《自动化控制系统课件》课件

自动化控制系统课件欢迎来到自动化控制系统课件！本课程旨在为您提供全面、深入的自动化控制系统知识体系我们将从基础概念入手，逐步深入到高级应用，涵盖自动化控制系统的各个方面通过本课程的学习，您将掌握自动化控制系统的基本原理、设计方法和应用技术，为未来的职业发展打下坚实的基础课程目标和大纲课程目标课程大纲•理解自动化控制系统的基本概念和原理

1.自动化控制系统概述•掌握自动化控制系统的基本组成和类型

2.自动化控制系统的基本原理•熟悉PLC、DCS和SCADA等常用控制系统的应用

3.自动化控制系统的类型•了解工业物联网（IIoT）与自动化控制的融合

4.可编程逻辑控制器（PLC）•掌握传感器、执行器和工业网络通信技术

5.分布式控制系统（DCS）•熟悉人机界面（HMI）设计和自动化控制系统的安全性

6.监控和数据采集系统（SCADA）

7.工业物联网（IIoT）与自动化控制什么是自动化控制系统？自动化控制系统是一种利用控制理论、自动化技术和计算机技术，实现对生产过程或设备的自动控制、监测和优化的系统它能够提高生产效率、降低成本、改善产品质量，并保障生产安全自动化控制系统广泛应用于制造业、过程工业、能源行业、交通运输等领域自动化控制系统的核心在于实现“自动”，即在没有人为干预的情况下，系统能够根据预设的程序和参数，自动地完成一系列的操作这需要系统具备感知、决策和执行的能力，才能应对各种复杂的工况自动化控制系统的发展历史早期阶段1早期的自动化控制系统主要基于机械和液压技术，例如蒸汽机的调速器和水轮机的自动调节装置这些系统结构简单、控制精度较低，主要用于简单的开关控制和调节电气控制阶段2随着电力技术的普及，电气控制系统逐渐取代了机械和液压系统继电器控制系统和模拟控制系统是这一阶段的主要代表电气控制系统具有响应速度快、控制精度高的优点，但灵活性较差计算机控制阶段3计算机技术的出现为自动化控制系统带来了革命性的变革数字控制系统、PLC、DCS等新型控制系统应运而生计算机控制系统具有控制精度高、灵活性强、可编程性好的优点，能够实现复杂的控制算法和优化策略智能化阶段4随着人工智能、大数据、云计算等技术的快速发展，自动化控制系统正朝着智能化方向发展智能控制系统、自适应控制系统、模糊控制系统等新型控制系统不断涌现智能化控制系统能够实现自学习、自诊断、自优化等功能，从而提高系统的可靠性和效率自动化控制系统的基本组成控制层控制层是自动化控制系统的核心，负责接收来自传感器的数据，并根据预设的控制算法和策略，计算出控制信号，发送给驱动层驱动层驱动层负责将控制层发出的控制信号转换为执行层能够识别的信号，例如电压、电流或气压执行层执行层负责根据驱动层发出的信号，执行相应的操作，例如调节阀门的开度、控制电机的转速或开关继电器反馈层反馈层负责采集执行层操作后的状态信息，例如温度、压力或流量，并将这些信息反馈给控制层，形成闭环控制控制层概述控制层是自动化控制系统的“大脑”，负责决策和控制它接收来自传感器的数据，经过处理和分析后，根据预设的控制算法和策略，计算出控制信号，并发送给驱动层控制层可以是PLC、DCS、计算机或嵌入式系统控制层需要具备强大的计算能力、存储能力和通信能力，才能应对复杂的控制任务同时，控制层还需要具备良好的稳定性和可靠性，以保证系统的正常运行驱动层概述驱动层是自动化控制系统的“神经”，负责传递控制信号它将控制层发出的控制信号转换为执行层能够识别的信号，例如电压、电流或气压驱动层通常由各种功率放大器、变频器、伺服驱动器等组成驱