自动化技术概论自动控制发展控制技术篇

第二讲自动控制技术,想法（目标）要有办法来实现。,自动控制的两个组成部分,自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于“软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面,一、开环控制系统（最简单的控制方式）控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系。特点：1）系统输出量对系统的控制作用没有影响；2）每一个参考输入对应于相应的固定工作状态。缺点：若系统存在较大干扰，则很难完成既定的控制任务适用范围：1）输入输出关系已知；2）控制精度要求不高；3）干扰影响不大。,2.1基本控制方案,二、闭环控制系统（反馈控制系统，单回路控制系统）（最基本的控制方式，应用最广泛的控制方式）控制装置与被控对象之间不仅存在顺向（正向）作用，还存在反馈作用。特点：系统输出量对系统的控制作用有直接影响；优点：不管什么扰动引起被控参数变化，都会产生控制作用去消除偏差；,三、扰动补偿控制，也称为“前馈控制”,在扰动影响被控量之前补偿其作用。,四、复合控制复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利影响，而反馈控制能保证系统的高精度。这是一种得到广泛应用的控制形式。,2.2自动控制技术,自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平；早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等；随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升；,1、机械控制装置：瓦特发明的飞球调速器；希腊人发明的庙门自动开启装置，等。2、作为自动化仪表的控制装置，最早出现与20世纪30年代，主要用于化工、石油、热能动力和冶金，当时称为热工仪表，工作方式为机械式或液动式，体积比较大，只能实现就地显示、记录和简单的控制。又被称为基地式仪表，功能限于单回路控制。,3、单元组合式仪表根据控制系统各组成环节的不同功能和不同使用要求，将仪表做成能实现一定功能的独立仪表（称为单元），各个仪表之间用统一的标准信号进行联系。单元组合仪表克服了基地式仪表结构不够灵活的缺点。将各种单元进行不同的组合，可以灵活第构成多种多样、适用于各种不同场合需要的自动检测或控制系统。气动单元组合仪表（QDZ），电动单元组合仪表（DDZ），都经历了I型，II型，和III型三个发展阶段。,变送单元：将各种物理量变换成标准统一信号；转换单元：电-气转换，气-电转换，等；控制单元：测量信号与给定信号比较，产生控制信号；运算单元：将几个标准信号进行算术运算；显示单元：指示、记录、报警、累计；给定单元：产生给定值；执行单元：按控制器输出的控制信号去改变控制量大小；辅助单元：增设的功能，如手动-自动切换。,（1）30年代末40年代初，出现气动仪表，价格便宜，结构简单，特别对石油化工等易燃易爆的生产现场，具有本质性的安全防爆性能。尤其是统一了压力信号，有远程发送仪器可以远传，如此能在控制室读数，可以实现在控制室进行检测、记录和控制。（2）50年代出现了电动式组合仪表。传输速度快。,上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。,单片机,单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十个单片机在工作。,工业控制计算机,工控机类似普通微机，但提高了工作的可靠性，配备了用于工业控制的输入输出接口，并特别加强了针对工业环境的抗干扰措施。,可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称“PLC”）,PLC包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功能，是专为工业环境下的应用而设计的，早期主要用于逻辑及顺序控制，以取代传统的继电器控制，后来又增加了连续的反馈调节功能，并具有联网和通信功能，应用范围越来越广。,数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，简称“DSP”）,DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用也越来越多,计算机控制方式的演变,第一阶段：集中控制用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。,第二阶段：单机控制一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调、电饭煲的控制等。,第三阶段：分散控制对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。典型例子有：计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）,一种网络化的现场总线控制系统,现代计算机控制系统：管控一体化,一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。现代生产自动化系统通常具有三层结构：,例如，最底层是基础自动化层，以PCS（过程控制系统）为代表；第二层是生产过程运行优化层，以MES（制造执行系统）为代表；最高层是生产经营优化层，以ERP（企业资源管理）为代表。,基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等；运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等；经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等；这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。,生产自动化系统的层次结构示意图,2.3最基本的控制算法PID控制,反馈控制系统的结构,什么是PID控制?,PID:Proportional-Integrel-Derivative（比例-积分-微分）PID控制的原理及结构简单，使用方便；PID控制的历史悠久，产生于20世纪初，先后有机械式、液动式、气动式、电子式等；PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（80）。,PID控制的结构,比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，如P控制、PI控制、PD控制、PID控制。,例：水温调节系统,控制输入：进水口的热水流量与冷水流量之比受控变量：出水口的水温控制目标：保持出水温度基本恒定各种扰动：进水口水温和水压的波动、环境温度变化、用户的用水量变化等,水温反馈控制系统,总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，即增大热/冷水流量的比值；反之，若水温偏高，则减小控制输入。,水温调节的比例控制作用,若水温偏低，则水温低得越多，就使控制输入增大得越多；反之，若水温偏高，则水温高得越多，就使控制输入减小得越多。即控制量的大小大致与偏差成比例。,比例控制的特点,比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，可以使输出在有扰动的情况下基本恒定。比例系数的设置应适当，过小会调节作用太弱，系统变化过于缓慢，并产生较大误差；过大就会调节过头，偏差的一点点变化会对应产生很大的控制作用，容易引起系统输出上下波动，即发生振荡。比例系数的确定是在响应的快速性与平稳性之间进行折衷。比例调节基于偏差，不可能完全消除偏差。,水温调节的积分控制作用,若水温低于期望值，则将输入增大一些，如果还没有达到，就再增大一些，这样一点一点地调节，直到水温合适为止；控制输入包含对偏差的积分，即偏差在时间上的累积，可以最终消除偏差。,积分控制的特点,只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制量不断增大或减小，直到偏差为零为止。积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并不单独使用，原因是积分控制作用比较缓慢。例如，水温很低，也就是偏差很大，本应该大幅度增大输入量，使水温尽快上升，但若只有积分控制，则输入量只能逐渐增大，水温上升缓慢；而比例作用则是误差越大，控制作用越强。比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，积分控制只是配合比例控制起作用。,水温调节的微分控制作用,若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用与水温的变化率成正比。,微分控制的特点,微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，刚有变化的趋势，调节作用就开始了，所以微分控制具有“超前”或“预测”的性质，可以及时地抑制水温的变化。微分控制只在系统的动态过程中起作用，系统达到稳态后微分作用对控制量没有影响，所以不能单独使用，一般是和比例、积分作用一起构成PD或PID调节器。微分会放大高频噪声信号，且频率越高，放大得越厉害，因此通常要配置一个能够过滤掉高频信号的低通滤波器。,PID控制的优、缺点,PID控制简单实用，工作原理简单，物理意义清