机误差由于偶然因素引起的误差，没有规律性，无法通过校准或修正来消除，只能2通过多次测量取平均值来减小误差补偿方法包括硬件补偿和软件补偿，旨在减小或消除测量误差，提高测量3精度测量误差是影响测量结果准确性的重要因素了解误差的来源、性质，掌握误差的分析与补偿方法，对于提高自动化系统的性能至关重要在实际应用中，需要综合考虑各种误差因素，选择合适的补偿方法，以满足系统的精度要求第三章控制器技术控制器是工业自动化系统的“大脑”，负责接收传感器信号、执行控制算法、输出控制指令，实现对生产过程的自动控制本章将重点介绍PLC、DCS、SCADA等常用控制器的结构、原理与应用，分析不同控制器的特点与适用场景通过学习本章，您将掌握控制器技术的核心知识，为设计高效可靠的自动化系统提供有力支持（可编程逻辑控制器）

3.1PLC的结构的工作原理PLC PLCPLC主要由CPU、存储器、输入/输出模块、电源模块等组成PLC采用循环扫描的工作方式，不断读取输入信号、执行程序、输CPU负责执行程序，存储器负责存储程序和数据，输入/输出模块出控制信号扫描周期通常很短，保证了控制的实时性负责与外部设备进行数据交换编程语言

3.2PLC梯形图功能块图指令列表一种图形化的编程语言，易于一种模块化的编程语言，便于一种基于文本的编程语言，灵理解和学习，常用于逻辑控制构建复杂的控制系统活性高，适用于复杂的算法实现PLC编程语言是实现自动化控制的关键掌握不同的编程语言，能够灵活应对各种控制需求在实际应用中，可以根据具体的控制任务和个人偏好选择合适的编程语言应用实例

3.3PLC电机控制生产线控制12PLC可以控制电机的启动、停PLC可以控制生产线上的各个止、正反转、调速等，实现对环节，如物料输送、加工、装电机运行状态的精确控制例配、检测等，实现生产过程的如，水泵、风机、传送带等设自动化例如，汽车生产线、备的控制食品包装线等温度控制3PLC可以控制加热器、冷却器等设备，实现对温度的精确控制例如，恒温箱、烘干炉等设备的控制（分布式控制系统）

3.4DCS的特点的系统结构DCS DCSDCS采用分布式控制结构，将控制功能分散到各个控制站，提高DCS主要由控制站、操作站、工程师站、通信网络等组成控制了系统的可靠性和可扩展性适用于大规模、复杂的工业过程控制站负责执行控制算法，操作站负责显示和操作，工程师站负责组态和维护控制策略

3.5DCS控制PID1一种常用的控制算法，通过比例、积分、微分三个环节调节控制量，使被控变量达到期望值前馈控制2一种根据扰动量预测控制效果的控制策略，可以提前消除扰动对系统的影响串级控制一种将多个PID控制器串联起来的控制策略，可以提高控制精度3和抗干扰能力DCS控制策略是实现精确控制的关键选择合适的控制策略，能够提高系统的性能和稳定性在实际应用中，需要根据具体的控制任务和系统特性选择合适的控制策略系统

3.6SCADA的功能的组成SCADA SCADASCADA系统主要用于监控和控制远程设备，具有数据采集、数据SCADA系统主要由监控中心、通信网络、远程终端单元（RTU）处理、报警处理、远程控制等功能适用于地理位置分散、监控点等组成监控中心负责显示和操作，通信网络负责数据传输，RTU多的应用场景负责采集现场数据和执行控制指令第四章执行机构与驱动技术执行机构是工业自动化系统的“手脚”，负责接收控制器的指令，驱动设备完成相应的动作本章将重点介绍电气执行机构、气动执行机构、液压执行机构等常用执行机构的结构、原理与应用，分析不同执行机构的特点与适用场景同时，还将介绍变频器技术，用于控制电机的转速通过学习本章，您将掌握执行机构与驱动技术的核心知识，为设计高效可靠的自动化系统提供有力支持电气执行机构

4.1电机分类步进电机伺服电机包括交流电机、直流电机、同一种能够将电脉冲信号转换为一种能够精确控制转速和位置步电机、异步电机等，根据不角位移的电机，具有控制精度的电机，具有控制精度高、响同的工作原理和特性，适用于高、响应速度快等特点，常用应速度快、稳定性好等特点，不同的应用场景于定位控制常用于高精度运动控制电气执行机构是自动化系统中常用的执行机构选择合适的电机类型，能够满足不同的控制需求在实际应用中，需要根据具体的控制任务和系统特性选择合适的电机类型气动执行机构