动层需要具备良好的响应速度和精度，才能保证控制信号的准确传递同时，驱动层还需要具备一定的保护功能，以防止过载、短路等故障执行层概述执行层是自动化控制系统的“手脚”，负责执行控制指令它根据驱动层发出的信号，执行相应的操作，例如调节阀门的开度、控制电机的转速或开关继电器执行层通常由各种执行机构，例如阀门、电机、气缸等组成执行层需要具备良好的精度和可靠性，才能保证控制效果同时，执行层还需要具备一定的耐用性，以适应恶劣的工况反馈层概述反馈层是自动化控制系统的“眼睛”，负责采集状态信息它采集执行层操作后的状态信息，例如温度、压力或流量，并将这些信息反馈给控制层，形成闭环控制反馈层通常由各种传感器，例如温度传感器、压力传感器、流量传感器等组成反馈层需要具备良好的精度和响应速度，才能保证状态信息的准确采集同时，反馈层还需要具备一定的抗干扰能力，以防止噪声和干扰的影响自动化控制系统的基本原理开环控制闭环控制开环控制是指控制系统没有反馈环节，控制信号直接作用于被控闭环控制是指控制系统具有反馈环节，控制信号作用于被控对象对象，控制效果不受被控对象状态的影响开环控制结构简单、的同时，被控对象的状态信息也被反馈回控制系统，用于修正控成本低廉，但控制精度较低，容易受到干扰的影响制信号闭环控制能够提高控制精度，抑制干扰的影响，但结构复杂、成本较高开环控制系统开环控制系统是一种没有反馈环节的控制系统控制器的输出直接作用于被控对象，而系统不会根据被控对象的实际状态来调整控制器的输出这种系统的优点是结构简单、成本低廉，但缺点是控制精度较低，容易受到干扰的影响例如，一个简单的定时器控制的灌溉系统就是一个开环控制系统定时器设定好灌溉时间后，无论土壤的湿度如何，系统都会按照设定的时间进行灌溉如果遇到下雨天气，土壤湿度已经很高，系统仍然会进行灌溉，造成浪费闭环控制系统闭环控制系统是一种具有反馈环节的控制系统控制器的输出作用于被控对象，同时，被控对象的实际状态也被反馈回控制器，用于修正控制器的输出这种系统的优点是控制精度高、抗干扰能力强，但缺点是结构复杂、成本较高例如，一个温度控制系统就是一个闭环控制系统温度传感器检测实际温度，并将温度信息反馈给控制器控制器将实际温度与设定温度进行比较，并根据偏差调整加热器的输出，以保持实际温度接近设定温度反馈控制的重要性提高控制精度反馈控制能够根据被控对象的实际状态，实时调整控制信号，从而提高控制精度抑制干扰影响反馈控制能够检测到干扰的影响，并及时进行补偿，从而抑制干扰的影响提高系统稳定性反馈控制能够改善系统的动态特性，提高系统的稳定性控制器原理PIDPID控制器是一种常用的闭环控制算法，由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节组成比例环节用于快速响应偏差，积分环节用于消除静态误差，微分环节用于预测偏差的变化趋势PID控制器的参数整定是一个重要的环节合适的PID参数能够使系统具有良好的动态特性和稳态特性常用的PID参数整定方法包括经验法、试凑法和自动整定法自动化控制系统的类型连续控制系统离散控制系统连续控制系统是指被控对象的状离散控制系统是指被控对象的状态和控制信号都是连续变化的系态和控制信号都是离散变化的系统例如，温度控制系统、流量统例如，开关控制系统、步进控制系统等电机控制系统等数字控制系统数字控制系统是指利用数字计算机实现的控制系统数字控制系统具有控制精度高、灵活性强、可编程性好的优点连续控制系统连续控制系统是指被控对象的状态和控制信号都是连续变化的系统在连续控制系统中，控制信号