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宋極群談自動控制與自動控制系統

2018/1/18 0:19:40 人評論 次瀏覽 分類:過程控制  文章地址:http://www.gsipv.com/tech/1091.html

本文節選自宋極群編著的《過程控制系統基礎與實踐》一書,本章節白話形式介紹自動控制與自動控制系統的概念及原理,熟悉和了解過程控制,就應該從了解自動控制與自動控制系統開始。
過程控制系統基礎與實踐
我國古代早已對自動控制設備進行了深入的研究,從漢代的“指南車”到魯班的“飛鳥”,從諸葛亮的“木牛流馬”、“連弩”等,這些都是利用機械原理實現自動控制的典范之作?,F在還有一些自動設備由類似的裝置完成,比如在一根軸上的不同位置鑲嵌不同周長和曲面的輪子,在軸轉動的時候,不同的輪子擁有相同的角速度,但是因為有不同的周長,因此,與輪子咬合的齒輪轉動一周所花費的時間就會不同,這樣就可以用來計量不同的時間,這就是使用機械原理實現了計時和順序的功能,有了時間軸,我們就可以完成順序控制,這對于使用計算機控制的今天來說確實是很有妙的事情。

由于蒸汽時代的到來,人們可以利用蒸汽機產生出更大的機械力,從而幫助人完成繁重的勞動,這樣,就需要對蒸汽機進行控制,讓它按照人的意志來工作。于是,瓦特發明了蒸汽機調速器,他通過巧妙的機械設計,把蒸汽機的運轉速度穩定在一個固定的范圍內,這樣就減少了事故的發生,使得蒸汽機很容易被人利用,這個發明被稱為真正意義上的“現代自動控制的開端”。自動控制設備的應用無疑提高了勞動生產率,推進社會前進了一大步。

后來,人們發現了電的奧秘,并掌握了電力的應用和控制,由此進入電氣時代,于是有了關于控制的理論,“電”在自動控制中起到了不可替代的作用,它可以驅動機械設備產生更高速的運動,也可以控制這些驅動設備本身,利用電的特點還可以連續控制更多設備,使這些設備互相配合,完成某個生產過程,這就形成了控制方案。

計算機的發明更加推進了自動控制技術的發展,它可以實現復雜的算法,完成智能控制。科技是在進步的,到了今天,網絡技術已經普遍應用了,其實,早在20世紀80年代,網絡技術已經應用在工業過程控制中了,它使得各種自動控制設備可以方便的集合在一起,不同的設備可以信息共享,完成某個復雜的過程控制,進而實現生產的最終要求。隨便提及一下物聯網,所謂物聯網,其實就是工業控制在民用和其他行業的應用,因為它的技術手段和路徑基本上與工業控制是一致的,甚至于沒有工業的嚴格和快速。物聯網能帶給我們信息的溝通與共享,這在技術層面上已經沒有什么障礙了,但是,它需要解決的是規則問題,甚至是法律層面的制度。說遠了,還是從我們熟知的自動控制開始吧。

從發展過程來看,自動控制領域經歷了由“控制”“自動控制”“過程控制”到“智能控制”幾個階段,日前這些方式是同時存在的,他們有各自的特點,應用在各自不同的環境中。

那么到底是誰、如何感知世界呢?數據經過怎樣的傳輸?怎樣讓設備執行人的思想呢?什么是自動控制?其工作原理是什么,其發展歷程又如何呢,自動控制系統又是包含哪些內容?過程控制又是怎么回事呢?

自動控制與自動控制系統
在講過程控制之前,首先要知道什么是自動控制。所謂自動控制,是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設備或裝置(稱控制裝置或控制器),使機器、設備或生產過程(統稱控制對象)的某個工作狀態或參數(即被控量)自動地按照預定的規律運行。

其實自動控制離我們很近,比如,家居必備的抽水馬桶就是一個很好的例子。放水沖刷后,水箱里水位降低,浮子隨水面下降,進水閥打開。隨著水位的升高,進水閥逐漸關閉,直到水位達到規定高度,進水閥完全關閉,水箱里面的水正好準備下一次使用。

能夠完成自動控制任務的系統稱為自動控制系統,它是由若干控制器和被控對象構成的一個整體。自動控制系統的核心是控制算法和解決方案’它包括設備及網絡的配置、控制范圍及功能、控制策略的實施與規劃等。可以毫不夸張地講,自動控制系統完全可以以人的意志為基礎,來操作各種設備,既然自動控制系統能實現替代人的功能,那么它也應該具有類似人體的結構,如圖下1-1所示。
自動控制系統整體框架
圖1-1 自動控制系統整體框架