4.2气动阀门一种利用压缩空气的压力控制阀门开闭的执行机构，具有结构简单、动作迅速、可靠性高等特点，常用于流体控制气缸一种利用压缩空气的压力驱动活塞运动的执行机构，具有结构简单、动作迅速、成本低廉等特点，常用于直线运动气动执行机构是自动化系统中常用的执行机构由于气源易于获取、成本低廉，气动执行机构在许多工业领域得到广泛应用在实际应用中，需要根据具体的控制任务和系统特性选择合适的气动元件液压执行机构

4.3液压缸液压马达利用液体压力驱动活塞运动的执行机构，1将液体压力能转换为旋转运动的执行机具有输出力大、控制精度高等特点，常构，具有输出扭矩大、控制精度高等特2用于重载场合点，常用于驱动旋转设备变频器技术

4.4变频原理通过改变电源的频率，从而改变电机的转速变频器能够实现电机的无级调速，提高控制精度和节能效果变频器应用广泛应用于风机、水泵、压缩机等设备的调速控制，以及传送带、生产线等设备的速度匹配第五章工业网络与通信工业网络与通信是连接自动化系统中各个设备和系统的桥梁，负责实现数据传输、信息共享本章将重点介绍工业网络的特点、分层结构，以及现场总线技术、工业以太网、无线通信技术等常用通信技术通过学习本章，您将掌握工业网络与通信的核心知识，为构建高效可靠的自动化系统提供有力支持工业网络概述

5.1工业网络的特点实时性、可靠性、安全性、抗干扰性要求高1工业网络的分层结构通常采用分层结构，如现场级、控制级、管理级，各层之间通过2不同的通信协议进行数据交换工业网络是实现自动化系统互联互通的基础了解工业网络的特点和分层结构，能够更好地选择和应用合适的通信技术在实际应用中，需要综合考虑各种因素，如实时性要求、数据传输量、网络拓扑结构等，选择合适的网络方案现场总线技术

5.21Profibus2Modbus一种常用的现场总线协议，具一种简单易用的现场总线协议，有传输速率高、抗干扰能力强具有开放性、兼容性好等特点，等特点，广泛应用于各种工业广泛应用于各种仪器仪表和控自动化设备制设备总线3CAN一种常用的现场总线协议，具有实时性好、可靠性高等特点，广泛应用于汽车电子、工业控制等领域工业以太网

5.3EtherNet/IP ProfinetEtherCAT一种基于以太网的工业协议，具有开放性、一种基于以太网的工业协议，具有实时性一种基于以太网的工业协议，具有实时性灵活性高等特点，能够实现与IT系统的无好、可靠性高等特点，广泛应用于西门子好、传输速率高等特点，适用于高精度运缝集成自动化设备动控制无线通信技术

5.4蓝牙WIFI ZigBee一种常用的无线通信技术，具有传输速率高、一种常用的无线通信技术，具有低功耗、安一种低功耗、低速率的无线通信技术，适用覆盖范围广等特点，适用于办公室、仓库等全性高等特点，适用于短距离通信，如传感于传感器网络、智能家居等领域环境器数据采集无线通信技术在工业自动化领域具有广阔的应用前景由于其灵活性、便捷性，无线通信技术可以应用于各种难以布线的场合在实际应用中，需要综合考虑各种因素，如传输距离、数据速率、安全性等，选择合适的无线通信技术第六章人机界面（）HMI人机界面（HMI）是操作人员与自动化系统进行交互的桥梁，负责显示系统状态、接收操作指令本章将重点介绍HMI的功能、类型，以及触摸屏技术、HMI设计原则、HMI软件开发等内容通过学习本章，您将掌握HMI的核心知识，为设计友好易用的人机界面提供有力支持概述

6.1HMI的功能的类型HMI HMI显示系统状态、接收操作指令、报警处理、数据记录、趋势分析等包括触摸屏、工控机、显示器、操作面板等触摸屏技术

6.2电阻式触摸屏通过压力感应实现触摸定位，具有成本低廉、抗干扰能力强等特点，但透光率较低电容式触摸屏通过电容感应实现触摸定位，具有透光率高、灵敏度高等特点，但易受电磁干扰设计原则

