计算机自动控制的原理

第一节自动控制的基本方式一、两个定义：（1）自动控制：在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使某种设备、装置或生产过程中的某些物理量或工作状态能自动地按照预定规律变化或数值运行的方法，称为自动控制。

（2）自动控制系统：由控制器(含测量元件)和被控对象组成的有机整体。

或由相互关联、相互制约、相互影响的一些元部件组成的具有自动控制功能的有机整体。

称为自动控制系统。

在控制系统中，把影响系统输出量的外界输入量称为系统的输入量。

系统的输入量，通常指两种：给定输入量和扰动输入量。

给定输入量，又常称为参考较输入量，它决定系统输出量的要求值或某种变化规律。

扰动输入量，又常称为干扰输入量，它是系统不希望但又客观存在的外部输入量，例如，电源电压的波动、环境温度的变化、电动机拖动负载的变化等，都是实际系统中存在的扰动输入量。

扰动输入量影响给定输入量对系统输出量的控制。

自动控制的基本方式二、基本控制方式(3种)1、开环控制方式(1)定义：控制系统的输出量对系统不产生作用的控制方式，称为开环控制方式。

具有这种控制方式的有机整体，称为开环控制系统。

如果从系统的结构角度看，开环控制方式也可表达为，没有系统输出量反馈的控制方式。

(2)职能方框图任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的方框图表示。

2、闭环控制方式(1) 定义：系统输出量直接或间接地反馈到系统的输入端，参予了系统控制的方式，称为闭环控制方式。

如果从系统的结构看，闭环控制方式也可表达为，有系统输出量反馈的控制方式。

自动控制的基本方式工作原理开环调速结构基础上引入一台测速发电机，作为检测系统输出量即电动机转速并转换为电压。

反馈电压与给定电压比较(相减)后，产生一偏差电压，经电压和功率放大器放大后去控制电动机的转速。

当系统处于稳定运行状态时，电动机就以电位器滑动端给出的电压值所对应的希望转速运行。

当系统受到某种干扰时(例如负载变大)，电动机的转速会发生变化(下降)，测速反馈电压跟着变化(变小)，由于给定电压值未变，偏差电压值发生变化(变大)，经放大后使电动机电枢电压变化(提高)，从而电动机转速也变化(上升)，去减小或消除由于干扰引起的转速偏差。

工业自动化中的计算机控制技术工业自动化是指通过计算机、仪器仪表和执行器等技术手段，对工业生产过程进行监测、控制和优化，以提高生产效率、降低成本和改善产品质量。

在工业自动化系统中，计算机控制技术起到了至关重要的作用。

一、计算机控制技术的基本原理和分类1.1 基本原理计算机控制技术是指利用计算机进行物理过程的控制，主要包括采集过程的信息、处理这些信息并对物理过程进行控制的三个环节。

其中，信息采集是指通过传感器等设备，将物理过程的信息转换成计算机可以处理的电信号；信息处理是指利用计算机对采集到的信息进行运算和处理；控制是指计算机根据处理后的信息，通过执行器等设备对物理过程进行干预和调节。

1.2 分类根据计算机控制技术的不同特点和应用领域，可以将其分为以下几类：1.2.1 逻辑控制技术逻辑控制技术是利用计算机对离散事件进行控制的技术，常用于开关控制、计时器等。

