1、第二講 自動(dòng)控制技術(shù),想法（目標(biāo)）要有辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。,自動(dòng)控制的兩個(gè)組成部分,自動(dòng)控制理論是分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工具和基礎(chǔ)，相當(dāng)于“軟件”；自動(dòng)控制技術(shù)則著重在控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方面,一、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（最簡(jiǎn)單的控制方式） 控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系。 特點(diǎn)： 1）系統(tǒng)輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響； 2）每一個(gè)參考輸入對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的固定工作狀態(tài)。 缺點(diǎn)：若系統(tǒng)存在較大干擾，則很難完成既定的控制任務(wù) 適用范圍： 1）輸入輸出關(guān)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(yīng)用最廣

2、泛的控制方式） 控制裝置與被控對(duì)象之間不僅存在順向（正向）作用，還存在反饋?zhàn)饔谩?特點(diǎn)： 系統(tǒng)輸出量對(duì)系統(tǒng)的控制作用有直接影響； 優(yōu)點(diǎn)：不管什么擾動(dòng)引起被控參數(shù)變化，都會(huì)產(chǎn)生控制作 用去消除偏差；,三、擾動(dòng)補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”,在擾動(dòng)影響被控量之前補(bǔ)償其作用。,四、復(fù)合控制 復(fù)合控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償控制(前饋控制)能及時(shí)地抵消可測(cè)擾動(dòng)量對(duì)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(yīng)用的控制形式。,2.2 自動(dòng)控制技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個(gè)階段應(yīng)用技術(shù)所能達(dá)到的水平； 早期的自動(dòng)控制只能依靠簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)裝置等； 隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子

3、元器件及設(shè)備相繼問(wèn)世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；,1、機(jī)械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調(diào)速器；希臘人發(fā)明的廟門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟裝置，等。 2、作為自動(dòng)化儀表的控制裝置，最早出現(xiàn)與20世紀(jì)30年代，主要用于化工、石油、熱能動(dòng)力和冶金，當(dāng)時(shí)稱為熱工儀表，工作方式為機(jī)械式或液動(dòng)式，體積比較大，只能實(shí)現(xiàn)就地顯示、記錄和簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)一定功能的獨(dú)立儀表（稱為單元），各個(gè)儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系。 單元組合儀表克服了基地

4、式儀表結(jié)構(gòu)不夠靈活的缺點(diǎn)。將各種單元進(jìn)行不同的組合，可以靈活第構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場(chǎng)合需要的自動(dòng)檢測(cè)或控制系統(tǒng)。 氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ），電動(dòng)單元組合儀表（DDZ），都經(jīng)歷了I型，II型，和III型三個(gè)發(fā)展階段。,變送單元：將各種物理量變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)； 轉(zhuǎn)換單元：電-氣轉(zhuǎn)換，氣-電轉(zhuǎn)換，等； 控制單元：測(cè)量信號(hào)與給定信號(hào)比較，產(chǎn)生控制信號(hào)； 運(yùn)算單元：將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算； 顯示單元：指示、記錄、報(bào)警、累計(jì)； 給定單元：產(chǎn)生給定值； 執(zhí)行單元：按控制器輸出的控制信號(hào)去改變控制量大??； 輔助單元：增設(shè)的功能，如手動(dòng)-自動(dòng)切換。,（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動(dòng)儀表，價(jià)格

5、便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別對(duì)石油化工等易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，具有本質(zhì)性的安全防爆性能。尤其是統(tǒng)一了壓力信號(hào)，有遠(yuǎn)程發(fā)送儀器可以遠(yuǎn)傳，如此能在控制室讀數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在控制室進(jìn)行檢測(cè)、記錄和控制。 （2）50年代出現(xiàn)了電動(dòng)式組合儀表。傳輸速度快。,上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實(shí)現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點(diǎn)的控制方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來(lái)很困難； 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計(jì)算機(jī)里只是一組程序（稱為“控制算法”），修改很方便，而且無(wú)論控制算法簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，都一樣可以實(shí)現(xiàn)，因此計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及； 常用的數(shù)字化控制裝置包

6、括單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等。,單片機(jī),單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器及接口電路等，在計(jì)算機(jī)家族里體積最小、價(jià)格最便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車?yán)锍３Ｓ袔资畟€(gè)單片機(jī)在工作。,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),工控機(jī)類似普通微機(jī)，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(qiáng)了針對(duì)工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。,可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱“PLC”）,PLC包含了邏輯運(yùn)算、順序控制、算術(shù)運(yùn)算及定時(shí)和計(jì)數(shù)等功能，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(lái)又

