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自动控制系统常识

自动控制系统常识

仪表工实际技能培训班讲义

范立刚

2010-6-15

自动控制系统常识

一、基本定义

自动控制系统（automaticcontrolsystems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。

自动控制系统是实现自动化的主要手段。

二、分类方法

自动控制系统有几种分类方法。

按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

1）开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。

开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。

主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

2）闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。

闭环控制系统又称反馈控制系统。

按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1）恒值控制系统

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。

如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

2）随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。

如跟随卫星的雷达天线系统。

3）程序控制系统

给定值按一定时间函数变化。

如程控机床。

自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。

在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。

在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。

在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动看着系统等。

在军事技术方面，自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。

在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

此外，在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。

随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

四、自动控制系统的常用术语

（1）调节对象，又称被调对象，简称对象。

在自动调节系统中，把需要调节的工艺设备的有关部分称为调节对象。

（2）被调参数。

指能够表征设备运转情况并需要进行调节的工艺参数。

　　（3）调节参数。

用来克服干扰对被调参数的影响，实现调节作用的参数叫调节参数。

　　（4）给定值x.工艺上希望被调参数所保持的数值。

　　（5）偏差e.被调参数的测量值与给定值之差。

　　（6）干扰f.指引起被调参数偏离给定的一切因素。

　　（7）反馈。

将被调参数的信号反送到调节器的比较元件去的通道称为反馈回路，简称反馈。

五、自动控制系统的常识

（一）系统的静态、动态和干扰作用

在自动化领域内，把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。

当一个自动调节系统的输入（给定和干扰）和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对的平衡状态。

系统的各个组成环节，如变送器、调节器、调节阀等都不改变其原先的状态，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是系统的静态。

通常平衡状态是相对、暂时、有条件的。

一个原来处于静态的系统，由于干扰的作用，被调参数发生变化，使调节器等自动化装置改变调节系数，以克服干扰作用的影响，并力图使系统恢复平衡。

从干扰的发生，经过调节，直到系统重新建立平衡整个系统的各个环节和参数都处于变动状态之中，所以这种状态就叫做动态。

在实际生产过程中，干扰是客观存在且不可避免的。

（二）调节系统的品质指标

为了定量地评定调节系统的品质，规定了以下几个质量指标：

1、最大偏差是指系统瞬时偏离给定值的最大程度，它是衡量自动调节系统的品质指标之一。

对于一些有约束条件的系统，都规定有具体的允许最大偏差值。

2、超调量是指被调参数第一个波峰值与新的稳态值之差。

如果系统新的稳态值与给定值相等，那么最大偏差就和超调量相等了。

通常在对给定值改变的调节系统作分析时，多采用超调量这个品质指标。

3、衰减比是指过渡曲线中第一个波峰的高度与第二个波峰高度之比，习惯上写成n ：

1形式。

显然，凡是衰减振荡，n值必大于1.n值越大，表示过程衰减得越快，系统稳定性越好。

通常n的取值范围在4～10之间。

4、余差。

当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值的偏差叫做余差（又称静差、稳态误差），也就是最后残余的偏差。

余差的数值可正可负。

在生产中，给定值是生产的技术指标，当然希望经过调节以后，被调参数越接近给定值越好，也就是余差越小越好。

5、过渡时间从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡为止，过渡过程所经历的时间叫做“过渡时间”或“调节时间”。

严格地讲，对于具有一定衰减比的衰减振荡过程来说，要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。

然而，实际上由于仪表灵敏度的限制，当被调参数接近稳态值时，指示值就基本不变了。

因此，一般是在新的稳定值的上下规定一个小的范围，当被调参数进入这一范围并且不再超出时，就认为被调参数已经达到新的稳定值，亦即过渡过程至此结束。

这个范围一般定为余差的±5%.

（三）调节对象的负荷与自衡

　　负荷就是对象的生产能力或运转能力，例如锅炉的出汽量、精馏塔的处理量、液体贮槽的流量等。

在自动调节系统中，对象负荷变化的大小和快慢是系统的主要干扰作用，它直接影响调节过程的稳定性。

如果负荷变化很大又很频繁，调节系统就很难稳定下来，因此要求负荷应尽量稳定。

当系统的平衡被破坏后，在没有外界的调节作用下，被调参数自行趋向一个新的稳定值的性质就称之为对象的自衡。

它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

）

 它的发展大体分为三个阶段。

 第一阶段：

1975-1980年，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：

 1）采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能

 2）采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作

 3）采用较先进的冗余通信系统

 第二阶段：

1980—1985.，在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：

 　1）微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高

 2）强化的模块化系统

 3）强化了系统信息管理，加强通信功能

　第三阶段，1985年以后，集散系统进入第三代，其技术特点表现为：

 1）采用开放系统管理

 2）操作站采用32位微处理器

 3）采用实时多用户多任务的操作系统

六、DCS绪论

DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。

总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。

控制器相对来讲变化要小一些。

操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。

但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。

I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。

从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。

用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。

DCS由四部份组成：

I/O板、控制器、操作站、通讯网络。

I/O板和控制器国际上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有I/O数据必须在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采用专用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。

