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控制系統

2015-08-06 09:58:59??????點擊:

控制系統
    控制系統意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構或其他設備內任何感興趣或可變的量??刂葡到y同時是為了使被控制對象達到預定的理想狀態而實施的??刂葡到y使被控制對象趨于某種需要的穩定狀態。
例如,假設有一個汽車的驅動系統,汽車的速度是其加速器位置的函數。通過控制加速器踏板的壓力可以保持所希望的速度(或可以達到所希望的速度變化)。這個汽車驅動系統(加速器、汽化器和發動機車輛)便組成一個控制系統。

   分類
     控制系統有幾種分類方法
    1)按控制原理的不同,自動控制系統分為開環控制系統和閉環控制系統。
    開環控制系統
    在開環控制系統中,系統輸出只受輸入的控制,控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環控制系統中,基于按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統;由順序控制裝置、檢測元件、執行機構和被控工業對象所組成。主要應用于機械、化工、物料裝卸運輸等過程的控制以及機械手和生產自動線。
閉環控制系統
    閉環控制系統是建立在反饋原理基礎之上的,利用輸出量同期望值的偏差對系統進行控制,可獲得比較好的控制性能。閉環控制系統又稱反饋控制系統。
    2)按給定信號分類,自動控制系統可分為恒值控制系統、隨動控制系統和程序控制系統。
    恒值控制系統
    給定值不變,要求系統輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統。如生產過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統屬于恒值系統。
    隨動控制系統
    給定值按未知時間函數變化,要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛星的雷達天線系統。
    控制系統控制系統
    程序控制系統
    給定值按一定時間函數變化。如程控機床。
    3)工作原理
    檢測輸出量(被控制量)的實際值;將輸出量的實際值與給定值(輸入量)進行比較得出偏差;
    用偏差值產生控制調節作用去消除偏差,使得輸出量維持期望的輸出。
    4)性能要求
    為了實現自動控制的基本任務,必須對系統在控制過程中表現出來的行為提出要求。對控制系統的基本要求,通常是通過系統對特定輸入信號的響應來滿足的。例如,用單位階躍信號的過渡過程及穩態的一些特征值來表示。在確保穩定性的前提下,要求系統的動態性能和穩態性能好,即:
    動態過程平穩(穩定性)
    響應動作要快(快速性)
    跟蹤值要準確(準確性)
    5)應用領域
    工業方面控制系統已被廣泛應用于人類社會的各個領域。
    工業鍋爐控制系統工業鍋爐控制系統
    在工業方面,對于冶金、化工、機械制造等生產過程中遇到的各種物理量,包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等,都有相應的控制系統。在此基礎上通過采用數字計算機還建立起了控制性能更好和自動化程度更高的數字控制系統,以及具有控制與管理雙重功能的過程控制系統。在農業方面的應用包括水位自動控制系統、農業機械的自動操作系統等。

    軍事技術

    自動控制的應用實例有各種類型的伺服系統、火力控制系統、制導與控制系統等。在航天、航空和航海方面,除了各種形式的控制系統外,應用的領域還包括導航系統、遙控系統和各種仿真器。

    6)其他編

    在辦公室自動化、圖書管理 、交通管理乃至日常家務方面,自動控制技術也都有著實際的應用。隨著控制理論和控制技術的發展,自動控制系統的應用領域還在不斷擴大,幾乎涉及生物、醫學、生態、經濟、社會等所有領域。

