自动控制与自动控制系统

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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所示。

自动控制与自动控制系统
图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2所示。

自动控制与自动控制系统
图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。

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