七、DCS的基本结构

DCS为分散控制系统的英文（TOTALDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM）简称。

指的是控制危险分散、管理和显示集中。

60年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器（ProgrammableLogicController）。

简称PLC。

主要应用于汽车制造业。

70年代中期以完成模拟量控制的DCS推向市场，代替以PID运算为主的模拟仪表控制。

首先提出DCS这样一种思想的是原制造仪表的厂商，当时主要应用于化工行业。

后又有计算机行业从事DCS的开发。

70年代微机技术还不成熟，计算机技术还不够发达。

操作站、控制器、I/O板和网络接口板等都是DCS生产厂家自行开发的，也就是所有部件都是专用的。

70年代初，有人用如PDP/1124这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。

连接到中央控制室的电缆很多。

如用小型机既作为控制器、同时把连接小型机的CRT又作为显示设备（即人机界面）。

一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号，完成几百个回路的运算。

很显然其危险有点集中。

和模拟仪表连接的电缆一样多，并且一旦小型机坏了，控制和显示都没有了。

数字控制没有达到预期的目的。

后有人提出把控制和显示分开。

一台计算机完成控制计算任务，另一台计算机完成显示任务。

另外，一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多，其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算，工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性，可以分成若干个独立的工序，再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配到数台计算机中去，把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机（控制器）去完成。

其中一台机器坏了不影响全局。

所谓“狼群代替老虎”的战术，这就是危险分散的意思。

把显示、操作、打印等管理功能集中在一起，用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。

当时有人把这种系统称为集散系统。

危险究竟要分散到多少算合适呢？

这与当时的计算机技术的发展水平有关。

70年代中期，彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算。

当时由于人们对数字技术不太熟息，习惯于模拟仪表，70年代末、80年代曾经风行回路控制器，把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎完全一样，不改变操作习惯，内部把PID运算数字化。

一块仪表（一台计算机）完成一个回路的控制任务。

其价格较为昂贵，但危险是分散了。

然后用通讯网络把各个控制器和以CRT为基础的人机界面连成一个系统。

这时网络结构通常都是星形结构。

回路的控制器的制作成本太高，价格/性能比不好。

后来为了减低成本，就有两回路的、四回路的控制器，它的价格/性能比稍好一些。

对于一个大中型系统来说，DCS的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。

有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。

如果所要完成的回路太多，如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算，危险又太集中。

在这种情况下，危险必需分散。

随着计算机技术的发展，计算机的运算能力、存储容量和可靠性不断提高，一台计算机所完成的任务也可以增加。

完成的任务也可集中一点。

另外，控制器、网络等冗余技术也得到了发展，控制运算也可集中一些。

从目前的DCS来看，一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算，经现场使用，效果是比较好的。

这就产生控制器升级的问题了。

有时控制器和检测元件的距离还是比较远，这就促进现场总线的发展。

如CAN、LOONWORKS、FF等现场总线，以及HART协议接收板等都用到DCS系统中。

DCS分为三大部分，带I/O板的控制器、通讯网络和人机界面（HMI）。

由I/O板通过

端子板直接与生产过程相连，读取传感器来的信号。

I/O板有几种不同的类型，每一种I/O板都有相应的端子板。

l模拟量输入，4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板；4-16个通道不等；

l模拟量输出，通常都是4-20毫安的标准信号，一般它的通道比较少，4-8个个通道；

l开关量输入；16-32个通道：

l开关量输出，开关量输入和输出还分不同电压等级的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16个通道不等；

l脉冲量输入，用于采集速率的信号；4-8通道不等；

l快速中断输入；

lHART协议输入板；

l现场总线I/O板；

每一块I/O板都接在I/O总线上。

为了信号的安全和完整，信号在进入I/O板以前信号要进行整修，如上下限的检查、温度补偿、滤波，这些工作可以在端子板完成，也可以分开完成，完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板。

