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1、2023/9/51工业自动化技术 2023/9/52工工业自自动控制技控制技术的的发展概况展概况一、工业自动控制的基本概念一、工业自动控制的基本概念n自动控制：自动控制：指在无人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（机器、设备）的某一个物理量自动地按照预定的规律运行，n控制系统：控制系统：为实现某一控制目标所需要的物理部件（及软件）的有机组合，通常由控制器和被控对象组成。n自动控制理论：自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学，它包括以反馈控制理论为基础的古典控制理论（单输入、单输出），以状态空间为基础的现代控制理论（多输入、多输出）以及以模糊控制和神经网络为代表的智能控制（不需精确数学
2、模型）。2023/9/53二、工业自动控制系统基本类型：二、工业自动控制系统基本类型：n顺序控制系统：顺序控制系统：顺序控制是按照预先规定的时间顺序（或逻辑关系），逐步对各设备或对象进行控制到方法。如电梯等。n过程控制系统：过程控制系统：对工业生产过程中的各物理量（如温度、压力、液位等）进行闭环控制，使其按照要求的规律变化。n运动控制系统：运动控制系统：控制运动物体的转速或位置，使其按照要求的规律变化。如调速系统，位置随动系统等。n监控系统：监控系统：对生产过程中的大量运行参数进行采集、显示、记录或报警。2023/9/54三、控制系统的传统实现方法：三、控制系统的传统实现方法：n顺序控制系统：
3、顺序控制系统：继电逻辑控制系统。n过程控制系统：过程控制系统：常规仪表控制系统。n运动控制系统：运动控制系统：拖动控制系统。n监控系统：监控系统：常规显示、记录或报警仪表。2023/9/55四、计算机技术对工业控制技术的影响四、计算机技术对工业控制技术的影响2023/9/56五、实现计算机控制到几种尝试方案五、实现计算机控制到几种尝试方案n直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC)。n单片机控制。单片机控制。n总线式工控机总线式工控机。n可编程调节器。可编程调节器。2023/9/57六、计算机控制的现状及发展六、计算机控制的现状及发展n可编程控制器可编程控制器(PLC)。n集散控制系统集散控
4、制系统(DCS)。n现场总线控制系统现场总线控制系统(FCS)。n工业以太网。工业以太网。2023/9/58七、计算机控制的设计原则七、计算机控制的设计原则n可靠性与适应性。可靠性与适应性。n操作性与友好性操作性与友好性。n灵活性与扩展性。灵活性与扩展性。n实时性。实时性。2023/9/59分布式控制系统分布式控制系统的体系的体系结构构一、分布式控制系统体系结构的形成：一、分布式控制系统体系结构的形成：n集中型计算机控制系统：集中型计算机控制系统：采用专用计算机来处理工业控制问题(如进行数据采集，数据处理，过程监视等)。n多级计算机控制系统：多级计算机控制系统：为了计算机的处理速度和自身的可靠
5、性问题和在计算机微型化的推动下，出现了多级计算机控制系统。n集散型计算机控制系统：集散型计算机控制系统：将与现场设备打交道和需要进行实时处理的功能分散到前端计算机上，而中央计算机只充当后继到系统管理方面的工作，实现集中管理，分散控制，提高整个系统的可靠性。n计算机集成综合系统：计算机集成综合系统：将中央计算机与工厂办公室自动化系统连接起来，使工厂制造与办公室、实验室、仓库等商业和事务管理等系统构成了一体化。2023/9/510二、分布式控制系统二、分布式控制系统 分层结构中各层的功能分层结构中各层的功能2023/9/511三、三、分布式控制系统分布式控制系统系统的基本结构系统的基本结构n现场控
6、制器现场控制器：通常带有I/O部件，与生产过程相联接，实现数据采集和控制执行。n人机接口：人机接口：让操作员了解生产能够过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。主要由操作站、工程师站和历史站。n通信系统：通信系统：在分散过程控制装置与操作管理装置之间完成数据交换和传递。2023/9/512四、现场控制器四、现场控制器n回路控制器：回路控制器：能完成以PID为基础的回路控制的数字仪表，多路数据采集器以及无纸记录仪等一系列数字仪表，在面板上仍保留棒图和手/自动切换，用数字显示代替指针显示，这些数字仪表统称为回路控制器。回路控制器内部的算法预先用程序作成功能块的形式，存在ROM中。可以按照所
7、要求的控制策略，进行组态。n可编程控制器可编程控制器(PLC)(PLC)：PLC是由摸仿继电器控制原理发展起来的，以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。现代的也增加有一些控制回路用的算法。n运动控制器：运动控制器：用于控制运动部件的速度或位置，通常包括变频器和伺服系统。n现场总线：现场总线：全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置；用分散的虚拟控制站取代集中的控制站；改变传统的信号标准、通信标准。2023/9/513控制系统的硬件体系结构2023/9/514模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2模块模
8、块3双模冗余双模冗余DMRDual Module Redundancy 三模冗余三模冗余TMRTriple Module Redundancy(1)需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构需适应恶劣的工业生产过程环境。冗余结构2023/9/515模块模块1模块模块2模块模块1模块模块2表表决决器器选选择择器器状状态态指指令令指指令令输输出出输输出出指指令令指指令令输输入入输输入入备用式冗余备用式冗余Backup Redundancy表决式冗余表决式冗余Voting Redundancy2023/9/516模块模块3模块模块4表决器表决器B输出输出模块模块1模块模块2表决器表决器A输出输出输输出出