可以取任意值，被控对象的状态也随之连续变化常见的连续控制系统包括温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统等连续控制系统的设计需要考虑系统的动态特性和稳态特性常用的控制算法包括PID控制、超前滞后控制等连续控制系统的应用非常广泛，几乎所有的工业过程都需要连续控制离散控制系统离散控制系统是指被控对象的状态和控制信号都是离散变化的系统在离散控制系统中，控制信号只能取有限个值，被控对象的状态也只能在有限个状态之间切换常见的离散控制系统包括开关控制系统、步进电机控制系统、数控机床等离散控制系统的设计需要考虑系统的逻辑关系和时序关系常用的控制算法包括顺序控制、状态机控制等离散控制系统的应用也非常广泛，例如机器人控制、生产线控制等数字控制系统数字控制系统是指利用数字计算机实现的控制系统数字控制系统将模拟信号转换为数字信号，利用计算机进行处理和计算，再将数字信号转换为模拟信号，控制被控对象数字控制系统具有控制精度高、灵活性强、可编程性好的优点数字控制系统的核心是控制算法常用的数字控制算法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等数字控制系统的应用越来越广泛，几乎所有的自动化控制系统都朝着数字化方向发展模糊控制系统模糊控制系统是一种基于模糊逻辑的控制系统模糊控制系统不需要精确的数学模型，而是利用模糊规则和模糊推理，模拟人的思维方式进行控制模糊控制系统适用于难以建立精确数学模型的复杂系统模糊控制系统的核心是模糊规则库和模糊推理机模糊规则库包含一系列的模糊规则，用于描述输入和输出之间的关系模糊推理机根据模糊规则和输入，推导出输出模糊控制系统的应用越来越广泛，例如洗衣机、空调、电饭煲等自适应控制系统自适应控制系统是一种能够根据被控对象的变化，自动调整控制参数的控制系统自适应控制系统能够适应环境的变化和被控对象参数的变化，从而保持系统的性能自适应控制系统适用于时变系统和非线性系统自适应控制系统的核心是自适应算法常用的自适应算法包括模型参考自适应控制、自校正控制等自适应控制系统的应用越来越广泛，例如飞行器控制、机器人控制等可编程逻辑控制器（）PLC输入模块1CPU24电源模块输出模块3PLC是一种专门为工业自动化控制设计的数字计算机它采用可编程的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入输出，控制各种类型的机械设备或生产过程的硬件结构PLCPLC的硬件结构主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源模块和通信模块CPU是PLC的核心，负责执行指令和处理数据存储器用于存储程序和数据I/O模块用于连接外部设备，例如传感器、执行器等电源模块用于提供电源通信模块用于与其他设备进行通信PLC的I/O模块分为数字量I/O模块和模拟量I/O模块数字量I/O模块用于连接开关量传感器和执行器模拟量I/O模块用于连接模拟量传感器和执行器的软件编程PLCPLC的软件编程主要包括梯形图编程、指令表编程、功能块图编程和结构化文本编程梯形图编程是一种图形化的编程语言，类似于继电器电路图，易于学习和使用指令表编程是一种基于指令的编程语言，类似于汇编语言，功能强大功能块图编程是一种图形化的编程语言，将程序划分为多个功能块，易于模块化设计结构化文本编程是一种高级编程语言，类似于C语言，适用于复杂的控制算法常用的PLC编程软件包括西门子STEP

