自动控制系统的基本元件与设备
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
控制系统的基本组成与工作过程
控制系统的基本组成与工作过程控制系统是由各种元件和设备组成的，在工业自动化以及其他领域中发挥着重要的作用。
它可以对各种物理过程进行监控和控制，使得系统能够自动运行以实现预期的目标。
本文将介绍控制系统的基本组成和工作过程。
1. 控制系统的基本组成控制系统的基本组成包括传感器、执行器、控制器和信号传输系统四个部分。
1.1 传感器传感器是控制系统的输入设备，用于感知被控制对象的状态或参数，并将其转化为电信号。
传感器可以测量各种物理量，例如温度、压力、速度等，常见的传感器有温度传感器、压力传感器和光电传感器等。
1.2 执行器执行器是控制系统的输出设备，用于根据控制信号控制被控制对象的状态或参数。
执行器接收到来自控制器的命令后，将通过电、气或机械方式对被控制对象施加控制。
常见的执行器包括电动阀门、电机和液压缸等。
1.3 控制器控制器是控制系统的核心部分，负责对输入信号进行处理并发出控制指令。
控制器通常由一或多个计算机芯片或微控制器组成，通过算法和逻辑运算来实现对被控制对象的精确控制。
控制器可以根据事先设定的规则和算法，对输入信号进行处理和分析，并生成控制信号发送给执行器。
1.4 信号传输系统信号传输系统负责传递传感器采集到的信号和控制器生成的控制信号。
它通常由电缆、电线、总线或者无线传输等方式组成。
信号传输系统的可靠性和稳定性对于控制系统的正常运行至关重要。
2. 控制系统的工作过程控制系统的工作过程可以简要概括为感知、决策和执行三个过程。
2.1 感知过程控制系统首先通过传感器感知控制对象的状态或参数。
传感器将实时采集到的物理量转化为电信号，并将其发送给控制器。
感知过程的准确性和实时性对于控制系统的性能和稳定性起着重要的作用。
2.2 决策过程控制器接收到传感器采集到的信号后，将进行数据处理和分析。
控制器使用预先设定的控制算法和规则，对采集到的信号进行处理，并生成相应的控制信号。
控制器可以根据目标任务和要求，对输出的控制信号进行调整和优化。
自动控制系统概述
控制装置(简称控制器）使被控对象（或生产过程等）的某
一物理量（如温度、压力等）准确地按照预期的规律运行。
二、自动控制系统的常用术语
在自动控制系统中，被控制的设备或过程称为被控对象 或对象；被控制的物理量称为被控量或输出量；决定被控量 的物理量称为控制量或给定量；妨碍控制量对被控量进行正 常控制的所有因素称为扰动量。给定量和扰动量都是自动控 制系统的输入量。扰动量按其来源分内部扰动和外部扰动。
第一章 自动控制系统概述
三、闭环控制系统
系统的控制装置和被控对象不仅有顺 向作用，而且输出端和输入端之间存在反 馈关系，所以称为闭环控制系统，闭环控 制系统就是反馈控制系统。
第一章 自动控制系统概述
直流电动机调速系统
第一章 自动控制系统概述
恒温箱
闭 环 控制
第一章 自动控制系统概述
系统框图
第一章 自动控制系统概述
返回
第一章 自动控制系统概述
第五节 自动控制系统的性能指标
一、稳定性
系统的稳定性：系统在受到外部作用后，能否恢复平衡状态
稳定
的能力。
不稳定
第一章 自动控制系统概述
稳定的重要性：不稳定的系统是无法进行工作的；因此，对
任何自动控制系统，首要的条件便是系统能 稳定正常运行。
二、快速性
系统响应的快速性：是指在系统稳定性的前提下，通过系统 的自动调节，最终消除因外作用改变而引起的输出量与给定 量之间偏差的快慢程度。一般用调节时间来衡量 。如图1-16 所示，系统输出即系统响应经过几次振荡后，达到新的稳定 状态。对于系统动态过程性能的优劣除了快速性之外，还有 反映系统动态过程平稳性指标，故将快速性和平稳性作为表 征系统动态性能的指标，统称为动态性能指标。
第2章自动控制系统的基本部件
2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路
主电路 电压信号
同步电路
移相控制
移相调节信号 （控制电压信号）
脉冲形成
功率放大 脉冲输出
脉冲电源
图2.28 触发电路的组成
图2.28 触发电路的组成
2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路
两个基极 阴极
2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路
2.3.4 晶闸管的触发电路与保护电路
• 2.晶闸管的保护 • 由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。为了保证器件
能可靠地长期运行，除了留有余地合理选择器件外，还应采取恰当的保护措施。 • (1) 过电流保护 • 晶闸管在短时间内能够承受一定的过电流而不损坏。但是，如果短路或过载时过电流数值较大，而切断
2
图2图.220.2晶0 闸晶管闸工管工作作条条件件的的实实验验电 电路路
2.3.1 晶闸管
