工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的簡介和發(fā)展

1、工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的簡介和發(fā)展在自動化(automation)不斷完善和發(fā)展的今天，墊塊機自動化水平已經(jīng)成為衡量企 業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標準，而自動化的一個重要分支工業(yè)自動化，更是生產(chǎn)型 企業(yè)提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。我國的自動化發(fā)展歷程也經(jīng)歷了以“觀 測”為主的第一階段，以“觀測”并“人為反應(yīng)”的第二階段，已經(jīng)逐漸進入到“自動 測量自動反應(yīng)”的第三階段。這些進步，同時需要控制理論和實踐的完善，智能控制(intelligent controls)作為現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制理論，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個自動化領(lǐng)域，全自動洗衣機就是典型的智能控制自動化的例子。一個控制系統(tǒng)包括

2、控制器(controller)、傳感器(sensor)、變送器(transmitter)、執(zhí) 行機構(gòu)(final con trolli ng eleme nt )、輸入輸出接口( I/O in terface)五部分組成?？刂破鞯?輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變 送器，通過輸入接口送到控制器，這樣完成了一次正常的運算控制操作。按照自動控制有無針對對象來劃分，自動控制可分為“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”。區(qū)分“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”最直接的辦法是看是否有最終對象的反饋，當然這個 反饋不是人為直觀觀察的。例如向一個容器里加水，有水位測量設(shè)備，水位到達設(shè)定

3、的 高度，水龍頭自動關(guān)斷，這就是“閉環(huán)控制”；如需人為的看水是否到了設(shè)定的高度，而 去人為的關(guān)水龍頭，這就是“開環(huán)控制”。當然，智能控制，目標是不需要人為干預(yù)，所 以，我們可以簡單的認為“開環(huán)控制”是人為干預(yù)控制，不能完全體現(xiàn)智能控制的特點， 所以在這里不去深究它?！伴]環(huán)控制”按照執(zhí)行機構(gòu)的不同，可分為“狀態(tài)閉環(huán)控制”和 “調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。區(qū)分“狀態(tài)閉環(huán)控制”和“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的辦法是看對執(zhí)行機構(gòu)的 作用方式，如上例中，如果水龍頭是開關(guān)兩位的，在水位到達設(shè)定的高度，自動關(guān)斷水 龍頭，則此為“狀態(tài)閉環(huán)控制”；如果水龍頭是可調(diào)節(jié)的，根據(jù)水位高度的不同，調(diào)節(jié)水 龍頭開度的大小，通過加水量的不同，讓水

4、位保持平衡，此為“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”。目前工業(yè)自動化控制中，“狀態(tài)閉環(huán)控制”多用于保護類控制，例如汽機的ETS鍋爐的MFT,化工的ESD水泵保護等等。其優(yōu)點是反應(yīng)比較快，控制器本身不需要復(fù)雜 的計算，通過邏輯運算基本可以實現(xiàn)；其缺點是一旦收到的反饋信號為假信號，則按照 假信號進行動作，工程上多稱之為“誤動”。由于動作迅速(一般是以“毫秒”為單位進 行計算)，所以一旦誤動產(chǎn)生，無法在執(zhí)行之前或之中做出人為反應(yīng)處理， 只能事后補救， 而一些重要的保護一旦產(chǎn)生誤動，其影響和損失都是比較大的。針對這個問題，根據(jù)現(xiàn) 場“狀態(tài)閉環(huán)控制”的重要性和損失性，需要將反饋信號進行品質(zhì)判斷處理，判斷出信 號的真實性，如