①數據采集及控制設備

數據的采集和設備的控制是兩種相反的操作,但是在系統中處于同一地位,控制系統用它們來感知世界,完成指令,相當于人的五官、手、腳等,該部分完成各種溫度、壓力、流量等參數的采集,或者把控制中心的控制指令傳達給現場執行設備,如電動門、電機、水泵、控制閥等。

對于不同的物理參量,我們會使用不同測量原理的傳感器,經過某種轉換后提供給下一級設備處理,對于千差萬別的設備,大家都追尋同一標準,這樣方便接入不同的系統,形成通用的設備。比如應用不同檢測原理對溫度的采集、對壓力的采集、對流量的采集等,數據經過數字濾波、信號放大等處理以后,轉換成4-20mA或者0-5V標準信號、脈沖、甚至數字信息等電信號,這樣就為數據的傳輸打下了基礎。

②網絡通信
網絡通信及設備是循環系統,是輸送各種養料的通道,它把身體的各部分機能聯系起來,是數據傳輸的通道,類似人類的血液循環系統、神經系統。

③監控系統

監控設備相當于人的大腦,實現控制方案的計算、故障判斷及處理,完成與人的交互操作。它包括控制器、操作員站、服務器等。

④控制方案

控制方案是現場工藝的實現方法,是人的思維的體現,是精神,是靈魂,甚至可以實現智能管理、故障判斷、智能調節等功能。

綜上所述:基于生產過程控制工業的自動控制系統被稱為過程控制系統。過程控制系統的實現大概是這樣的:我們根據不同行業的工藝要求,制訂出控制方案,把該方案用直觀的編程語言或流程框圖描述正確,然后下裝到計算機里面,計算機通過強大的運算和記憶功能,根據當前現場的各種條件,比如溫度、壓力、流量的變化等(稱為工況),產生出運算結果(稱為控制輸出),這些結果通過硬件設備轉換及網絡設備傳送到控制閥或開關設備上,控制現場設備做出相應的動作,最后實現控制工藝的要求,這樣就達到了自動控制的目的。

一般過程控制系統主要應用在發電廠、化工、水泥、供熱系統、水處理系統等注重流程的行業。這樣的工業過程使用原始的材料,經過各種物理的或者化學變化,經過粉碎、高溫、高壓、催化、混合等工藝手段,生產出滿足需要的產品,這些產品最終為人類所應用、消費。

由此可見,我們把原始資料經過若干處理產生出產品的過程稱之為生產過程,面向這個過程而總結的控制理論叫過程控制理論,因此過程控制理論應該是概括的、復雜的、具有不確定性的一種科學體系。

現在來梳理一下自動控制設備、自動控制系統和過程控制系統三者之間的關系,如圖1-2所示。自動控制設備、自動控制系統和過程控制系統的關系
圖1-2  自動控制設備、自動控制系統和過程控制系統的關系
 
自動完成某項工作的設備是自動控制設備,若干自動控制設備互相協助,完成某項任務,被稱為自動控制系統,應用于過程工業的自動控制系統就叫做過程控制系統,因此,過程控制系統是自動控制系統在應用方向上的一個分類,當然,也有其他類型的自動控制系統,比如運動控制系統、飛行控制系統等。

自動控制工作原理
根據自動控制的目的和要求不同,在實現算法上,就會采用不同的理論和應用不同的原理,由于高級控制理論需要很多數學方面的知識,因此這里僅僅介紹一下自動控制的一般原理,下面我們以一個簡單的例子來說明。

這個例子說的是人端起杯子的過程。簡單描述一下整個過程。首先人通過眼睛來確定杯子當前的位置,之后大腦指揮手去抓住杯子。在這個動作里,我們要不斷判斷杯子的位置,然后調整手的位置和力度,讓手準確無誤地抓到杯子,拿起來??此坪唵蔚男袨槠鋵嵃撕軓碗s的過程,只是因為大腦的處理速度很快,才讓我們不容易覺察。

由此可見,自動控制的關鍵就在于反饋的存在,正是有了它的存在,才使自動控制成為可能。反饋就是自動化的奧妙所在,所以自動控制原理也叫反饋控制原理。

一個自動化系統無論結構多么復雜,基本上都是由下面幾部分組成:
第一,檢測比較裝置(眼睛)。
第二,調節器(大腦)。
第三,執行機構(手)。
第四,控制量(位置)。

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