自动控制原理综述

自动控制原理综述报告一、自动控制的作用自动控制学科是近几十年来了发展起来的一门很重要的学科。它的发展很迅速，特别是计算机的快速发展，更加快了它的发展，尤其是工业自动化技术近年来的发展。自动化学科研究的范围也是很广泛的，对实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极作用。自动控制(automaticcontrol)是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。基础的结论是由诺伯特•维纳，鲁道夫•卡尔曼提出的。二、自动控制领域的发展过程150多年前第一代过程控制体系是基于5—13psi的气动信号标准(气动控制系统PCS，PneumaticControlSystem)0简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。第二代过程控制体系(模拟式或ACS,AnalogControlSystem)是基于0—10mA或4—20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。第三代过程控制体系(CCS，ComputerControlSystem).70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系(CCS，ComputerControlSystem)o这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4-20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。第四代过程控制体系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4-20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。简单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。主要的总线有Profibus，LonWorks等。三、自动控制系统的分类一、按描述系统的微分方程分类在数学上通常可以用微分方程来描述控制系统的动态特性。按描述系统运动的微分方程可将系统分成两类：线性自动控制系统描述系统运动的微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为定常线性自动控制系统；相反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线性自动控制系统。线性系统的特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。非线性自动控制系统描述系统的微分方程是非线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的，但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时，则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地看成线性定常系统。二、 按系统中传递信号的性质分类连续系统系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。采样系统系统中至少有一处，传递的信号是时间的离散信号，则称为采样系统，或离散系统。三、 按控制信号r(t)的变化规律分类镇定系统r(t)为恒值的系统称为镇定系统(图1-2所示系统就是一例)。程序控制系统r(t)为事先给定的时间函数的系统称为程序控制系统(图1-11所示系统就是一例)。随动系统 r(t)为事先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统，如图1-7所示的位置随动系统及函数记录仪系统。四、自动控制原理的发展方向上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。目前，在连续型流程生产自动控制(PA)或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下一节就仅以DCS与FCS进行比较。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。DCS系统的关键是通信。FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。我们已经知道有的FCS是由PLC发展而来，而有的FCS是由DCS发展而来，那么，今天FCS已走向实用化，PLC与DCS前景又将如何。PLC于上世纪60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地