7、三菱GX Works

2、欧姆龙CX-Programmer等分布式控制系统（）DCS集中控制分散控制分层结构DCS是一种将控制功能分散在多个控制单元上的控制系统每个控制单元负责控制一部分设备或过程，并通过通信网络与其他控制单元进行协调DCS适用于大规模、复杂的工业过程控制的系统架构DCSDCS的系统架构通常采用分层结构，包括操作站层、控制站层和现场设备层操作站层是人机交互界面，操作员可以通过操作站监控和控制整个系统控制站层是DCS的核心，负责执行控制算法和管理现场设备现场设备层包括各种传感器、执行器和现场仪表DCS的控制站通常采用模块化设计，可以根据需要灵活配置DCS的通信网络通常采用工业以太网或现场总线，以保证数据的实时性和可靠性的应用领域DCS石油化工电力造纸DCS广泛应用于石油炼制、化工生产等过DCS广泛应用于火力发电、水力发电、核DCS广泛应用于造纸生产线，用于控制纸程工业，用于控制温度、压力、流量等参电等领域，用于控制锅炉、汽轮机、发电浆浓度、水分含量、纸张厚度等参数，保数，保证生产过程的安全稳定运行机等设备，保证电力生产的安全高效运行证纸张的质量和产量监控和数据采集系统（）SCADA数据采集数据传输124数据控制数据监控3SCADA是一种用于监控和控制地理位置分散的设备的系统SCADA系统通常由远程终端单元（RTU）、通信网络和主站组成RTU负责采集现场设备的数据，并将数据传输到主站主站负责监控和控制RTU系统的组成SCADA远程终端单元（）通信网络主站RTURTU是SCADA系统的现场设备，负责采通信网络是SCADA系统的数据传输通道主站是SCADA系统的控制中心，负责监集现场设备的数据，并将数据传输到主，负责将RTU采集的数据传输到主站控和控制RTU主站通常由服务器、数站RTU通常由传感器、执行器、通信通信网络可以采用有线通信或无线通信据库、人机界面和通信模块组成模块和电源模块组成在工业中的应用SCADA电力系统1SCADA用于监控和控制变电站、输电线路等设备，保证电力系统的安全稳定运行水处理2SCADA用于监控和控制水泵站、水库、污水处理厂等设备，保证水资源的有效利用和环境保护石油天然气3SCADA用于监控和控制油井、输油管道、储油罐等设备，保证石油天然气的安全高效运输和储存工业物联网（）与自动化控制IIoT传感器云计算机器学习IIoT通过大量的传感器采集设备和过程的IIoT利用云计算平台存储和处理海量数据IIoT通过机器学习算法分析数据，优化控数据，为自动化控制提供更全面的信息，为自动化控制提供强大的计算能力和存制策略，提高自动化控制的效率和智能化储能力水平传感器技术传感器是一种能够感受被测量，并将其转换为可输出信号的装置传感器是自动化控制系统的“感觉器官”，负责采集各种状态信息传感器的性能直接影响自动化控制系统的精度和可靠性传感器的种类繁多，按照工作原理可以分为物理传感器、化学传感器、生物传感器等按照输出信号可以分为模拟传感器和数字传感器常用的传感器包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、位移传感器等常见传感器类型及应用温度传感器压力传感器流量传感器用于测量温度应用于工业过程控制、环用于测量压力应用于工业过程控制、液用于测量流量应用于工业过程控制、水境监测、医疗设备等领域压系统、气压系统等领域处理、石油化工等领域执行器概述执行器是一种能够根据控制信号，执行相应操作的装置执行器是自动化控制系统的“执行机构”，负责实现控制目标执行器的性能直接影响自动化控制系统的控制效果执行器的种类繁多，按照能源类型可以分为电动执