-4自动控制发展
49页1、2.4 自动控制的发展概况,自动控制的两个组成部分,自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础,相当于“软件”;自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面,2.4.1 自动控制技术的发展概况,自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平;早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等;随着电的发明,很多电气、电子元器件及设备相继问世,继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统,使控制性能得到提升;,上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制,改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件,而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难;计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式,控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序(称为“控制算法”),修改很方便,而且无论控制算法简单还是复杂,都一样可以实现,因此计算机在控制领域迅速推广和普及;常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。,单片机,单片机是在一块芯片上集成了微处理器、存储器及接口电路等,在计算机家族里体积最小、价格最便宜、应用非常普
2、遍,一辆普通轿车里常常有几十个单片机在工作。,工业控制计算机,工控机类似普通微机,但提高了工作的可靠性,配备了用于工业控制的输入输出接口,并特别加强了针对工业环境的抗干扰措施。,可编程逻辑控制器( Programmable Logic Controller,简称“PLC”),PLC包含了逻辑运算、顺序控制、算术运算及定时和计数等功能,是专为工业环境下的应用而设计的,早期主要用于逻辑及顺序控制,以取代传统的继电器控制,后来又增加了连续的反馈调节功能,并具有联网和通信功能,应用范围越来越广。,数字信号处理器( Digital Signal Processor,简称“DSP” ),DSP的计算和处理功能相当强大,早期主要用于信号处理领域,价格也较昂贵,但随着计算机技术的发展,价格不断降低,因而近年来在控制领域的应用也越来越多,计算机控制方式的演变,第一阶段:集中控制 用一台计算机同时控制多台机器或设备,轮流采集反馈信息,计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备,属于“分时控制”,主要缺点是可靠性差。,第二阶段:单机控制 一台计算机只控制一台机器或设备,主要优点是控制风险小。这种方式在今
3、天也很常见,如冰箱、空调 、电饭煲的控制等。,第三阶段:分散控制 对于多台相互关联的机器或设备,每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制(单机控制方式),但与上层的协调和管理计算机有信息交互,属于网络化的控制系统。 典型例子有: 计算机集成制造系统 CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) 集散控制系统 DCS (Distributed Control System) 现场总线控制系统 FCS (Fieldbus Control System),一种网络化的现场总线控制系统,现代计算机控制系统:管控一体化,一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统,并与管理系统连为一体,实现无缝衔接。现代生产自动化系统通常具有三层结构:,例如,最底层是基础自动化层,以PCS(过程控制系统)为代表;第二层是生产过程运行优化层,以MES(制造执行系统)为代表;最高层是生产经营优化层,以ERP(企业资源管理)为代表。,基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等;运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与
4、维护、质量控制、成本控制等;经营优化层主要包括企业资源规划(ERP)、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)、设备资源管理、企业电子商务平台等;这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正,还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。,生产自动化系统的层次结构示意图,2.4.2 自动控制理论的发展概况,几个常用术语:线性系统和非线性系统 线性系统可以用线性方程来描述其运动规律,否则就是非线性系统。线性系统满足“均匀性” 和“叠加性”。,均匀性:当输入信号按一定比例放大或缩小时,对应的输出也放大或缩小同样比例。 叠加性:多个输入同时作用于系统所产生的输出等于这些输入分别作用于系统所产生的输出之和。, 定常系统和时变系统 定常系统制系统的所有参数是固定的,不随时间而改变;时变系统则正好相反,有随时间而改变的参数。,实际系统都属于时变系统,但当参数变化较慢、且变化幅度不大时,我们可以近似看作定常系统。,实际系统都属于非线性系统,但大部分系统的非线性不严重,因此可以近似看作线性系统来处理。,单变量系统和多变量系统 单变量系统是说系统只有一个输入和一个输出,
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