自动化技术概论_自动控制发展-控制技术篇.

1、第二讲第二讲 自动控制技术自动控制技术 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的两个组成部分 自动控制理论是分析和设计自动控制自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于系统的工具和基础，相当于“软件软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面实现方面自动控制自动控制自动控制理论自动控制理论自动控制技术自动控制技术一、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

2、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

3、式。2.2 自动控制技术自动控制技术l 自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所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；能达到的水平；l 早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动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；机构、液压传动装置等；l 随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相随着电的发明，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、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；控制性能得到提升；1 1、机械控制装置：瓦

4、特发明的飞球调速器；希腊人、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。发明的庙门自动开启装置，等。2 2、作为自动化仪表的控制装置，最早出现与、作为自动化仪表的控制装置，最早出现与2020世纪世纪3030年代，主要用于化工、石油、热能动力和冶金，当年代，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。被称为基地式仪表，功能限于单回路控制。3 3、单元组合式仪

5、表、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。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。制系统。 气动单元组合仪表（气动单

6、元组合仪表（QDZQDZ），电动单元组合仪表），电动单元组合仪表（DDZDDZ），都经历了），都经历了I I型，型，IIII型，和型，和IIIIII型三个发展阶段。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；变送单元：将各种物理量变换成标准统一信号；转换单元：电转换单元：电- -气转换，气气转换，气- -电转换，等；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；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；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；显示单元：指示、记录、报警、累计；给定单元：产生给

7、定值；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；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，如手动辅助单元：增设的功能，如手动- -自动切换。自动切换。（1 1）3030年代末年代末4040年代初，出现气动仪表，价格便宜，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，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，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

8、控制室进行检测、记录和控制。以实现在控制室进行检测、记录和控制。（2 2）5050年代出现了电动式组合仪表。传输速度快。年代出现了电动式组合仪表。传输速度快。l 上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，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，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；起来很困难；l 计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方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式，控制方法和控制参数在计算机里

9、只是一组程序（称为序（称为“控制算法控制算法”），修改很方便，而且无），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；此计算机在控制领域迅速推广和普及；l 常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计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。算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。单片机单片机 单片机是单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等，及接口电路等，在计算机家族里体积最小、价格最在计算机家族里体积最小、价格最

10、便宜、应用非常普遍，一辆普通轿车里常常有几十便宜、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。个单片机在工作。工业控制计算机工业控制计算机 工控机类似普通微机，但提高了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。针对工业环境的抗干扰措施。 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，简称，简称“PLC”） PLC包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功

11、能，是专为工业环境下的应用而设计的，早期主要数等功能，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。用范围越来越广。 数字信号处理器数字信号处理器（ Digital Signal Processor，简称，简称“DSP” ） DSP的计算和处理功能相当强大，早期主要用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，但随着计算机于信号处理领域，价格也较昂贵，但随着计算机技

12、术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制技术的发展，价格不断降低，因而近年来在控制领域的应用领域的应用也也越来越多越来越多计算机控制方式的演变计算机控制方式的演变 第一阶段：集中控制第一阶段：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，属于备，属于“分时控制分时控制”，主要缺点是可靠性差。，主要缺点是可靠性差。计算机计算机受控设备受控设备1 1受控设备受控设备2 2受控设备受控设备N N反馈信号反馈信号反馈信号反馈信号控制信号控制

13、信号控制信号控制信号 第二阶段：单机控制第二阶段：单机控制 一台计算机只控制一台一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、今天也很常见，如冰箱、空调空调 、电饭煲的控制等。、电饭煲的控制等。 计算机计算机受控设备受控设备反馈信号反馈信号控制信号控制信号 第三阶段：分散控制第三阶段：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，式），但与上

14、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。属于网络化的控制系统。 典型例子有：典型例子有： 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 CIMS （Computer Integrated Manufacturing System） 集散控制系统集散控制系统 DCS （Distributed Control System） 现场总线控制系统现场总线控制系统 FCS （Fieldbus Control System）一种网络化的现场总线控制系统一种网络化的现场总线控制系统现代计算机控制系统：管控一体化现代计算机控制系统：管控一体化l 一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络一个生产企业往往可