行器、液压执行器、气动执行器等常用的执行器包括阀门、电机、气缸等电动执行器电动执行器是一种利用电动机驱动的执行器电动执行器具有控制精度高、响应速度快、结构紧凑的优点电动执行器广泛应用于各种自动化控制系统中，例如阀门控制、电机控制、机器人控制等电动执行器的种类繁多，按照控制方式可以分为开关型电动执行器、调节型电动执行器、伺服型电动执行器等液压执行器液压执行器是一种利用液压驱动的执行器液压执行器具有输出力大、响应速度快、工作可靠的优点液压执行器广泛应用于各种重型机械和工业设备中，例如挖掘机、起重机、注塑机等液压执行器的种类繁多，按照运动形式可以分为液压缸和液压马达气动执行器气动执行器是一种利用气压驱动的执行器气动执行器具有结构简单、成本低廉、维护方便的优点气动执行器广泛应用于各种轻型机械和自动化设备中，例如气动阀门、气动夹具、气动机器人等气动执行器的种类繁多，按照运动形式可以分为气缸和气动马达工业网络通信现场总线工业以太网12现场总线是一种用于连接现场工业以太网是一种基于以太网设备和控制器的通信网络，具技术的工业通信网络，具有带有实时性好、可靠性高、成本宽大、兼容性好、易于扩展的低廉的优点优点无线通信3无线通信是一种利用无线电波进行数据传输的通信方式，具有灵活性强、移动性好的优点现场总线技术现场总线是一种用于连接现场设备和控制器的串行通信网络它具有实时性好、可靠性高、成本低廉的优点现场总线技术已经广泛应用于各种工业自动化系统中，例如PLC、DCS、SCADA等常用的现场总线协议包括Profibus、CANopen、Modbus RTU、HART等不同的现场总线协议具有不同的特点，适用于不同的应用场景工业以太网工业以太网是一种基于以太网技术的工业通信网络它具有带宽大、兼容性好、易于扩展的优点工业以太网已经逐渐取代传统的现场总线，成为工业自动化领域的主流通信技术常用的工业以太网协议包括Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP等这些协议在标准以太网的基础上，增加了一些实时性和可靠性的增强功能，以满足工业控制的需求无线通信在自动化控制中的应用远程监控移动控制124状态监测数据采集3无线通信技术在自动化控制领域具有广泛的应用前景它可以实现远程监控、移动控制、数据采集等功能，提高自动化系统的灵活性和效率常用的无线通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、4G/5G等人机界面（）设计HMI用户体验1易用性2信息呈现3数据监控4HMI是人与自动化系统进行交互的界面一个良好设计的HMI能够提高操作员的工作效率，减少误操作，提高系统的安全性HMI设计需要考虑用户体验、易用性、信息呈现等方面的功能和重要性HMI数据监控参数设置报警显示趋势分析HMI能够实时显示系统的数HMI能够让操作员设置系统HMI能够及时显示系统的报HMI能够绘制系统的趋势图据，例如温度、压力、流量的参数，例如设定值、报警警信息，帮助操作员快速发，帮助操作员分析系统的运等，帮助操作员了解系统的值等，控制系统的运行现和处理故障行趋势，预测潜在的问题运行状态自动化控制系统的安全性功能安全1功能安全是指自动化系统在发生故障时，能够安全地停止运行，防止造成人员伤亡或财产损失网络安全2网络安全是指自动化系统能够防止网络攻击，保护数据的安全和系统的正常运行操作安全操作安全是指自动化系统在操作过程中，能够防止操作员发生3意外，保护操作员的安全功能安全标准介绍功能安全标准是一系列用于规范自动化系统功能安全设计的标准常用的功能安全标准包括IEC