9、互互锁锁选选择择器器输出输出A机机B机机互锁信号互锁信号互锁信号互锁信号主主备备2023/9/517tA确定性实时确定性实时非确定实时非确定实时延迟延迟deadline概率概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl无边界无边界!在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率为零。有边界有边界!概率概率延迟延迟在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率很小，但不为零。确定性实时和非确定性实时的对比2023/9/518200ms:操作人员的手感（接近硬接线般的感觉）10ms:流程工业中的事件分辨率（但
10、目前很多招标书都要求2ms)1s:操作员站画面上的数据刷新速度3s:操作员站画面翻页速度1s:控制器执行一个加法运算的典型时间10s:控制器执行一个PID运算的典型时间30s:通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）100s:多任务实时系统任务切换时间200s:从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间1ms:在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间2ms:在局域网中发送一个报文的时间50ms:控制器中通讯任务的执行时间实时性：典型任务的响应时间要求2023/9/519主控制器应用设计：工艺过程划分第第1对主控制器对主控制器IOIO工艺过程工艺过程1第第2对主控制器对主控制器I
11、OIO工艺过程工艺过程2系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络系统网络通过系统网络引用另一对主控制器的通过系统网络引用另一对主控制器的IO点数据点数据通过硬接线引用另一对主控制器的通过硬接线引用另一对主控制器的IO点数据点数据2023/9/520热电阻（热电阻（RTD）（Resistor Temperature Detector）热电偶（热电偶（TC）（Thermal Couple）变送器（变送器（420mA,1-5V）（温度，压力，流量，物位）温度，压力，流量，物位）电桥变换电桥变换滤波滤波信号放大信号放大滤波滤波电流电压变换电流电压变换滤波滤波模数转换模数转换（A/D）模数转换模数转换（
12、A/D）模数转换模数转换（A/D）工业现场的工业现场的传感器或变送器传感器或变送器采用的信号调理技术采用的信号调理技术（Signal Conditioning）数字化处理数字化处理AI信号的输入处理过程Analog Input-AI2023/9/521双积分型A/D转换器2023/9/522逐次比较型A/D转换器2023/9/5232023/9/524变压器隔离型放大器2023/9/525电容隔离型放大器2023/9/526线性光偶隔离型放大器2023/9/527性价典型性价典型值值变压器隔离型变压器隔离型放大器放大器电容隔离型电容隔离型放大器放大器线性光偶隔线性光偶隔离型放大器离型放大器线性
13、度线性度0.005%0.005%0.01%0.01%0.1%0.1%信号带宽信号带宽120120kHzkHz5050kHzkHz5050kHzkHz隔离电压隔离电压15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms15001500VrmsVrms体积体积笨重笨重小小小小价格价格最贵（最贵（40$40$）10$10$5$5$三种模拟信号隔离放大器比较2023/9/528模拟量输出2023/9/529开关量输入（DI：Digital Input)2023/9/530开关量输出（DO：Digital Output)2023/9/531常见计算机控制算法、常见计算机控制算法、lPID控制
14、算法：控制算法：形成一个闭环的控制回路，对被控变量产生的一切扰动都进行响应。l选择性控制系统：选择性控制系统：对两个或多个控制器的输出端的信号进行选择。l前馈控制：前馈控制：按扰控量进行补偿的开环控制，即当影响系统的扰动出现是（被控变量还未显示变化以前），按扰动量大小直接产生校正作用，以抵消扰动的影响。l顺序控制：顺序控制：顺序控制是按照预先规定的顺序（逻辑关系），逐步对各阶段进行信息处理的控制方法.l计算机优化控制计算机优化控制控制系统的控制算法控制系统的控制算法2023/9/5322023/9/533控制作用控制作用：l比例控制：比例控制：比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比
15、例控制不能消除稳态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。l积分控制：积分控制：积分控制的作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。l微分控制：微分控制：微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。l应用PID控制，必须适当地调整比例放大系数KP，积分时间TI和微分时间TD，使整个控制系统得到良好的性能。2023/9/5342023/9/53520
16、23/9/536为了求和，必须将系统的偏差的全部过去值都储存起来，这种算法得出的全量U(K)是控制量的绝对值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，是一一对应的。缺点是每时刻计算机都要重复计算阀位的位置，必须把偏差的全部过去数据都积累起来，容易产生积分饱和2023/9/5372023/9/5382023/9/539采样周期选择：采样周期选择：根据香农采样定理，系统采样频率为根据香农采样定理，系统采样频率为 ：fs fs 2 2f fmaxmax（max max 被采样信号的最高）被采样信号的最高）满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢 复为原复为原模拟信号，而不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样模拟信号，而不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样周期越小，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连续数据控制系统的性能越接近于连续-时间时间控制系统。控制系统。三、采样周期2023/9/540 从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，采样周期必须大于这一时间 从控制系统的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些 从微