5、果是假信號，則保持原信號不變，不觸發(fā)執(zhí)行機構(gòu)工作，避免誤動。而 且?guī)缀跛械摹盃顟B(tài)閉環(huán)控制”都有是否允許執(zhí)行的開關(guān)，即聯(lián)鎖按鈕。聯(lián)鎖按鈕可根 據(jù)實際情況，屏蔽控制內(nèi)容，這樣就可以部分的對其進行提前控制，把誤動的可能性減 到最低。( )“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”相對“狀態(tài)閉環(huán)控制”要復(fù)雜一些，需要控制器進行復(fù)雜的運算，計算出輸出的結(jié)果給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)進而調(diào)節(jié)被調(diào)節(jié)對象。從時間上來講，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”是不間斷的時時進行計算和輸出，其周期決定于控制器的運算周期。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”需要人為或誦過系統(tǒng)計算給定一個被控制對象的理想的狀態(tài)數(shù)值(給定值setvalue，簡寫為S)，控制器會比較實際的被控制對象的數(shù)值(

6、測量值practical value，簡寫P）與給定值之間的偏差，并計算出輸出到執(zhí)行機構(gòu)的值（輸出值output value，簡寫0）給執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)變化，使測量值改變，控制器再次比較測量值與給定值的偏差（以下簡稱偏差），進行下一循環(huán)的計算并輸出。“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制” 一般常用的控制方式 是“比例積分微分控制”即“ PID控制”或“ PID調(diào)節(jié)”。PID控制器就是根據(jù)偏差，利用 比例（proportional ）、積分（integration ）、微分（differentiation ）計算出控制量進行控制 的。PID控制器問世至今已有近幾十年的歷史飛以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、 調(diào)整方

7、便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。很多盤裝儀表控制器就具備很好的帶有記憶 功能的PID控制功能?！罢{(diào)節(jié)閉環(huán)控制”對控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)設(shè)備性能的要求比較高， 如對執(zhí)行機構(gòu)，要求執(zhí)行機構(gòu)的線性度要高，不能是越階式執(zhí)行。同時，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制” 因為是時時調(diào)節(jié)控制，所以對執(zhí)行機構(gòu)的機械部分磨損比較大，部分的影響執(zhí)行機構(gòu)的 壽命。（選自 ）在“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”中，對控制系統(tǒng)的各個部分的工作狀態(tài)也有所要求，同例如執(zhí)行機構(gòu)，“調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”要求執(zhí)行機構(gòu)是工作狀態(tài)是在“線性區(qū)域”工作，而不是死區(qū)。 所謂死區(qū)（dead zon，又稱儀表不靈敏區(qū)，是指輸入量的變化不致引起該儀表輸出量有 任何可察覺的變化的有限區(qū)間。例

8、如一個執(zhí)行機構(gòu)，接收420mA線性信號，輸出動作是0100%的機械力，那么當輸入的信號是 4.0005mA的時候，執(zhí)行機構(gòu)是不動作的，此 時4.0005mA是處于執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)內(nèi)。閥門是最典型的執(zhí)行機構(gòu)，閥門的工作特性曲線 圖（如圖01）表示出了閥門死區(qū)與工作線性區(qū)的特點。圖中丫軸代表的是閥門輸出的機圖如閥門輸出曲線械動作，即實際開度；X軸代表接受到的執(zhí)行命令大小，即要求開度。由圖可知，閥門 在關(guān)閉時剛開始接收到開信號時閥門無實際動作，這段區(qū)域即是死區(qū)，然后在接受到一定的信號值后，閥門開始大幅度動作，然后進入到一個相對平緩的直線運行區(qū)域，這段 相對平緩的直線即線性區(qū)（linear zone）。

9、然后再經(jīng)過大幅度動作區(qū)，死區(qū)，到底滿開度。 關(guān)閉亦然。實際中，很多閥門在實際中是不可能完全達到0%和100%開度的，也就是說 0%開度閥門一定或多或少有一些流量，而 100%開度也不可能是0阻4力流動的。了解了 “調(diào)節(jié)閉環(huán)控制”的執(zhí)行機構(gòu)特點，之后進行調(diào)節(jié)，方法多為PID調(diào)節(jié)。而PID調(diào)節(jié)有很多計算方法，實際應(yīng)用卻多用“試湊法”，即先通過經(jīng)驗預(yù)設(shè)一組 PID參數(shù) 值，再根據(jù)實際效果調(diào)節(jié)參數(shù)值，達到預(yù)期的目的。所以實際中主要調(diào)節(jié)什么參數(shù)，如 何去調(diào)節(jié)PID參數(shù)，是最直接需要掌握的內(nèi)容。（選自 ）首先要知道所調(diào)試的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用方式，即正作用還是反作用。如果被調(diào)節(jié)對象的測量值大于給定值，則增大執(zhí)行

