《過程控制專業(yè)概論》陳祥光2010年9月2.1自動控制系統(tǒng)發(fā)展概述

自動化技術的發(fā)展歷史是一部人類以自己的聰明才智延伸和擴展的歷史﹐自動化是現(xiàn)代科學技術和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的結晶﹐也是信息科學發(fā)展的重要標志,它的發(fā)展充分體現(xiàn)了科學技術的綜合作用。

古代人類在長期生產(chǎn)和生活中﹐為了減輕自己的勞動強度﹐逐漸產(chǎn)生利用自然界動力代替人力、畜力﹐以及用自動裝置代替人的部分繁難的腦力活動的愿望﹐經(jīng)過漫長歲月的探索﹐他們互不相關地創(chuàng)造出一些原始的自動裝置。2.1自動控制系統(tǒng)發(fā)展概述

目前,自動控制技術幾乎滲透到國民經(jīng)濟的各個領域及社會生活的各個方面，如在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防建設、航空航天工程、家用電器等許多領域獲得了越來越廣泛的應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中,采用自動控制技術可以對壓力、溫度、流量、液位和成分等參數(shù)進行控制,使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化操作、提高勞動生產(chǎn)率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、降低能源和原材料消耗、改善操作人員勞動條件、保證安全生產(chǎn)、減少對環(huán)境的污染,從而取得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。2.1自動控制系統(tǒng)發(fā)展概述表1-1控制理論的發(fā)展及應用歷程簡表時間（年）控制理論發(fā)展的主要內(nèi)容1770瓦特(James.Watt)發(fā)明的蒸汽發(fā)動機離心式調(diào)速機構,標志著英國（也是世界）工業(yè)革命的開始。1868麥克斯戚爾（J.C.Maxwell）發(fā)表了“論調(diào)節(jié)器”一文,利用線性微分方程對離心式調(diào)速機構的動態(tài)性能進行了分析和研究。1895勞斯（Routh）和赫爾維茨（Hurwits），把這種思想擴展到高階微分方程描述的更為復雜的系統(tǒng)，他們獨立的發(fā)現(xiàn)了兩種著名的代數(shù)判據(jù)，以用于判斷由任意階線性定常微分方程所描述的系統(tǒng)穩(wěn)定性。1927伯德（H.W.Bode）分析了反饋放大器，提出了基于頻域分析（即Bode圖）的控制系統(tǒng)穩(wěn)定判劇，它能夠給出一個穩(wěn)定系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的程度的一種簡單度量方法。1932奈魁斯特（H.Nyquist）分析了系統(tǒng)開環(huán)頻率特性，提出一種判別系統(tǒng)穩(wěn)定與否的判據(jù)（即Nyquist圖），它能夠給出一個穩(wěn)定系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的程度的一種簡單度量方法。1942齊格勒（Ziegler）和尼科爾斯（Nichols）提出了控制器參數(shù)的最優(yōu)整定方法，并將該方法應用于生產(chǎn)過程。1946美國福特公司的機械工程師D.S.哈德最先提出“自動化”一詞，并用來描述發(fā)動機汽缸的自動傳送和加工的過程。2.1自動控制系統(tǒng)發(fā)展概述表1-1控制理論的發(fā)展及應用歷程簡表（續(xù)）1948伊文思（W.R.Evans）根據(jù)反饋系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出了由開環(huán)傳遞函數(shù)尋求閉環(huán)特征根（即閉環(huán)極點）的根軌跡法。1950-1959自動調(diào)節(jié)器和經(jīng)典控制理論的發(fā)展，使自動化進入以單變量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主的局部自動化階段。美國數(shù)學家卡爾曼（R．Kalman）提出了著名的卡爾曼濾波器。1960-1969卡爾曼提出系統(tǒng)的可控性和可觀測性問題，為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展奠基礎。隨現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)和電子計算機的推廣應用，自動控制與信息處理結合起來，使自動化進入到生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制與管理的綜合自動化階段。1970-1979針對大規(guī)模的自動化對象時變、復雜的工程和非工程系統(tǒng)，運用一般控制理論已難以解決的控制問題。開展這些問題的研究，促進了自動化的理論、控制技術的發(fā)展，于是出現(xiàn)了大系統(tǒng)控制、自適應控制、智能控制等。1980-現(xiàn)在單片微處理機的出現(xiàn)對控制技術產(chǎn)生了重大影響，使綜合自動化集成自動化成為現(xiàn)實。綜合利用計算機技術、通信技術、系統(tǒng)工程和人工智能控制技術等，研制成功的一體化集成系統(tǒng)有：如DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、智能機器人、協(xié)同控制系統(tǒng)等。

目前,在有些教科書中,把在第二次世界大戰(zhàn)前后形成的、以系統(tǒng)的傳遞函數(shù)作為數(shù)學模型,以頻率響應和根軌跡作為設計方法的控制理論,稱為經(jīng)典控制理論。而把在1960年前后形成的、以系統(tǒng)的狀態(tài)變量描述作為數(shù)學模型,以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波作為設計方法的控制理論,稱為現(xiàn)代控制理論。近年來,控制理論的應用范圍已經(jīng)擴展到生物、醫(yī)學、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其他許多領域,自動控制技術已經(jīng)成為現(xiàn)代化社會不可缺少的組成部分。隨著微處理器、單片機及微型計算機的應用和發(fā)展,大大促進了自動控制理論的發(fā)展進程。控制理論在與其他學科的互相滲透與促進之中必將導致新的發(fā)明和創(chuàng)造。2.1自動控制系統(tǒng)發(fā)展概述2.2自動控制系統(tǒng)的原理與組成（1）控制系統(tǒng)工作原理所謂自動控制,就是利用各類自動控制裝置和儀表(包括控制計算機)代替人的操作,使生產(chǎn)過程或機器設備自動地按預定的規(guī)律運行,或使它的某些參數(shù)（如溫度、壓力、流量、成分、電流、電壓、轉數(shù)等）按預定要求變化或在一定的精度范圍內(nèi)保持恒定，自動控制可以說是人工操作的模仿和發(fā)展。下圖所示為一個液槽液位系統(tǒng)的例子，在該系統(tǒng)中人起了控制器的作用。他希望使液槽的液位保持在給定值H上。為了測量液槽的實際液位，在液槽壁上安裝了一個可視液位計S。這就是一種基于人工的反饋控制系統(tǒng)(或叫做人工閉環(huán)控制系統(tǒng))。2.2自動控制系統(tǒng)的原理與組成2.2自動控制系統(tǒng)的原理與組成

如果用自動控制器來取代人工操作，如下圖所示，就變成自動控制系統(tǒng)，或叫反饋控制系統(tǒng)?！挂翰鄣妮敵隽髁堪l(fā)生相應變化,最后使實際的液位得到校正。

要實現(xiàn)對液槽液位的自動控制，至少必須有檢測元件和變送器、控制（調(diào)節(jié)）器、控制（調(diào)節(jié)）閥、液槽等四個部分，它們組成一個簡單的自動控制系統(tǒng)。流量、壓力、液位、成分等過程參數(shù)的控制系統(tǒng)同樣也是由這四部分組成。2.2自動控制系統(tǒng)的原理與組成2.3自動控制系統(tǒng)的基本術語

常規(guī)的自動控制系統(tǒng)是由被控對象、測量裝置、控制器以及執(zhí)行器組成，如下圖所示。下面說明控制系統(tǒng)中常用的一些術語。圖1-4自動控