电气工程及其自动化 学科概论PPT.ppt

自动化技术是一门综合技术，它是自动控制技术、信号处理技术、系统技术和计算机技术的综合。 自动控制系统的组成、分类和性能评价 自动控制系统（Automatic Control System）的组成 自动控制系统的分类 1.自动控制系统的组成 一个简单的自动控制系统由4个基本部分组成 被控制对象Controlled Object 传感器Sensor（变送器Transmitter ） 控制器 Controller 执行器Actuator（执行机构） 被控制对象 被控制对象（Controlled Object）是控制系统的工作对象。控制就是控制器对被控制对象施加一种控制作用，以达到人们所预期的目标。如一个温度需要加以控制的房间就是一个被控制对象，温度控制器根据实际室温与设定的室温之间的差，产生控制作用，增大或减小制冷量，使房间的温度达到所期望的室温。 被控制对象五花八门，从简单的的温度、湿度控制到复杂工业过程控制； 从民用工业过程的控制到导弹、卫星和飞船的发射及运行控制；从技术过程到社会、经济、环境和生物过程等。但从控制的角度看，被控制对象在运动过程中所表现出来的动态行为（Dynamical Behavior）（也称对象特性）有相似之处，可以用共同形式的数学模型加以描述，这就是被控制对象的动态数学模型（Mathematical Model）。 被控制对象的数学模型是控制系统设计的主要依据，这就是为什么控制科学可以广泛地用于各种不同领域，不管是技术过程还是社会、经济和生物过程等。 被控制对象 建立被控制对象的动态数学模型，实际上就是要找出被控制对象的输出与输入之间的动态关系，即输入与输出之间的因果关系。建立被控制对象的动态数学模型的方法很多，依据不同的分类方法，可分为 ： 机理的方法（Mechanism Based）：依据被控制对象内在的机理，运用各种物理、化学、社会和经济规律建立模型的方法； 被控制对象 辩识方法（Identification)：不管内在的机理如何，仅依据动态过程中被控制对象的输出和输入数据，经过一定的数据处理，并采用特定的算法建立数学模型的方法。这种方法又称‘黑箱’(Black Box)方法。这种方法的理论基础--系统辩识理论已经成为控制理论的一个重要分支。 被控制对象 由于实际被控制对象的复杂性，如：非线性、时变性、分布参数、系统内部相互耦合等，以及各种干扰的存在，获得各种不同被控制对象的动态数学模型是一件复杂而繁重的任务，是控制工作者的重要研究课题。 对具体的控制要求用被控制量(Controlled Variable)来描述。被控制量可以是一个，也可以是多个。如对房间的控制要求可以只是温度，也可以是温度、湿度、气压和二氧化碳含量。 为使被控制量达到预定目标所要改变的参量称为操作量(Manipulated Variable)。被控制量不同，所采用的操作量也不同，如通过加热或制冷来控制温度，通过加湿或干燥来控制房间的湿度等。在前述蒸汽机离心式调速器的例子中，蒸汽机是被控制对象，蒸汽机的转速是被控制量，蒸汽量是操作量。 传感器（Sensor）是技术过程和生物过程的控制系统获得反馈信号所必不可少的。 如果把人体看成一个被控制对象的话，控制人体去从事一切有目的活动的是许多复杂的控制系统，而人的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等就是传感器。 技术过程使用的传感器将各种物理量、化学量、生物量转换成易于处理和使用的弱电信号，如热电偶将温度转换成毫伏，压电晶体将压力转换成微弱电信号等。 常用的被检测量 热工量：温度、压力、流量、液位等； 机械量：长度、厚度、位置、速度、加速 度、角度、角加速度等； 电工量：电压、电流、电功率、电频率等 化工量：组份、PH值、糖化率等； 生物量：白血球数、红血球数等。 变送器( Transmitter )不仅将热工量、机械量电工量、化工量等转换成微弱电信号，且进行必要的信号处理、工程量转换和仪表化，使之成为能适应各种工程环境和要求的仪表。变送器的核心是传感器 研究新的传感器技术、设计出体积小、转换快、精度高、性能稳定可靠的传感器是自动化工作者的重要任务之一。 控制器(Controller)的作用是接受传感器（变送器）来的测量信号，并与被控制量的设定值（Set Point）进行比较，得到实际测量值与设定值的偏差，然后根据偏差信号的大小、变化率和被控制对象的动态特性，经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确地到达所预定的目标值。 控制规律(Control Law)是自动化系统功能的主要体现。最普遍的是比例-微分-积分控制（Proportional plus Integral plus Derivative Control--PID）。 执行器(Actuator