7、增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能，并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。,數(shù)字信號(hào)處理器（ Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱“DSP” ）,DSP的計(jì)算和處理功能相當(dāng)強(qiáng)大，早期主要用于信號(hào)處理領(lǐng)域，價(jià)格也較昂貴，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格不斷降低，因而近年來(lái)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多,計(jì)算機(jī)控制方式的演變,第一階段：集中控制 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，輪流采集反饋信息，計(jì)算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，屬于“分時(shí)控制”，主要缺點(diǎn)是可靠性差。,第二階段：?jiǎn)螜C(jī)控制 一臺(tái)計(jì)算機(jī)只控制一臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，主要優(yōu)點(diǎn)是控制風(fēng)險(xiǎn)小。這種方式在今天也很常見(jiàn)，如冰箱、空調(diào)

8、、電飯煲的控制等。,第三階段：分散控制 對(duì)于多臺(tái)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器或設(shè)備，每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備都單獨(dú)用一個(gè)數(shù)控裝置來(lái)控制（單機(jī)控制方式），但與上層的協(xié)調(diào)和管理計(jì)算機(jī)有信息交互，屬于網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。 典型例子有： 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS （Computer Integrated Manufacturing System） 集散控制系統(tǒng) DCS （Distributed Control System） 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS （Fieldbus Control System）,一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化,一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時(shí)采用了好幾種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，并與管

9、理系統(tǒng)連為一體，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。 現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)通常具有三層結(jié)構(gòu)：,例如，最底層是基礎(chǔ)自動(dòng)化層，以PCS（過(guò)程控制系統(tǒng)）為代表；第二層是生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化層，以MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表；最高層是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表。,基礎(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測(cè)裝置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等； 運(yùn)行優(yōu)化層主要包括建模、計(jì)劃與調(diào)度、實(shí)時(shí)優(yōu)化、故障診斷與維護(hù)、質(zhì)量控制、成本控制等； 經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等； 這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線成本的預(yù)測(cè)、控制和反饋校正，還可以實(shí)

10、現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調(diào)度。,生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),什么是PID控制?,PID: Proportional-Integrel-Derivative （比例-積分-微分） PID控制的原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便； PID控制的歷史悠久，產(chǎn)生于20世紀(jì)初，先后有機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等； PID控制的適應(yīng)面廣，生命力強(qiáng)，至今仍為工程應(yīng)用的主流（80）。,PID控制的結(jié)構(gòu),比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進(jìn)行不同組合，如 P控制、PI控制、PD控制、PID控制。,例：水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng),控制輸入：進(jìn)水口的熱水

11、流量與冷水流量之比 受控變量：出水口的水溫 控制目標(biāo)：保持出水溫度基本恒定 各種擾動(dòng)：進(jìn)水口水溫和水壓的波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、用戶的用水量變化等,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。,水溫調(diào)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。,比例控制的特點(diǎn),比例控制的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，只有一個(gè)比例系數(shù)，可以使輸出在有擾動(dòng)的情況下基本恒定。 比例系數(shù)的設(shè)置應(yīng)適當(dāng)，過(guò)小會(huì)調(diào)節(jié)作用太弱，系統(tǒng)變化過(guò)于緩慢，并產(chǎn)生較大

12、誤差；過(guò)大就會(huì)調(diào)節(jié)過(guò)頭，偏差的一點(diǎn)點(diǎn)變化會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生很大的控制作用，容易引起系統(tǒng)輸出上下波動(dòng)，即發(fā)生振蕩。 比例系數(shù)的確定是在響應(yīng)的快速性與平穩(wěn)性之間進(jìn)行折衷。 比例調(diào)節(jié)基于偏差，不可能完全消除偏差。,水溫調(diào)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(méi)有達(dá)到，就再增大一些，這樣一點(diǎn)一點(diǎn)地調(diào)節(jié)，直到水溫合適為止；控制輸入包含對(duì)偏差的積分，即偏差在時(shí)間上的累積，可以最終消除偏差。,積分控制的特點(diǎn),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(diào)節(jié)器，并不單獨(dú)使用，原因是積分控制作用比較緩慢。 例如，水溫很低，也就是

13、偏差很大，本應(yīng)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(qiáng)。 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(diào)節(jié)的微分控制作用,若擾動(dòng)使水溫開(kāi)始升高，則應(yīng)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(yīng)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。,微分控制的特點(diǎn),微分控制是基于偏差的變化率，水溫還沒(méi)有變，剛有變化的趨勢(shì)，調(diào)節(jié)作用就開(kāi)始了，所以微分控制具有“超前”或“預(yù)測(cè)”的性質(zhì)，可以及時(shí)地抑制水溫的變化。 微分控制只在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中起作用，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后微分作用對(duì)控制量沒(méi)有影響，所以不能單獨(dú)使用，一般是和比例、積分作用一起構(gòu)成PD 或PID調(diào)節(jié)器。 微分會(huì)放大高頻噪聲信號(hào)，且頻率越高，放大得越厲害，因此通常要配置一個(gè)能夠過(guò)濾掉高頻信號(hào)的低通濾波器。,PID控制的優(yōu)、缺點(diǎn),PID控制簡(jiǎn)單實(shí)用，工作原理簡(jiǎn)單，物理意義清