6.3HMI界面布局清晰、简洁、易于操作，重要信息突出显示色彩运用色彩搭配和谐、对比度适中，避免使用过多色彩交互设计操作流程简单、反馈及时、容错性好软件开发

6.4HMI组态软件介绍1常用的组态软件包括WinCC、Intouch、组态王等，具有图形化界面、易于使用等特点，能够快速构建HMI界面界面设计实例2通过实例演示如何使用组态软件设计HMI界面，包括控件的添加、属性的设置、动画的实现等第七章运动控制系统运动控制系统是实现精确运动控制的关键，广泛应用于机器人、数控机床、自动化生产线等领域本章将重点介绍运动控制的基础知识、伺服系统、运动轨迹规划、CNC技术等内容通过学习本章，您将掌握运动控制系统的核心知识，为设计高性能的运动控制系统提供有力支持运动控制基础

7.1运动控制系统结构运动控制的概念主要由控制器、驱动器、电机、传感器1控制执行机构按照预定的轨迹运动，实等组成控制器负责执行控制算法，驱现精确的位置、速度、加速度控制2动器负责驱动电机，传感器负责反馈运动状态伺服系统

7.2伺服系统组成伺服控制原理主要由伺服控制器、伺服驱动器、伺服电机、编码器等组成伺服通过闭环控制，不断比较期望位置与实际位置，调整控制量，使实控制器负责执行控制算法，伺服驱动器负责驱动伺服电机，编码器际位置逼近期望位置具有控制精度高、响应速度快等特点负责反馈电机位置运动轨迹规划

7.3点位控制直线插补控制执行机构从一个点运动到另一控制执行机构沿着直线运动，常用个点，不要求运动轨迹于直线切割、直线焊接等圆弧插补控制执行机构沿着圆弧运动，常用于圆弧切割、圆弧焊接等技术

7.4CNC系统结构代码编程CNC G主要由数控装置、伺服系统、机床本体等组成数控装置负责执行一种用于控制数控机床的编程语言，通过编写G代码程序，可以实G代码程序，伺服系统负责驱动机床运动，机床本体负责完成加工现对机床的各种运动控制任务第八章过程控制系统过程控制系统是用于控制连续生产过程的关键，广泛应用于化工、冶金、电力等行业本章将重点介绍过程控制的基础知识、PID控制、高级控制策略、过程控制系统调试等内容通过学习本章，您将掌握过程控制系统的核心知识，为设计高效稳定的过程控制系统提供有力支持过程控制基础

8.1过程控制的特点被控变量连续变化、存在扰动、控制目标是维持被控变量在期望值附近过程控制系统结构主要由传感器、变送器、控制器、执行机构等组成传感器负责测量被控变量，变送器负责将传感器信号转换为标准信号，控制器负责执行控制算法，执行机构负责调节控制量控制

8.2PID比例控制积分控制微分控制根据偏差的大小，输出与偏差根据偏差的积累，输出与偏差根据偏差的变化率，输出与偏成比例的控制量，能够快速响积分成比例的控制量，能够消差微分成比例的控制量，能够应偏差，但存在静态误差除静态误差，但响应速度较慢预测偏差的变化趋势，提高系统稳定性，但易受噪声干扰PID控制是过程控制中最常用的控制算法通过合理调节PID参数，可以实现对过程的精确控制在实际应用中，需要根据具体的控制任务和系统特性选择合适的PID参数高级控制策略

8.3模糊控制自适应控制一种基于模糊逻辑的控制方法，能一种能够根据系统特性自动调节控够处理不确定性和非线性问题，适制参数的控制方法，适用于时变和用于复杂的过程控制非线性系统预测控制一种基于模型预测的控制方法，能够预测系统未来的行为，优化控制效果过程控制系统调试

8.4参数整定方法包括试凑法、经验法、临界比例法、衰减曲线法等，用于确定PID参数的最佳值系统优化技巧包括消除干扰、提高精度、改善响应速度等，用于提高过程控制系统的性能第九章工业机器人技术工业机器人是实现生产过程自动化的重要手段，广泛应用于焊接、装配、搬运等领域本章将重点介绍工业机器人的概述、机器人运动学、机器人编程、机器人应用等内容通过学习本章，您将掌握工业机器人的核心知识，为应用和开发工业机器人提供有力支持工业机器人概述

9.1工业机器人的定义工业机器人的分类一种能够自动执行任务的机器，具有可编程性、多功能性、灵活性包括关节型机器人、直角坐标机器人、SCARA机器人、并联机器等特点人等，根据不同的结构和特性，适用于不同的应用场景机器人运动学

