宋极群谈自动控制与自动控制系统

2018/1/18 0:19:40 人评论 次浏览 分类:过程控制  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1091.html

本文节选自宋极群编著的《过程控制系统基础与实践》一书,本章节白话形式介绍自动控制与自动控制系统的概念及原理,熟悉和了解过程控制,就应该从了解自动控制与自动控制系统开始。
过程控制系统基础与实践
我国古代早已对自动控制设备进行了深入的研究,从汉代的“指南车”到鲁班的“飞鸟”,从诸葛亮的“木牛流马”、“连弩”等,这些都是利用机械原理实现自动控制的典范之作。现在还有一些自动设备由类似的装置完成,比如在一根轴上的不同位置镶嵌不同周长和曲面的轮子,在轴转动的时候,不同的轮子拥有相同的角速度,但是因为有不同的周长,因此,与轮子咬合的齿轮转动一周所花费的时间就会不同,这样就可以用来计量不同的时间,这就是使用机械原理实现了计时和顺序的功能,有了时间轴,我们就可以完成顺序控制,这对于使用计算机控制的今天来说确实是很有妙的事情。

由于蒸汽时代的到来,人们可以利用蒸汽机产生出更大的机械力,从而帮助人完成繁重的劳动,这样,就需要对蒸汽机进行控制,让它按照人的意志来工作。于是,瓦特发明了蒸汽机调速器,他通过巧妙的机械设计,把蒸汽机的运转速度稳定在一个固定的范围内,这样就减少了事故的发生,使得蒸汽机很容易被人利用,这个发明被称为真正意义上的“现代自动控制的开端”。自动控制设备的应用无疑提高了劳动生产率,推进社会前进了一大步。

后来,人们发现了电的奥秘,并掌握了电力的应用和控制,由此进入电气时代,于是有了关于控制的理论,“电”在自动控制中起到了不可替代的作用,它可以驱动机械设备产生更高速的运动,也可以控制这些驱动设备本身,利用电的特点还可以连续控制更多设备,使这些设备互相配合,完成某个生产过程,这就形成了控制方案。

计算机的发明更加推进了自动控制技术的发展,它可以实现复杂的算法,完成智能控制。科技是在进步的,到了今天,网络技术已经普遍应用了,其实,早在20世纪80年代,网络技术已经应用在工业过程控制中了,它使得各种自动控制设备可以方便的集合在一起,不同的设备可以信息共享,完成某个复杂的过程控制,进而实现生产的最终要求。随便提及一下物联网,所谓物联网,其实就是工业控制在民用和其他行业的应用,因为它的技术手段和路径基本上与工业控制是一致的,甚至于没有工业的严格和快速。物联网能带给我们信息的沟通与共享,这在技术层面上已经没有什么障碍了,但是,它需要解决的是规则问题,甚至是法律层面的制度。说远了,还是从我们熟知的自动控制开始吧。

从发展过程来看,自动控制领域经历了由“控制”“自动控制”“过程控制”到“智能控制”几个阶段,日前这些方式是同时存在的,他们有各自的特点,应用在各自不同的环境中。

那么到底是谁、如何感知世界呢?数据经过怎样的传输?怎样让设备执行人的思想呢?什么是自动控制?其工作原理是什么,其发展历程又如何呢,自动控制系统又是包含哪些内容?过程控制又是怎么回事呢?

自动控制与自动控制系统
在讲过程控制之前,首先要知道什么是自动控制。所谓自动控制,是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、设备或生产过程(统称控制对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动地按照预定的规律运行。

其实自动控制离我们很近,比如,家居必备的抽水马桶就是一个很好的例子。放水冲刷后,水箱里水位降低,浮子随水面下降,进水阀打开。随着水位的升高,进水阀逐渐关闭,直到水位达到规定高度,进水阀完全关闭,水箱里面的水正好准备下一次使用。

能够完成自动控制任务的系统称为自动控制系统,它是由若干控制器和被控对象构成的一个整体。自动控制系统的核心是控制算法和解决方案’它包括设备及网络的配置、控制范围及功能、控制策略的实施与规划等。可以毫不夸张地讲,自动控制系统完全可以以人的意志为基础,来操作各种设备,既然自动控制系统能实现替代人的功能,那么它也应该具有类似人体的结构,如图下1-1所示。自动控制系统整体框架
图1-1 自动控制系统整体框架