• (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。此时 不论门极电压是正还是负，晶闸管将保持导通， 故导通的控制信号只需正向脉冲电压，称为触发 脉冲或触发信号，相应的门极控制电路称为触发 电路。晶闸管门极只能控制其导通，而不能使已 导通的晶闸管关断。因此晶闸管属于具有正向阻 断能力和单向导电性的半控型器件。
2.1.3 角位移检测元件
f
自整角机对
放大器
bs
G
i
o
R
交流伺服
SM
电动机
负载
图图22..99 角 角位位移移 随动随系动统系统
2.1.3 角位移检测元件
• 3. 光电编码盘 • 光电编码盘是一种按角度直接进行编码的码盘式角度—数字转换器。
其核心部件是编码盘。编码盘是一种按一定编码形式(如二进制编码、 循环码编码等)来分辨角度位移的圆盘。图2.10为一个四位二进制编码 盘。它的制作方法是：首先将圆盘按角度分为m等分(图中)，并分成n 个同心圆环(图中)，各圆环对应着编码的位数，称为码道。内圆环对 应编码的高位，外圆环对应编码的低位。然后将个(图中为64个)扇形 区，按二进制编码，划分为透明(白色)部分和不透明(黑色)部分，透明 (白色)部分表示“0”，不透明(黑色)部分表示“1”。由这些不同的黑、 白区域的排列组合即构成了与角位移位置相对应的数码。如“0000” 对应“0”号角度位，“0100”对应“4”号角度位。
自动控制理论
⾃动控制理论第⼀章⾃动控制系统概述1、组成⾃动控制系统的基本元件或装置有哪些？各环节的作⽤？控制系统是由控制对象和控制装置组成，控制装置包括：(1) 给定环节给出与期望的输出相对应的系统输⼊量。
(2) 测量变送环节⽤来检测被控量的实际值，测量变送环节⼀般也称为反馈环节。
(3) ⽐较环节其作⽤是把测量元件检测到的实际输出值与给定环节给出的输⼊值进⾏⽐较，求出它们之间的偏差。
(4) 放⼤变换环节将⽐较微弱的偏差信号加以放⼤，以⾜够的功率来推动执⾏机构或被控对象。
(5) 执⾏环节直接推动被控对象，使其被控量发⽣变化。
常见的执⾏元件有阀门，伺服电动机等。
2、什么是被控对象、被控量、控制量、给定量、⼲扰量？举例说明。
被控对象指需要给以控制的机器、设备或⽣产过程。
被控量指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量，被控量⼜称输出量、输出信号。
控制量也称操纵量，是⼀种由控制器改变的量值或状态，它将影响被控量的值。
给定值是作⽤于⾃动控制系统的输⼊端并作为控制依据的物理量。
给定值⼜称输⼊信号、输⼊指令、参考输⼊。
除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是⼲扰，⼲扰⼜称扰动。
⽐如⼀个⽔箱液位控制系统，其控制对象为⽔箱，被控量为⽔箱的⽔位，给定量是⽔箱的期望⽔位。
3、⾃动控制系统的控制⽅式有哪些？⾃动控制系统的控制⽅式有开环控制、闭环控制与复合控制。
4、什么是闭环控制、复合控制？与开环控制有什么不同？若系统的输出量不返送到系统的输⼊端（只有输⼊到输出的前向通道），则称这类系统为开环控制系统。
在控制系统中，控制装置对被控对象所施加的控制作⽤，若能取⾃被控量的反馈信息（有输出到输⼊的反馈通道），即根据实际输出来修正控制作⽤，实现对被控对象进⾏控制的任务，这种控制原理被称为反馈控制原理。
复合控制是闭环控制和开环控制相结合的⼀种⽅式，既有前馈通道，⼜有反馈通道。
5、⾃动控制系统的分类（按元件特性分、按输⼊信号的变化规律、按系统传输信号的性质）？按系统输⼊信号的时间特性进⾏分类，可分为恒值控制系统和随动系统。
自动控制基本知识
自控根本知识〔一〕根本概念 (2)〔二〕自动控制系统的组成 (2)〔三〕自动调节常用术语 (2)〔四〕调节对象的特性 (4)〔五〕调节器的特性 (6)〔六〕调节器的种类 (8)〔七〕对自动调节系统的要求 (12)〔一〕根本概念自动控制是指用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，去调节空调参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从而满足空调房间的要求。
现在国内自动控制采用的方法，都是先测出调节参数对给定值的偏差，然后根据这个偏差，经控制系统的调节，消除干扰的影响，使调节参数再回到给定值(或允许范围)。
〔二〕自动控制系统的组成目前空调自动控制系统多采用电动调节。
这样的控制系统可由下面所示方块图表示：附图：自动控制系统方块图由于外扰的作用，调节对象的调节参数发生变化，经敏感元件测量并传送给控制机构〔调节器〕，调节器根据调节参数对给定值的偏差，指令执行机构使调节机构动作，去调节调节对象的负荷，使调节参数回到原来的给定值。
在给执行机构供电的主电路上，为使调节稳定，常装有通断机构，以便对执行机构间断供电。
〔三〕自动调节常用术语1．调节参数(也叫被调参数)需要维持数值不变或在允许范围内变化的参数，叫做调节参数。
空调中的调节参数主要是温度、湿度、压力，还有水位等等。
2．给定值(也叫定值值)就是根据需要给调节参数预先规定的不变值或波动范围，叫做给定值。
