自動化技術概論自動控制發(fā)展控制技術篇

第二講自動控制技術

想法（目標）要有辦法來實現(xiàn)。自動控制的兩個組成部分自動控制理論是分析和設計自動控制系統(tǒng)的工具和基礎，相當于“軟件”；自動控制技術則著重在控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方面自動控制自動控制理論自動控制技術一、開環(huán)控制系統(tǒng)（最簡單的控制方式）控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系。特點：

1）系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響；

2）每一個參考輸入對應于相應的固定工作狀態(tài)。缺點：若系統(tǒng)存在較大干擾，則很難完成既定的控制任務適用范圍：1）輸入輸出關系已知；2）控制精度要求不高；3）干擾影響不大。2.1基本控制方案二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)）（最基本的控制方式，應用最廣泛的控制方式）控制裝置與被控對象之間不僅存在順向（正向）作用，還存在反饋作用。特點：

系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用有直接影響；優(yōu)點：不管什么擾動引起被控參數(shù)變化，都會產生控制作用去消除偏差；

三、擾動補償控制，也稱為“前饋控制”在擾動影響被控量之前補償其作用。四、復合控制

復合控制系統(tǒng)中的補償控制(前饋控制)能及時地抵消可測擾動量對被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應用的控制形式。2.2自動控制技術自動控制技術的發(fā)展取決于每個階段應用技術所能達到的水平；早期的自動控制只能依靠簡單的機械裝置、氣動機構、液壓傳動裝置等；隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設備相繼問世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應用于自動控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；1、機械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調速器；希臘人發(fā)明的廟門自動開啟裝置，等。2、作為自動化儀表的控制裝置，最早出現(xiàn)與20世紀30年代，主要用于化工、石油、熱能動力和冶金，當時稱為熱工儀表，工作方式為機械式或液動式，體積比較大，只能實現(xiàn)就地顯示、記錄和簡單的控制。又被稱為基地式儀表，功能限于單回路控制。3、單元組合式儀表根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和不同使用要求，將儀表做成能實現(xiàn)一定功能的獨立儀表（稱為單元），各個儀表之間用統(tǒng)一的標準信號進行聯(lián)系。單元組合儀表克服了基地式儀表結構不夠靈活的缺點。將各種單元進行不同的組合，可以靈活第構成多種多樣、適用于各種不同場合需要的自動檢測或控制系統(tǒng)。氣動單元組合儀表（QDZ），電動單元組合儀表（DDZ），都經歷了I型，II型，和III型三個發(fā)展階段。變送單元：將各種物理量變換成標準統(tǒng)一信號；轉換單元：電-氣轉換，氣-電轉換，等；控制單元：測量信號與給定信號比較，產生控制信號；運算單元：將幾個標準信號進行算術運算；顯示單元：指示、記錄、報警、累計；給定單元：產生給定值；執(zhí)行單元：按控制器輸出的控制信號去改變控制量大小；輔助單元：增設的功能，如手動-自動切換。（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動儀表，價格便宜，結構簡單，特別對石油化工等易燃易爆的生產現(xiàn)場，具有本質性的安全防爆性能。尤其是統(tǒng)一了壓力信號，有遠程發(fā)送儀器可以遠傳，如此能在控制室讀數(shù)，可以實現(xiàn)在控制室進行檢測、記錄和控制。（2）50年代出現(xiàn)了電動式組合儀表。傳輸速度快。上述器件所構成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應的硬件，而且很多復雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或實現(xiàn)起來很困難；計算機的出現(xiàn)從根本上改變了自動控制的實現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計算機里只是一組程序（稱為“控制算法”），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復雜，都一樣可以實現(xiàn)，因此計算機在控制領域迅速推廣和普及；常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機、工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號處理器等。單片機單片機是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，在計算機家族里體積最小、價格最便宜、應用非常普遍，一輛普通轎車里常常有幾十個單片機在工作。工業(yè)控制計算機工控機類似普通微機，但提高了工作的可靠性，配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口，并特別加強了針對工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施?？删幊踢壿嬁刂破?/p>

（ProgrammableLogicController，簡稱“PLC”）

PLC包含了邏輯運算、順序控制、算術運算及定時和計數(shù)等功能，是專為工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的，早期主要用于邏輯及順序控制，以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，后來又增加了連續(xù)的反饋調節(jié)功能，并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能，應用范圍越來越廣。數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProcessor，簡稱“DSP”）

DSP的計算和處理功能相當強大，早期主要用于信號處理領域，價格也較昂貴，但隨著計算機技術的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領域的應用也越來越多計算機控制方式的演變

第一階段：集中控制用一臺計算機同時控制多臺機器或設備，輪流采集反饋信息，計算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺機器或設備，屬于“分時控制”，主要缺點是可靠性差。計算機受控設備1受控設備2受控設備N…反饋信號反饋信號控制信號控制信號第二階段：單機控制一臺計算機只控制一臺機器或設備，主要優(yōu)點是控制風險小。這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調、電飯煲的控制等。計算機受控設備反饋信號控制信號第三階段：分散控制對于多臺相互關聯(lián)的機器或設備，每臺機器或設備都單獨用一個數(shù)控裝置來控制（單機控制方式），但與上層的協(xié)調和管理計算機有信息交互，屬于網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。