①数据采集及控制设备

数据的采集和设备的控制是两种相反的操作,但是在系统中处于同一地位,控制系统用它们来感知世界,完成指令,相当于人的五官、手、脚等,该部分完成各种温度、压力、流量等参数的采集,或者把控制中心的控制指令传达给现场执行设备,如电动门、电机、水泵、控制阀等。

对于不同的物理参量,我们会使用不同测量原理的传感器,经过某种转换后提供给下一级设备处理,对于千差万别的设备,大家都追寻同一标准,这样方便接入不同的系统,形成通用的设备。比如应用不同检测原理对温度的采集、对压力的采集、对流量的采集等,数据经过数字滤波、信号放大等处理以后,转换成4-20mA或者0-5V标准信号、脉冲、甚至数字信息等电信号,这样就为数据的传输打下了基础。

②网络通信
网络通信及设备是循环系统,是输送各种养料的通道,它把身体的各部分机能联系起来,是数据传输的通道,类似人类的血液循环系统、神经系统。

③监控系统

监控设备相当于人的大脑,实现控制方案的计算、故障判断及处理,完成与人的交互操作。它包括控制器、操作员站、服务器等。

④控制方案

控制方案是现场工艺的实现方法,是人的思维的体现,是精神,是灵魂,甚至可以实现智能管理、故障判断、智能调节等功能。

综上所述:基于生产过程控制工业的自动控制系统被称为过程控制系统。过程控制系统的实现大概是这样的:我们根据不同行业的工艺要求,制订出控制方案,把该方案用直观的编程语言或流程框图描述正确,然后下装到计算机里面,计算机通过强大的运算和记忆功能,根据当前现场的各种条件,比如温度、压力、流量的变化等(称为工况),产生出运算结果(称为控制输出),这些结果通过硬件设备转换及网络设备传送到控制阀或开关设备上,控制现场设备做出相应的动作,最后实现控制工艺的要求,这样就达到了自动控制的目的。

一般过程控制系统主要应用在发电厂、化工、水泥、供热系统、水处理系统等注重流程的行业。这样的工业过程使用原始的材料,经过各种物理的或者化学变化,经过粉碎、高温、高压、催化、混合等工艺手段,生产出满足需要的产品,这些产品最终为人类所应用、消费。

由此可见,我们把原始资料经过若干处理产生出产品的过程称之为生产过程,面向这个过程而总结的控制理论叫过程控制理论,因此过程控制理论应该是概括的、复杂的、具有不确定性的一种科学体系。

现在来梳理一下自动控制设备、自动控制系统和过程控制系统三者之间的关系,如图1-2所示。自动控制设备、自动控制系统和过程控制系统的关系
图1-2  自动控制设备、自动控制系统和过程控制系统的关系
 
自动完成某项工作的设备是自动控制设备,若干自动控制设备互相协助,完成某项任务,被称为自动控制系统,应用于过程工业的自动控制系统就叫做过程控制系统,因此,过程控制系统是自动控制系统在应用方向上的一个分类,当然,也有其他类型的自动控制系统,比如运动控制系统、飞行控制系统等。

自动控制工作原理
根据自动控制的目的和要求不同,在实现算法上,就会采用不同的理论和应用不同的原理,由于高级控制理论需要很多数学方面的知识,因此这里仅仅介绍一下自动控制的一般原理,下面我们以一个简单的例子来说明。

这个例子说的是人端起杯子的过程。简单描述一下整个过程。首先人通过眼睛来确定杯子当前的位置,之后大脑指挥手去抓住杯子。在这个动作里,我们要不断判断杯子的位置,然后调整手的位置和力度,让手准确无误地抓到杯子,拿起来。看似简单的行为其实包括了很复杂的过程,只是因为大脑的处理速度很快,才让我们不容易觉察。

由此可见,自动控制的关键就在于反馈的存在,正是有了它的存在,才使自动控制成为可能。反馈就是自动化的奥妙所在,所以自动控制原理也叫反馈控制原理。

一个自动化系统无论结构多么复杂,基本上都是由下面几部分组成:
第一,检测比较装置(眼睛)。
第二,控制器(大脑)。
第三,执行机构(手)。
第四,控制量(位置)。

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