例如规定维持房间温度为23±℃，这个数值(即波动范围22.5～℃)就是室温调节系统的给定值(范围)。
3．偏差调节参数的实际数值同给定值之间的差值，叫做偏差。
例如，规定控制温度(给定值)为20℃，而实际却是21℃，它们相差的1℃即为偏差。
4．扰动能引起调节参数产生偏差的因素，叫做扰动或干扰。
空调中引起空调房间温度变化的因素，象室外温度变化、送风温度变化以及室内余热变化等等，都是室温的扰动。
自动调节的作用，也正是为消除扰动的影响，使调节参数恒定或在要求范围内。
自动控制基础知识.详解
例2：“是”函数的真值 表
例3：“与”函数的真值 表
例4：“或”函数的真值 表
三、卡诺图
卡诺图：就是按一定规则画出的方块图。
图中一个方块就代表变量的一种取值情况，和真值表类似， 有n个逻辑变量，在卡诺图中就有2n 个格。
0 a1
aa
图1.19 单变量 卡诺图
3 复合控制
计算
给定值
计算
执行
测量
干扰
受控对象
被控量
测量
图1.7 复合控制框图
§1.2 传递函数与环节特性
一、比例环节
其传递函数为：
特点：当输人信号变化时，输出信号会同时以一定的比例 复现输入信号的变化。
x(t)
y(t)
A A
KA A
图1.8 比例环节动态特性
二、一阶环节
其传递函数为： 特点：当输入信号x(t)作阶跃变化后，输出信号y(t)立刻以
“非”函数可用常闭开关符号代表：
“非”函数的基本性质如下：
(2) 双变量(多变量)运算
设变量“a、b、c、d…”，函数S，有如下运算： a．“与”函数
又称“逻辑乘”，表示“同时”、“共同 ” 等价表于达两式个为常：开开关串联：
基本性质： 置换律： 结合律： 几个特殊关系：
当有n个变量时，“与”函数可表示为： 上述性质均成立
（2）过渡过程的5个品质指标
y
图1.13 定值系统的过渡过程
最大偏差A 过渡时间ts 余差C 衰减比ψ 振荡周期Tp
§1.4 自动控制的基本方式
f 被控对象
uห้องสมุดไป่ตู้
控制器
c
c
e
r0
图1.14 控制系统方框图
自动化设备的基本组件解析
自动化设备的基本组件解析自动化设备是现代工业生产中的重要组成部分，它们通过使用各种基本组件来实现任务的自动执行。
在本文中，我将对自动化设备的基本组件进行解析，以帮助您更好地理解这些关键技术。
让我们从机械部件开始讨论。
在自动化设备中，机械部件是实现物理动作的基础。
这些部件包括齿轮、传动轴、连杆、轴承等等。
齿轮可以将旋转运动转化为线性运动或改变运动的方向和速度。
传动轴用于连接不同的部件，将力和运动传递到其他机械部件。
连杆可以将旋转或线性运动转化为另一种运动形式，从而实现所需的动作。
除了机械部件，电子元件也是自动化设备不可或缺的组成部分。
电子元件主要用于控制和监测自动化设备的运行。
传感器是一种常见的电子元件，用于检测环境参数（如温度、压力、光线等）并将其转化为电信号。
这些信号可以通过控制装置进行处理和分析，以便根据需要采取适当的行动。
电子元件还包括电机、运动控制器、计时器、计数器等，用于控制和调整自动化设备的运动和操作。
在现代自动化设备中，计算机控制系统扮演着至关重要的角色。
计算机控制系统能够通过编程和算法实现复杂的任务，并对自动化设备的性能进行监控和优化。
传感器和执行器与计算机控制系统连接，通过实时数据传输和反馈机制，实现设备的智能化控制。
这使得自动化设备能够根据不同的情况做出即时的反应和调整，提高生产效率和质量。
除了上述基本组件，还有一些其他的关键技术对于自动化设备的功能和性能也起着重要作用。
其中之一是通信技术，它用于设备之间的数据传输和远程监控。
通过使用通信技术，自动化设备可以实现远程操作和监控，从而提高工作效率和运行安全性。
另外，还有各种控制算法和软件工具，用于优化生产过程、调整设备参数和预测故障，以实现智能化和自适应性的控制。
自动化设备的基本组件包括机械部件、电子元件、计算机控制系统以及通信技术和其他关键技术。
这些组件共同作用，使自动化设备能够实现高效、精确和可靠的任务执行。
在未来，随着技术的不断发展，自动化设备将变得更加智能化和灵活，为各行各业的生产方式带来革命性的改变。
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2020年5月19日星期二
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5.4 信息应用设备——执行器
常用工业执行器 变压器
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5.4 信息应用设备——执行器
常用工业执行器 直流电机
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同时控制网络还要在与操作终端、上层管理网络的数据连 接和信息共享中发挥作用。近年来，随着互联网技术的发展， 已经开始对现场设备提出了参数的网络浏览和远程监控的要 求。