15、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，实现化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。无缝衔接。l 现代生产自动化系统通常具有三层结构：现代生产自动化系统通常具有三层结构：例如，最底层是例如，最底层是基础自动化层基础自动化层，以，以PCS（过（过程控制系统）为代表；第二层是程控制系统）为代表；第二层是生产过程运生产过程运行优化层行优化层，以，以MES（制造执行系统）为代表；（制造执行系统）为代表；最高层是最高层是生产经营优化层生产经营优化层，以，以ERP（企业资（企业资源管理）为代表。源管理）为代表。l 基础层主要包括基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、各

16、种先进控制软件、检测装置、实时数据库等；检测装置、实时数据库等；l 运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优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；化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等；l 经营优化层主要包括企业资源规划（经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供）、供应链管理（应链管理（SCM）、客户关系管理（）、客户关系管理（CRM）、设）、设备资源管理、企业电子商务平台等；备资源管理、企业电子商务平台等；l 这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、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

17、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。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 最基本的控制算法最基本的控制算法 PID控制控制 反馈控制系统的结构反馈控制系统的结构输出输出控制器控制器受控对象受控对象检测装置检测装置给定给定输入输入反馈信号反馈信号控制量控制量误差误差执行机构执行机构什么是什么是PID控制控制?l PID: Proportional-Integrel-Derivative （比例（比例-积分积分-微分）微分）l PID控制的原理及结构简单，使用方便；控制的原理及结构简单，

18、使用方便；l PID控制的历史悠久，产生于控制的历史悠久，产生于20世纪初，先后世纪初，先后有机械式、液动式、气动式、电子式等；有机械式、液动式、气动式、电子式等；l PID控制的适应面广，生命力强，至今仍为工控制的适应面广，生命力强，至今仍为工程应用的主流（程应用的主流（80）。）。PID控制的结构控制的结构 dt)t (deKdt)t (eK)t (eK)t (udip比例作用比例作用误差误差e e积分作用积分作用微分作用微分作用控制量控制量u u 比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，比例、积分、微分作用可根据需要进行不同组合，如如 P P控制、控制、PIPI控制、控制、PDPD控

19、制、控制、PIDPID控制。控制。例：水温调节系统例：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：出水口的水温受控变量：出水口的水温控制目标：保持出水温度基本恒定控制目标：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变化、用户的用水量变化等 热水热水冷水冷水温热水温热水调节阀调节阀水温反馈控制系统水温反馈控制系统 总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，总的控制思路：若水温偏低，则增大控制输入，即增大热即增大热/冷水流量的比值；反之，若水温偏高，冷水流

20、量的比值；反之，若水温偏高，则减小控制输入。则减小控制输入。热水热水冷水冷水温热水温热水调调节节阀阀水温检测水温检测控制装置控制装置期望期望水温水温水温调节的比例控制作用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。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。即控制量的大小大致与偏差成比例。 热水热水冷水冷水温热水温热水调调节节阀阀水温检测水温检测比例控制比例控制期望期望水温水温比例控制的特点比例控制的特点l

21、 比例控制的结构最简单，只有一个比例系数，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。可以使输出在有扰动的情况下基本恒定。l 比例系数的设置应适当，过小会调节作用太弱，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，大的控制作用，容易引起系统输出上下波动，即发生振荡。即发生振荡。l 比例系数的确定是在响应的快速性与平稳性之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

22、。间进行折衷。l 比例调节基于偏差，不可能完全消除偏差。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。偏差在时间上的累积，可以最终消除偏差。 热水热水冷水冷水温热水温热水调调节节阀阀水温检测水温检测控制装置控制装置期望期望水温水温积分控制的特点积分控制的特点l

23、 只要偏差不为零，偏差就不断累积，从而使控制只要偏差不为零，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。量不断增大或减小，直到偏差为零为止。l 积分作用一般和比例作用配合组成积分作用一般和比例作用配合组成PI调节器，并调节器，并不单独使用，原因是积分控制作用比较缓慢。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，只能逐渐增大，水温上升缓

24、慢；而比例作用则是误差越大，控制作用越强。控制作用越强。l 比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，积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。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，则应降低热若扰动使水温开始升高，则应降低热/冷水比值，且冷水比值，且升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则升温速度越快，降低越多；反之若水温要降低，则应增大热应增大热/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。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。即控制作用与水温的变化率成正比。 热水热水冷水冷水温热水温热水调调节节阀阀水温检测水温检测控制装置控制装置期望期望水温水温微分控制的特点微分控制的特点l 微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变，微分控制是基于偏差的变化率，水温还没有变