典型例子有：

計算機集成制造系統(tǒng)CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）集散控制系統(tǒng)DCS

（DistributedControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

（FieldbusControlSystem）一種網(wǎng)絡化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)：管控一體化一個生產企業(yè)往往可能同時采用了好幾種網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)，并與管理系統(tǒng)連為一體，實現(xiàn)無縫銜接?，F(xiàn)代生產自動化系統(tǒng)通常具有三層結構：

例如，最底層是基礎自動化層，以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表；第二層是生產過程運行優(yōu)化層，以MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表；最高層是生產經營優(yōu)化層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表。基礎層主要包括DCS、FCS、各種先進控制軟件、檢測裝置、實時數(shù)據(jù)庫等；運行優(yōu)化層主要包括建模、計劃與調度、實時優(yōu)化、故障診斷與維護、質量控制、成本控制等；經營優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應鏈管理（SCM）、客戶關系管理（CRM）、設備資源管理、企業(yè)電子商務平臺等；這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正，還可以實現(xiàn)生產全過程的質量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調度。生產自動化系統(tǒng)的層次結構示意圖2.3最基本的控制算法

——PID控制反饋控制系統(tǒng)的結構輸出控制器受控對象檢測裝置給定輸入－反饋信號控制量誤差執(zhí)行機構什么是PID控制?PID:Proportional-Integrel-Derivative

（比例-積分-微分）PID控制的原理及結構簡單，使用方便；PID控制的歷史悠久，產生于20世紀初，先后有機械式、液動式、氣動式、電子式等；PID控制的適應面廣，生命力強，至今仍為工程應用的主流（＞80％）。PID控制的結構比例作用誤差e積分作用微分作用控制量u比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進行不同組合，如P控制、PI控制、PD控制、PID控制。例：水溫調節(jié)系統(tǒng)控制輸入：進水口的熱水流量與冷水流量之比受控變量：出水口的水溫控制目標：保持出水溫度基本恒定各種擾動：進水口水溫和水壓的波動、環(huán)境溫度變化、用戶的用水量變化等熱水冷水溫熱水調節(jié)閥水溫反饋控制系統(tǒng)總的控制思路：若水溫偏低，則增大控制輸入，即增大熱/冷水流量的比值；反之，若水溫偏高，則減小控制輸入。熱水冷水溫熱水調節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫水溫調節(jié)的比例控制作用若水溫偏低，則水溫低得越多，就使控制輸入增大得越多；反之，若水溫偏高，則水溫高得越多，就使控制輸入減小得越多。即控制量的大小大致與偏差成比例。熱水冷水溫熱水調節(jié)閥水溫檢測比例控制期望水溫比例控制的特點比例控制的結構最簡單，只有一個比例系數(shù)，可以使輸出在有擾動的情況下基本恒定。比例系數(shù)的設置應適當，過小會調節(jié)作用太弱，系統(tǒng)變化過于緩慢，并產生較大誤差；過大就會調節(jié)過頭，偏差的一點點變化會對應產生很大的控制作用，容易引起系統(tǒng)輸出上下波動，即發(fā)生振蕩。比例系數(shù)的確定是在響應的快速性與平穩(wěn)性之間進行折衷。比例調節(jié)基于偏差，不可能完全消除偏差。水溫調節(jié)的積分控制作用若水溫低于期望值，則將輸入增大一些，如果還沒有達到，就再增大一些，這樣一點一點地調節(jié)，直到水溫合適為止；控制輸入包含對偏差的積分，即偏差在時間上的累積，可以最終消除偏差。熱水冷水溫熱水調節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫積分控制的特點只要偏差不為零，偏差就不斷累積，從而使控制量不斷增大或減小，直到偏差為零為止。積分作用一般和比例作用配合組成PI調節(jié)器，并不單獨使用，原因是積分控制作用比較緩慢。

例如，水溫很低，也就是偏差很大，本應該大幅度增大輸入量，使水溫盡快上升，但若只有積分控制，則輸入量只能逐漸增大，水溫上升緩慢；而比例作用則是誤差越大，控制作用越強。比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，積分控制只是配合比例控制起作用。水溫調節(jié)的微分控制作用若擾動使水溫開始升高，則應降低熱/冷水比值，且升溫速度越快，降低越多；反之若水溫要降低，則應增大熱/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用與水溫的變化率成正比。熱水冷水溫熱水調節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫微分控制的特點微分控制是基于偏差的變化率，水溫還沒有變，剛有變化的趨勢，調節(jié)作用就開始了，所以微分控制具有“超前”或“預測”的性質，可以及時地抑制水溫的變化。微分控制只在系統(tǒng)的動態(tài)過程中起作用，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后微分作用對控制量沒有影響，所以不能單獨使用，一般是和比例、積分作用一起構成PD或PID調節(jié)器。微分會放大高頻噪聲信號，且頻率越高，放大得越厲害，因此通常要配置一個能夠過濾掉高頻信號的低通濾波器。PID控制的優(yōu)、缺點