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5.3 信息处理设备——控制器
控制器的作用
控制器的作用是把控制对象输出的实际值和参考输入（参 据量）进行比较，以得到偏差，并根据偏差产生一个控制信 号，使偏差减小期望的范围。自动控制以这种方式产生控制 信号，称为控制作用。
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5.1 信息获取元件——传感器
传感器的分类
1）按传感器测量原理分类，传感器可分为电阻式传感器、电 容式传感器和超声波传感器
2）按信号变换特征分类，传感器可分为物性型和结构型。
3）按敏感元件与被测对象之间的能量关系，传感器可分为能 量转换型与能量控制型。
按要求变化所需要的能量或物质。
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本章作 业
P137 T1，T2，T3, T7， T8
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传感器的英文 sensor，比中文更传神！顾名思义，就是可 以像我们的身体器官一样感受周围环境的一种装置。
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5.1 信息获取元件——传感器
什么是传感器？
系统
输入
输出
传感器
x(t)
y(t)
外驱动 yd
输入
传感器 x(t)
输出
y(t) yd
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5.1 信息获取元件——传感器
几种常见的传感器
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5.1 信息获取元件——传感器
新型汽车主要传感器分布图
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5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络
模糊控制器、 专家系统控制器、 神经网络控制器等等。
在这里，控制器的分类是一个发展的概念，随着控制 方法的日新月异，新的控制器也将不断出现。
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5.4 信息应用设备——执行器
执行器的作用
执行器是控制系统中的功率部件，是被控制对象的直接 驱动装置，控制器的指令一般要通过执行器得以实现，而 执行器的驱动输出取决于控制器的控制作用。
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5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络
点对点控制系统
传统控制理论研究的系统大多是“点对点控制系统”，其 结构也就是一般反馈控制系统的结构图所示，它认为系统中 信息由一个元件向下一个元件的传输是立即发出并立即到达 的，可以认为没有传输的时间延迟（时延）。
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5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络
网络控制系统
“网络控制系统”的信息传输要经过通讯网络，其信号的传输 相对比较复杂，如存在传输时延和数据包的丢失等现象。网络 控制系统已被广泛应用于大型工业过程控制及小型局域系统 （如航天器、船舶和新型高性能汽车等）中；由于将通讯网络 引入了实际控制系统，系统的信号传输要经过实时网络，从而 使系统的分析和设计变得比较复杂。
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5.4 信息应用设备——执行器
常用工业执行器 交流电机
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5.4 信息应用设备——执行器
常用工业执行器 步进电机
电源
工作
机构
脉冲发生器
脉冲分配
放大
电动机
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从信息传输和处理角度看，执行器是信息处理的落足点， 是信息流对能量流、物质流的转换装置，执行器可实现对 信息的应用，将控制信号变换为导致被控量按要求变化所 需要的能量或物质。
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5.4 信息应用设备——执行器
常用工业执行器 电磁铁和电磁继电器
《自动化导论》
《Introduction to Automation》
南京大学工程管理学院 周献中
zhouxz@
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第五章 自动控制系统的基本元件与设备