10、機構(gòu)輸出值，此為正作用。反之為反作用。同一個容器， 即有進水閥，也有排水閥，被調(diào)節(jié)對象是水位，那么如水位高于期望值，需減小進水閥 的開度，進水閥為反作用；需增大排水閥開度，排水閥為正作用。正反作用是PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，是執(zhí)行機構(gòu)的方向問題，找對了方向，才有可能向好的調(diào)節(jié)效果上發(fā)展。 其次要了解的，就是P、I、D的含義了。比例、積分、微分在 PID調(diào)節(jié)的作用。比例（P）控制是一種最簡單、最基礎(chǔ)的控制方式。其控制器的輸出與偏差信號成比 例關(guān)系。比例控制的輸出曲線如圖02所示，其輸出是一條始于原點的直線，而直線的斜率是由比例增益確定的。調(diào)節(jié)的一方面，測量值和給定值無限接近，即偏差值很小越好， 從而滿足

11、調(diào)節(jié)的精度：另一方面，調(diào)節(jié)需要具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解 決這一矛盾的方法就是事先將偏差信號進行放大。比例增益就是用來設(shè)置差值信號的放 大系數(shù)的?；\統(tǒng)的講比例增益就是放大倍數(shù)。一般在初次調(diào)試時，比例增益可按中間偏 大值預(yù)置待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細調(diào)。而系統(tǒng)當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn) 態(tài)誤差，其測量值曲線的表現(xiàn)是等幅振蕩。積分（I）控制對比例控制有強烈的制約效應(yīng)。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn) 態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài) 誤差，在控制器中必須引入 積分”隨著時間的增加，積分作用會增大。這樣，即便偏 差很小，積分也會隨著時間的增

12、加而加大，它反向推動控制器的輸出，使穩(wěn)態(tài)誤差減小， 直到等于零。積分曲線如圖03所示，其作用方式是只要有偏差，并且偏差在允許偏差01100%.1 .1 .” L 1、一0-T圖03積分輸出曲線范圍只外，積分就會起作用，反作用拉動比例增幅。反之如果無偏差或者偏差在允許范 圍內(nèi)，積分作用消失。調(diào)節(jié)積分的參數(shù)是積分時間，由比例控制可知，比例增益越大，由于慣性導(dǎo)致 超調(diào)”然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。引入積分的效果是，使 經(jīng)過比例增益放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大，從而減緩其變化速度，防止振 蕩。但積分時間太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此， 積分時間的取值與拖動

13、系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)和積分時間是成正比 的。微分（D）控制是在調(diào)節(jié)系統(tǒng)在進行比例控制和積分控制之前進行的超前控制，采用 微分控制的主要原因是控制系統(tǒng)中有滯后性。系統(tǒng)在比例控制之后，被控物理量值未及 時的變化，而是比例控制超調(diào)的時候開始變化，此時積分作用已不能對比例進行很好的 反拉動作用，比例因為慣性在達到理想輸出時向反方向移動，無限制振動。這樣就需要 微分提前控制，微分控制曲線如圖 04,微分作用是在比例控制之前，提前輸出作用于被O100%0T圖訊微分輸出曲線控對象，抵消滯后時間，而后比例控制和積分控制起作用，從而避免了被控量的嚴重超 調(diào)。微分根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時 間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。微分控制參數(shù)主要是微分時間，微分時 間的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)與微分時間也是成正比關(guān) 系。PID控制是比例、積分、微分結(jié)合作用控制，目前比較常見的是05PI控制和PID控制,根據(jù)實際的被控對象不同，選擇的控制組合方式也不同，但目的曲線是相同的，如圖 所示，圖中丫軸代表測量值及給定刻度。X軸代表時間，給定值