I/O总线和控制器相连。

80年代的DCS由于控制器的运算能力不强，为了增加I/O点数，把控制器的任务分开，实际上是有三种类型的控制器。

即：

完成闭环运算的控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器。

它们分别有自己的I/O总线，各种DCS的I/O总线各不相同。

如果要求快速，最好采用并行总线。

一般采用串行总线比较多。

尤其是RS485总线较多，模拟量数据采集器和逻辑运算器的I/O点数可以多一些。

闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器可以和人机界面直接连在通讯网络上，在网络上的每一个不同的控制器作为网络上的一个独立结点。

每一个结点完成不同的功能。

它们都应有网络接口。

有的DCS为了节省网络接口，把所有的过程控制用的设备即闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器预先连在控制总线上，称为过程控制站。

这可以增加过程控制站能接收的I/O点数，又能节省接口。

然后再通过接口连到网络上，与人机界面相连。

随着计算机计术的发展，控制器的运算能力不断增强，如PC机做的一个控制器能力很强，既可接收模拟量运算，也接收开关量逻辑运算。

一个控制器成为网络上的一个结点。

通过网络与人机界面相连。

控制器是DCS的核心部件，它相当于一台PC机。

有的DCS的控制器本身就是PC机。

它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，还有两个接口，一个向下接收I/O总线来的信号，另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连。

ROM用来存贮完成各种运算功能的控制算法（有的DCS称为功能块库）。

在库中存功能块，如控制算法PID、带死区PID，积分分离PID，算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、X-Y函数发生器、超前-滞后；比较先进的算法有史密斯预估，C语言接口、矩阵加、矩阵乘；逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。

通常用站功能块不仅把模拟量和开关量结合起来，还与人连系起来。

功能块越多，用户编写应用程序（即组态）越方便。

组态按照工艺要求，把功能块连接起来形成控制方案。

把控制方案存在E2PROM中。

因为E2PROM可以擦写，组态要随工艺改变而改变，所以把组态存在E2PROM中。

不同用户有不同组态。

组态时，用户从功能块库中选择要的功能块，填上参数，把功能块连接起来。

形成控制方案存到E2PROM中。

这时控制器在组态方式，投入运行后就成为运行方式。

控制器中安装有操作系统，功能块组态软件和通讯软件。

为了系统安全运行，闭环控制器一定是冗余运行的，一用一备，并且是热备。

为了使冗余成功，应注意以下几点：

两个控制器的硬件、软件版本必需一致；检查发送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。

两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。

八、PLC的起源

　　PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。

自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。

上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。

随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。

　　目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。

但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。

　　PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：

高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。

它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。

九、PLC的功能

　　1、数据采集与输出。

　　2、控制功能。

包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。

　　3、数据处理功能。

包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。

　　4、输入/输出接口调理功能。

具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。

       5、通信、联网功能。

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成"集中管理、分散控制"的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

　　6、支持人机界面功能。

提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。

　　7、编程、调试等，并且大部分支持在线编程。

十、PLC的主要特点

　　1、可靠性高。

PLC的MTBF一般在40000～50000h以上，有的在10~20万h，且均有完善的自诊断功能。

　　2、结构形式多样，模块化组合灵活。

有固定式适于小型系统或机床，组合式适于集控制系统。

最少的PLC只有6点，而AB的ControlLogix系统的容量达128000点。

　　3、功能强大。

　　4、编程方便。

控制具有极大灵活性。

　　5、适应工业环境。

适应高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境以及电磁干扰环境。

　　6、安装、维修简单

　　7、与DCS相比，价格低。

　　8、当前PLC产品紧跟现场总线的发展潮流。

PLC的通信包括PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其他智能设备间的通信。

PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成"集中管理、分散控制"的分布式控制系统，满足工厂自动化（FA）系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统。

　　目前各厂商都主推各自的总线标准，如西门子Profibus、A-BControlNet及DeviceNet、莫迪康Modbus等等。

但其构成的"集中管理、分散控制"分布式控制方式是十分类似的。

如ROCKWELL（A-B）推出了"全方位自动化"的理念，推荐三层网络结构，即1）设备层（DeviceNet为代表）；2）控制层（ControlNet为代表）；3）管理层（EtheNet）。

十一、PLC的发展

1、与DCS的差别

　　集散系统DCS从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能，满足快速大量数据处理要求。

硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

　　PLC是由继电器逻辑系统发展而来，主要用在离散制造、工序控制，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

PLC在自身发展同时，也在吸收DCS系统的优点。

PLC在过程控制的发展将是与现场总线技术结合，发展向下拓展功能，开放总线。

　　2、市场占有率

　　1987年世界PLC的销售额为25亿美元，此后每年以20%左右的速度递增。

进入90年代以来，世界PLC的年平均销售额在55亿美元以上，其中我国约占1%。

当前，PLC在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用PLC设计自动控制系统已成为世界潮流。