5.1 信息获取元件——传感器 5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络 5.3 信息处理设备——控制器 5.4 信息应用设备——执行器
4）按被测量分类即按用途分类，传感器可分为三大类： (1) 按传感器上所依据转换原理可分为：物理、化学、生物传
感器等； (2) 按传感器测量量的性质可分为：压力、加速度、气体浓度、
离子浓度等； (3) 按传感器应用可分为：汽车、医学、航天等。
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5.1 信息获取元件——传感器
自动控制系统的信息获取是通过测量实现的。
什么是测量？
定义：测量就是以同性质的标准量与被 测量比较，并确定被测量对标准 量的倍数。标准量称为单位量， 测量的结果称为测量量。
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自动控制系统中信息传输
自动控制系统的信息传输要求具有快速性、可靠性和准确 性，但这些性能的保证要受信息传输环节的影响，传输网络 结构的差异决定了系统信息传输的特点和性能。
自动控制系统按照其信息传输的途径和特点可以分为 “点对点控制系统”和 “网络控制系统”两大类。
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5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络
控制网络的任务
控制网络要将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制 室，在将生产现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送 往控制室的同时，又将各种控制、维护、组态命令等送往位 于现场的测量控制现场设备中，起着提供现场级控制设备之 间数据联系与沟通的作用。
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本 章小 结
一个具有反馈结构的自动控制系统，其本质是信息的处理和控 制，其功能的发挥必须通过一系列基本元件和设备来完成，其 中最关键的基本元件和设备是传感器、控制器和执行器。
自动控制系统的信息获取主要是通过各种传感器的感测实现的。 在复杂的控制系统中，往往存在多种不同特性的传感器，因此 学习并掌握不同传感器的原理和特性对完成自动控制系统的设 计十分重要。
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5.1 信息获取元件——传感器
用什么来测量？
在自动化系统中，实现测量任务 的元器件被称为信息获取元件， 主要是各种传感器。
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5.1 信息获取元件——传感器
什么是传感器？
关于传感器的定义，有很多种说法，一般有广义和狭义之 分，传感器广义上的定义是“能感受规定的被测量并按照 一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”；而传感器 狭义上的定义是“一种将物理量转变为电量的机械电子装 置”。
广义被控对象
执行器
被控对象
传感器
ca (k)
通讯网络
sc (k)
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u(k)
z(k)
控制器
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பைடு நூலகம்
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5.2 信息传输设备——信号转换与传输网络
自动控制系统的信息传播网络的特点 （1）高实时性要求
（2）高可靠、高安全性要求 （3）良好的确定性要求
简单地说，控制器即是指在控制系统中根据控制算法而进 行决策的装置。
在自动控制系统中，控制器是其核心，一个控制系统的设计 工作主要任务是设计合适的控制器以达到控制目的。
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5.3 信息处理设备——控制器
控制器的分类
如果按照控制器所采用的控制方法来分类，主要有： PID控制器（目前是工程上最常用的模拟控制器） 智能控制器
控制器是整个自动控制系统的“大脑”，也是整个控制系统的 核心。控制器的组成会根据控制要求和设计要求各不相同。一 个复杂的智能控制器则需要由单片机（一种微型计算机）构成， 不仅包括硬件，还包括含复杂控制算法的软件。
执行器是一系列动作和驱动元件在控制系统的统称，其主要功 能是执行控制器的控制指令，并将控制信号变换为导致被控量
具体来说，传感器就是一个具有输入和输出的系统。 图 (a)表示自激发式传感器系统，而图 (b)则表示调制 式传感器系统．