61508、IEC

61511、ISO13849等这些标准规定了自动化系统的安全生命周期、安全需求、安全设计、安全验证等方面的内容功能安全设计需要进行风险评估，确定系统的安全完整性等级（SIL），并根据SIL等级选择相应的安全措施功能安全验证需要进行安全测试和安全审计，以确保系统满足安全要求自动化控制系统的可靠性硬件可靠性软件可靠性硬件可靠性是指自动化系统的硬软件可靠性是指自动化系统的软件设备在规定的时间内，能够正件程序在规定的时间内，能够正常工作的概率硬件可靠性受到常运行的概率软件可靠性受到设备质量、环境条件、维护水平程序设计、测试、维护等因素的等因素的影响影响系统可靠性系统可靠性是指自动化系统整体在规定的时间内，能够正常工作的概率系统可靠性受到硬件可靠性、软件可靠性、网络可靠性等因素的影响冗余设计原理硬件冗余软件冗余数据冗余冗余设计是一种提高系统可靠性的方法通过增加额外的硬件、软件或数据，当系统发生故障时，冗余部分能够接替工作，保证系统的正常运行常用的冗余设计方法包括硬件冗余、软件冗余和数据冗余自动化控制系统的维护预防性维护故障诊断维修自动化控制系统的维护是保证系统长期稳定运行的重要环节维护工作包括预防性维护、故障诊断和维修预防性维护是指定期对系统进行检查、清洁、润滑等操作，以防止故障的发生故障诊断是指通过各种方法，确定故障的原因和位置维修是指对故障设备进行修理或更换，使其恢复正常工作预防性维护策略定期检查1清洁2润滑3紧固4校准5预防性维护是保证自动化控制系统可靠运行的重要手段通过定期对系统进行检查、清洁、润滑、紧固和校准等操作，可以及时发现和消除潜在的故障隐患，延长设备的使用寿命，提高系统的可靠性故障诊断与排除故障检测故障隔离124故障排除故障定位3故障诊断是自动化系统维护的重要环节当系统发生故障时，需要快速准确地诊断出故障的原因和位置，才能及时排除故障，恢复系统的正常运行故障诊断的方法包括观察法、测量法、替换法、经验法等自动化控制系统在制造业的应用焊接装配加工机器人焊接可以提高焊接效率和质量，降自动化装配线可以提高装配效率和精度，数控机床可以实现高精度、高效率的零件低劳动强度降低生产成本加工自动化控制系统在制造业中得到广泛应用，可以提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量、改善工作环境常用的自动化控制系统包括机器人系统、数控系统、自动化生产线等自动化控制系统在过程工业的应用石油化工电力造纸DCS用于控制石油炼制、化工生产等过DCS用于控制火力发电、水力发电、核DCS用于控制造纸生产线，保证纸张的程，保证生产过程的安全稳定运行电等过程，保证电力生产的安全高效运质量和产量行过程工业是指以化学、物理或生物过程为基础的工业自动化控制系统在过程工业中发挥着重要作用，可以实现生产过程的自动控制、优化和管理，提高生产效率，降低能源消耗，保证产品质量，确保生产安全自动化控制系统在能源行业的应用智能电网1能源管理2生产控制3能源行业是自动化控制系统的重要应用领域自动化控制系统可以用于能源生产、输送、分配和消费的各个环节，实现能源的高效利用和优化管理例如，在电力行业，自动化控制系统可以用于控制发电厂的运行，优化电网的调度，提高电能的利用率在石油天然气行业，自动化控制系统可以用于控制油气田的生产，优化管道的输送，提高油气的回收率自动化控制系统在交通领域的应用智能交通系统轨道交通智能交通系统（ITS）利用自动自动化控制系统可以用于控制列化控制技术，实现交通流量的优车的运行，保证列车运行的安全化、交通安全的保障和交通信息和效率的服务航空航天自动化控制系统可以用于控制飞机的飞行，保证飞行安全和效率智能建筑中的自动化控制照明控制控制HVAC安防控制智能建筑是指利用自动化控制技术，实现建筑的智能化管理和服务的建筑自动化控制系统可以用于控制建筑的照明、暖通空调（HVAC）、安防、消防等系统，提高建筑的舒适性、安全性和节能性自动化控制系统的未来趋势人工智能数字孪生边缘计算自动化控制系统正朝着智能化、网络化、集成化的方向发展人工智能、数字孪生、边缘计算等新兴技术将为自动化控制系统带来新的发展机遇未来，自动化控制系统将更加智能、高效、可靠和安全人工智能与机器学习在控制系统中的应用优化控制故障诊断预测维护利用机器学习算法，可以优化控制策略利用人工智能技术，可以实现自动化故利用机器学习算法，可以预测设备的寿，提高控制系统的性能障诊断，减少停机时间命，实现预测性维护数字孪生技术实时数据1模拟仿真2优化控制3数字孪生是指创建一个物理系统的虚拟模型，利用实时数据和模拟仿真技术，对物理系统进行监控、分析和优化数字孪生技术可以为自动化控制系统提供更全面的信息，实现更精确的控制和优化边缘计算在自动化控制中的角色数据处理实时控制124降低延迟安全保障3边缘计算是指将计算任务从云端转移到边缘设备上进行处理，减少数据传输延迟，提高系统的实时性和可靠性在自动化控制系统中，边缘计算可以用于实现实时控制、数据处理和安全保障自动化控制工程师的职业发展专家顾问1项目经理2技术主管3工程师4自动化控制工程师是指从事自动化控制系统设计、开发、调试、维护和管理的专业人员自动化控制工程师的职业发展路径可以是工程师、技术主管、项目经理、专家顾问等自动化控制工程师需要具备扎实的理论知识、丰富的实践经验和良好的沟通能力课程总结与展望通过本课程的学习，您已经掌握了自动化控制系统的基本概念、原理、组成、类型和应用希望您能够在未来的工作和学习中，不断探索自动化控制技术的奥秘，为推动自动化控制技术的发展做出贡献自动化控制技术是现代工业的重要组成部分，随着科技的不断发展，自动化控制技术将会在更多的领域得到应用希望本课程能够为您开启自动化控制之旅，祝您学习愉快，事业有成！。