9.2正向运动学1已知机器人的关节角度，求解末端执行器的位置和姿态逆向运动学2已知末端执行器的位置和姿态，求解机器人的关节角度机器人运动学是机器人控制的基础掌握机器人运动学，能够实现对机器人的精确控制在实际应用中，需要根据具体的任务需求，选择合适的运动学模型和算法机器人编程

9.3示教编程离线编程通过手动操作机器人，记录机器人的运动轨迹，在计算机上创建机器人的虚拟模型，编写机器人然后让机器人重复执行该轨迹的程序，然后将程序下载到机器人控制器中机器人编程是实现机器人自动化的关键掌握不同的编程方法，能够灵活应对各种任务需求.示教编程简单易用，但精度较低离线编程精度高，但需要专业的编程知识机器人应用

9.4焊接机器人装配机器人搬运机器人用于自动化焊接，具有焊接质量高、效率高用于自动化装配，具有精度高、速度快等特用于自动化搬运，具有效率高、安全性高等等特点，广泛应用于汽车、船舶等行业点，广泛应用于电子、机械等行业特点，广泛应用于仓库、物流等行业第十章工业物联网与智能制造工业物联网与智能制造是工业发展的未来趋势，通过将物联网技术、大数据技术、云计算技术等应用于工业领域，实现生产过程的智能化、网络化、协同化本章将重点介绍工业物联网的概述、工业大数据、云制造、工业

4.0等内容通过学习本章，您将掌握工业物联网与智能制造的核心知识，为迎接工业发展的未来做好准备工业物联网概述

10.1工业物联网的定义工业物联网的架构将各种工业设备、传感器、系统等连接到互联网，实现数据采集、通常采用三层架构，包括设备层、网络层、应用层设备层负责采数据传输、数据分析、远程控制等功能集数据，网络层负责数据传输，应用层负责数据分析和应用工业大数据

10.2数据采集数据分析数据可视化从各种工业设备、传感器、系统中采集大使用各种数据分析工具和算法，对采集到将分析结果以图形化的方式呈现出来，便量的数据，包括结构化数据、半结构化数的数据进行分析，提取有用的信息，发现于理解和决策据、非结构化数据潜在的规律云制造

10.3云制造的概念将各种制造资源（如设计、加工、测试等）虚拟化，通过互联网提供给用户，实现资源的共享和协同云制造平台架构通常采用三层架构，包括资源层、平台层、应用层资源层提供各种制造资源，平台层提供资源管理和调度服务，应用层提供各种制造应用工业

10.

44.0核心理念关键技术通过信息物理系统（CPS）将物理世界1包括物联网、大数据、云计算、人工智和虚拟世界连接起来，实现生产过程的2能、机器人、增材制造等智能化和自动化第十一章自动化系统集成自动化系统集成是将各种自动化设备、系统、软件等整合在一起，实现协同工作，提高生产效率本章将重点介绍系统集成的概述、硬件集成、软件集成、系统调试与优化等内容通过学习本章，您将掌握自动化系统集成的核心知识，为构建高效协同的自动化系统提供有力支持系统集成概述

11.1系统集成的目的系统集成的流程将各种自动化设备、系统、软件等整合在一起，实现协同工作，提包括需求分析、方案设计、硬件选型、软件开发、系统调试、系统高生产效率、降低生产成本、提升产品质量优化等环节硬件集成

11.2控制系统硬件选型1根据系统需求，选择合适的PLC、DCS、IPC等控制设备，以及传感器、执行机构等硬件设备硬件互联技术2使用各种通信接口和协议，将各种硬件设备连接在一起，实现数据交换和信息共享软件集成

11.3软件平台选择数据交换与共享根据系统需求，选择合适的组态软件、SCADA使用各种数据接口和协议，将各种软件系统连接软件、MES软件等，以及数据库、操作系统等在一起，实现数据交换和信息共享软件平台软件集成是自动化系统集成的关键选择合适的软件平台和数据交换协议，能够实现不同系统之间的无缝集成.不同系统使用不同的数据格式和通信协议，需要进行转换和适配系统调试与优化

11.4系统调试方法包括单元测试、集成测试、系统测试等，用于发现和解决系统中的问题性能优化技巧包括提高响应速度、提高控制精度、提高系统稳定性等，用于提高自动化系统的性能课程总结与展望知识点回顾自动化技术发展趋势12对本课程所学知识点进行回顾，展望自动化技术的发展趋势，巩固所学知识，加深理解包括智能化、网络化、协同化、绿色化等学习建议3鼓励大家继续学习自动化相关知识，不断提升自己的专业能力，为工业自动化的发展做出贡献。