    7)集散控

    發展歷程

    控制系統其實從20世紀40年代就開始使用了,早期的現場基地式儀表和后期的繼電器構成了控制系統的前身。以PLC和DCS為代表,從70年開始應用以來,在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業過程控制中獲得迅猛的發展。從90年開始,陸續出現了現場總線控制系統、基于PC的控制系統等,將簡要介紹各種常見的控制系統,并分析控制系統的演進過程和發展方向。
    70年代中期,由于設備大型化、工藝流程連續性要求高、要控制的工藝參數增多,而且條件苛刻,要求顯示操作集中等,使已經普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下,業內廠商經過市場調查,確定開發的DCS產品應以模擬量反饋控制為主,輔以開關量的順序控制和模擬量開關量混合型的批量控制,它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業。
    1975年前后,在原來采用中小規模集成電路而形成的直接數字控制器(DDC)的自控和計算機技術的基礎上,開發出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(DCS)。由于當時計算機并不普及,所以開發DCS應強調用戶可以不懂計算機就能使用DCS;同時,開發DCS還應強調向用戶提供整個系統。此外,開發的DCS應做到與中控室的常規儀表具有相同的技術條件,以保證可靠性、安全性。
    在以后的近30年間,DCS先與成套設備配套,而后逐步擴大到工藝裝置改造上,與此同時,也分成大型DCS和中小型DCS兩類產品,使其性能價格比更具有競爭力。DCS產品雖然在原理上并沒有多少突破,但由于技術的進步、外界環境變化和需求的改變,共出現了三代DCS產品。1975年至80年代前期為一代產品,80年代中期至90年代前期為二代產品,90年代中期至21世紀初為三代產品。
控制站
    DCS系統中,控制站作為一個完整的計算機,它的主要I/O設備為現場的輸入、輸出處理設備,以及過程輸入/輸出(PI/O),包括信號變換與信號調理,A/D、D/A轉換??刂普臼钦麄€DCS的基礎,它的可靠性和安全性尤為重要,死機和控制失靈的現象是肯定不允許的,而且冗余、掉電保護、抗干擾、構成防爆系統等方面都應很有效而可靠,才能滿足用戶要求。
關于DCS控制站的系統軟件,包括實時操作系統、編程語言及編譯系統、數據庫系統、自診斷系統等,只是完善程度不同而已。二代DCS控制站開始有面向過程語言和高級語言;三代DCS控制站的系統軟件可以完成離線組態及在線修改控制策略。為了完成控制策略,對于順序控制和批量控制組態編程,各種DCS控制站采用不同的方法。
   DCS操作站
    DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等,其中工程師功能中包括系統組態、系統維護、系統通用(Utility)功能,還有系統配置、操作標記、趨勢記錄、歷史數據管理、總貌畫面組態、控制站組態、工藝單元或區域組態等。
實際的DCS操作站是典型的計算機,它與控制站不同,有著豐富的外圍設備和人機界面。在人機界面方面,逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標,組態時制作流程圖和控制回路圖等采用菜單、窗口等,使人機界面友好。三代DCS操作站是在個人計算機(PC)及Windows操作系統普及和通用監控圖形軟件已商品化的基礎上誕生的。DDE或OPC接口技術,以太網接口與管理網絡相連。DCS系統組態、操作站組態、控制站組態均有相應軟件,為DCS用戶的工程設計人員提供人機界面。有的DCS的采用通用監控圖形軟件,或以此類軟件為核心,進行二次開發。
    控制系統控制系統[3]
    數據通信及網絡
    因為數據通信標準牽涉到網絡結構、通信介質(信道)、通信協議、IEEE802.4令牌總線傳輸方式和IEEE802.5令牌環網傳輸方式的通信協議在DCS系統中應用更廣,是否能夠成為今后DCS的通訊標準,還有待觀察。

    8發展問題 

    DCS所存在的問題,主要集中在3個方面:

  1、即系統開放性問題;

  2、與現場傳感器、變送器、執行器的接線問題;
  3、價格較貴問題[1]。
  這些問題在三代DCS中已開始得到解決。在21世紀,新一代的DCS應滿足用戶這方面的需求。
  在DCS應用行業分布上,如對DCS產品進行改造,是可以保持其在這些行業中的地位的。
    9編程控制
    PLC的誕生和發展
    1968年,通用汽車公司的油壓部門確立了第一個可編程控制器的標準,他們的目的是消除既復雜又昂貴的繼電器控制系統。該設計規格需 要固態系統和電腦技術,并要求能夠在工業環境中生存,也能夠方便地編程,并且可以重復使用。到1969年,第一個PLC誕生。當時稱為可編程控制器,英文是Programmable Controller,縮寫為PC。由于一代PLC是為了取代繼電器的,因此,采用了梯形圖語言作為編程方式,形成了工廠的編程標準。這些早期的控制器滿足了最初的要求,并且打開了新的控制技術的發展的大門。在很短的時間,PLC就迅速擴展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業。
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