逻辑控制技术通过编写逻辑控制程序，根据输入的条件决定输出的动作，实现对工业过程的控制。

1.2.2 过程控制技术过程控制技术是利用计算机对连续过程进行控制的技术，常用于流程控制、温度控制等。

过程控制技术通过采集过程的信息，对其进行处理和分析，并根据处理结果对过程进行控制，实现对工业过程的自动化控制。

1.2.3 模型预测控制技术模型预测控制技术是利用数学模型对系统进行建模，并通过对模型进行预测和优化来实现对工业过程的控制。

模型预测控制技术可以对工业过程进行长期的预测和优化，以达到最佳的控制效果。

二、计算机控制技术在工业自动化中的应用2.1 生产线控制生产线控制是指利用计算机控制技术对生产线上的设备和工艺进行控制，以实现生产过程的自动化。

通过在生产线上布置传感器和执行器等设备，采集生产过程的信息并对其进行处理和控制，可以提高生产效率、降低成本，并提高产品质量的稳定性。

2.2 机器人控制机器人控制是指利用计算机控制技术对机器人进行控制，实现其灵活和自主的工作能力。

PLC的基本组成和工作原理PLC（Programmable Logic Controller）是一种用于实现工业自动化控制的计算机控制系统。

其组成和工作原理如下。

1.基本组成PLC系统通常由中央处理器CPU、内存模块、输入模块、输出模块和通信模块组成。

-中央处理器（CPU）：是PLC系统的核心部件，负责执行控制程序并进行数据处理和逻辑运算。

-内存模块：用于存储程序代码、数据和中间结果等信息。

-输入模块：负责接收来自外部的传感器、开关等输入信号，并将其转换为数字信号供CPU处理。

-输出模块：负责将CPU处理后的数字信号转换为电流、电压等输出信号，控制执行器、驱动器等执行设备。

-通信模块：用于与其他PLC系统、计算机或设备进行数据交换和通信。

2.工作原理PLC系统的工作原理可以分为五个步骤：扫描输入、执行程序、更新输出、循环扫描和通信。

-扫描输入：将输入模块接收到的外部信号转换为数字信号，并存储在内存中。

这些外部信号通常来自传感器、开关等设备，如温度传感器、按钮开关等。

-执行程序：CPU根据存储在内存中的控制程序进行逻辑运算和数据处理。

控制程序通常由用户通过编程语言编写，用于实现控制逻辑和算法。

-更新输出：根据CPU执行程序的结果，将输出信号存储在内存中。

输出模块将内存中的数字信号转换为电流、电压等输出信号，控制执行设备的执行器、驱动器等，如电机、电磁阀等。

-循环扫描：PLC系统以循环的方式不断扫描输入、执行程序和更新输出的过程，实现对工业控制系统的持续监测和控制。

-通信：PLC系统可以通过通信模块与其他PLC系统、计算机或设备进行数据交换和通信，实现远程监测和控制。

PLC系统的工作原理可以通过一个简单的例子来说明。

假设有一个自动灯控系统，根据光照强度自动控制灯的开关。

传感器将光照强度转换为输入信号，并将其传递给PLC系统的输入模块。

CPU执行存储在内存中的控制程序，判断光照强度是否低于设定值。

如果低于设定值，则CPU更新内存中的输出信号。

实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。

三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。

四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。

熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。

图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。

1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。

图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。

2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。

它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。

TsS U S U s G i O 1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。

实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。

三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。

四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。

熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。

图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。

1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。

图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。

2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。

它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。

TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。

2 自动控制系统原理自动控制是利用控制系统使被控对象或是生产过程自动按照预定的目标运转所进行的控制活动。

理想的自动控制过程是，在线自动检测对象参数，与设定参数比较，得到偏差后，立即进行比例、积分和微分调节运算，然后调整过程对象，使其快速平稳达到期望状态。

但实际检测存在滞后，执行机构和控制对象也存在惯性，控制对象的状态只能缓慢改变，由此造成调节过头而出现振荡。

对自动控制系统性质分析就能减少振荡，快速稳定。

2.1 自动控制系统基本组成和控制原理2.1.1 控制系统基本原理2.1.1.1 开环控制系统最简单的生产控制环节是由生产过程和人组成的，现以轧机压下位置的控制为例进行说明。

在人工控制轧制时，首先依据预期的出口厚度，由人估计辊缝数值（考虑弹跳），去调节压下螺丝，将轧辊辊缝移动到预期位置，进行轧制，轧出来的轧件接近预期的出口厚度。

这里给定的压下位置代表控制量，轧后轧件的厚度代表输出量或称为被控量。

一定的压下位置就对应着一定的轧出厚度。

但在辊缝不变的条件下，如果来料厚度不均、材质不均或表面摩擦状态发生变化，会使轧制力波动，造成轧机（轧辊挠曲、立柱等受力部件）弹性变形不同，引起辊缝发生变化，因而轧出的轧件厚度也就发生变化。

在这一轧制过程中，输出量对轧制量没有任何控制影响。

这种输出量不会返回影响过程的直接控制系统称为开环控制系统。

图2-1a所示为直接控制系统框图，输入量即为控制量，发出控制作用给被控制部分，而被控制部分并不将控制结果返回到控制端。

图2-1 开环控制系统方框图图2-1b所示为前馈控制，控制部分依据对输入量的检测，计算出控制量，发送到被控制部分，对输入量进行控制。

如轧制的前馈厚度控制，其方法是检测来料厚度，按固定算法计算辊缝，输出给压下装置进行辊缝设定，也是不涉及轧出厚度到底是多少，即没有将输出量反馈回来与给定量进行比较。

这类开环控制系统的精度便取决于该系统初始模型精度以及系统各部件的执行精度。

自动控制技术在工业领域中的应用自动控制技术是现代工业生产的重要组成部分。

它是指通过计算机、机器人、传感器等技术手段，自动化地实现生产过程中的控制和管理。

这种技术已经被广泛应用于许多领域，包括化工、机械、电子、食品加工等。

本文将重点介绍自动控制技术在工业领域中的应用。

第一部分：自动控制技术的基本原理自动控制技术是靠计算机、机器人、传感器等自动化设备进行实时监测和控制。

这些设备可以检测到生产线上的各种参数，例如温度、湿度、压力等。

计算机会根据这些参数的反馈来控制生产过程，实现优化控制。

自动控制技术可以提高生产效率、降低成本、减少人为误差。

第二部分：自动化生产在制造业中的应用在制造业中，自动化生产已经成为一种必要的趋势。

通过自动化生产，可以实现零故障、高效率的生产过程。

在汽车制造中，机器人可以完成焊接、喷漆、装配等工作。

在食品加工中，自动化生产可以提高生产效率和食品质量。

在制药业中，自动化生产可以减少药品生产的交叉感染风险。

第三部分：自动化仓储在物流中的应用近年来，自动化仓储在物流行业中的应用逐渐增多。

通过自动化仓储，可以提高仓库的利用率和存取速度。

自动化仓储系统可以根据需要自动存储和检索货物，减少了人与货物的接触，降低了操作风险。

在互联网时代，自动化仓储也可以通过物联网设备实现远程监控和管理。

第四部分：自动化生产在环保中的应用自动化生产在环保中的应用也越来越普及。

通过自动化生产，可以减少环境污染，降低企业的能耗与碳排放。

在化工厂中，自动化设备可以实现污染排放的实时监测和控制。

在水处理厂中，自动化设备可以将治理过程实现自动化，降低了人工干预的误差。

第五部分：自动控制技术的未来展望随着科技的发展，自动控制技术在未来也将得到更广泛的应用。

现代工业已经步入了智能制造的新时代。

自动控制技术将成为智能制造的基础。

未来，计算机、机器人和传感器的性能和功能将得到进一步提升，自动控制技术将能更好地满足人类社会对生产和服务的需求。