自动控制基本概念

 
第一节  自动控制基本概念
   
 
  人类长久以来总是希望实现生产与生活的自动化。然而,直到18世纪自动控制系统在蒸汽机运行中得到成功应用以后,自动化技术时代才算真正开始。在20世纪后半叶得到了快速发展,特别是计算机技术的广泛应用,使得自动控制的应用更为普遍,人们正在追求更广泛领域和更高层次的自动化。下面我们通过几个工业生产和日常生活中常见的自动控制系统,说明自动控制的基本概念。

    一、生活环境中的自动控制系统

     今天,在人们的日常生活中几乎处处都可见到自动控制系统的存在。如各种温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯等。它们都在一定程度上代替或增强了人类身体器官的功能,提高了生活质量。但人们对日常生活环境自动化的追求是无止境的,新技术和新产品正不断涌现。

    1、空气调节器

空调是一个典型的温度控制系统。夏天,当室温高于用户所设定或期望的温度时,空调就启动制冷装置,使室内温度下降;当室温低于用户所设定或期望的温度时,空调就关闭制冷装置。冬天,当室内温度低于用户所设定或期望的温度时,空调就启动加热装置,使室内温度上升;当室温高于用户所设定或期望的温度时,空调就关闭加热装置。如此,使室温保持恒定。室温采用空气调节器进行控制时,温度变化曲线如图1-l所示。图中,26是人们所期望的室内温度,可通过调节空调上相应的按钮来设定。实际的室温,在进入稳态后,围绕期望温度,在一定范围内来回波动。实现这种温度调节功能的是空调中的温度控制系统。首先,它需要有一个温度计,用来测量室温;其次,需要一个控制器,判断室温是否高于或低于用户设定的温度;还需要一个切换开关和控制作用的实施装置,这里是加热、制冷装置;最后是被控制的装置或对象,即装了空调的房间。这就是一个完整的自动控制系统的四个基本组成部分。

 

    2、电冰箱
  电冰箱相当于一个“小房间”的温度控制系统,它主要是制冷装置,但有的也有加热装置,用于自动化霜。空调和电冰箱的设定温度一般不需要经常改变。

    3、电饭煲

电饭煲也是一个温度控制系统。高级电饭煲的设定温度可以按人工设定的程序自动变化。例如可将它的温度设定为如图1-2所示的曲线。

 

     电饭煲一切准备就绪后,启动,开始加热,达到约100℃后,进入恒温阶段,恒温阶段结束后进入保温段,保温段结束后,自动降温,整个温度控制周期完成。它是按照事先设定好的几个步骤来进行控制的,这是此类控制系统的一个重要特征。

    4、洗衣机

     现在的全自动洗衣机也是按照事先设定好的几个步骤进行工作的,但它的控制过程比较复杂,一个大周期中又包含了几个基本相同的小周期。完整的洗衣机控制系统还包括进水控制、出水控制、平衡控制等。

    5、其他

     应该说随着生活水平的提高,人们投入到自动化上的费用越来越多,自动化系统也日益随处可见,如电梯、自动门、自动路灯、自动洁具、保安系统等。

    二、工业生产中的自动控制系统

     现代工业按所加工的原材料可划分为两大类。一类是气体、液体和粉体,这是石油、化工、制药、轻工、食品、建材等行业的主要工况,主要控制温度、压力、物位、流量、成分等参数,这是本课程涉及的主要内容;另一类是对已成型材料的进一步加工或对多种已成型材料(各种元器件)的装配,主要控制位移、速度、角度等参数。

     早期的工业生产中,控制系统较少。随着生产装置的大型化、集中化和过程的连续化,自动控制系统越来越多,越来越重要。

    1、液位控制

     工业生产有很多贮罐和容器(如油罐、水箱、锅炉气包等)需要控制液位。

      

     图1.3是一个水槽的人工液位控制系统。假设工人可以看到液位的高低变化,那么,根据液位的高低变化,工人手动操作阀门,可以使槽中液位保持基本恒定。

     如果用一个浮球代替人的眼睛“观测”液位,用一个杠杆系统代替人的手臂和大脑,则可构成一个液位自动调节系统,如图l-4所示。其工作原理是:当液位受干扰上升时,浮球上升,杠杆 a端上升,b端下降,阀门的阀芯下降,使水槽的进水量Qi减少, Qi的减少使液位下降,最终达到一个稳定的平衡点,实现控制的目的。当液位受干扰下降时,调节过程相反,同样能使液位稳定在平衡点。

1-4已经是一个实用的液位控制系统,但当需要将液位信号传送到远方的控制室时,就需要改为电动式。用一个能送出电信号的液位测量仪表代替浮球,用一个电动调节器代替杠杆,阀门也换成可接受电信号的阀门,就构成了一个目前常见的液位控制系统。如图1-5所示,LT表示液位测量及信号变换装置,LC表示液位控制器,控制阀为执行器,化工厂常用的执行器是气动薄膜阀。

    

    2、温度控制

     工业生产中存在大量的加热炉,一般是通过控制燃料的量来保证被加热物料达到或保持在所需要的温度。换热器是常见的工业设备,它通过冷热流体的热量交换实现对冷流体加热的目的,控制手段通常是调节热流体的流量,如图1-6所示。图中,TT表示温度测量仪表,TC表示温度调节器。另外,化学反应器中化学反应的温度,也要求进行温度控制。
 3、速度、流量控制

    三、信息处理

     信息化时代最常用的也是最基本的工具就是计算机,而计算机本身就是一台进行信息处理的具有一定智能的复杂自动化设备。计算机一接通电源,它的各种内部程序就不停地进行工作,实施各种控制工作。键盘和鼠标相当于测量仪表,它时刻准备接受各种输入信息,一旦接受到信息,计算机就按照事先设定的各种控制功能进行信息处理,输出控制信号或显示控制结果。简单的如打印一份文稿、显示一个画面等。如果键盘和鼠标在设定的时间区间内没有接受到任何信号,则屏幕变暗,显示屏幕保护程序画面,直至又有信号从键盘和鼠标输入。又如查询,计算机从键盘接收到查询任务的信息/命令,就启动有关的程序,到数据库中找出用户所要的数据,再表达成用户所要求的形式,保存在某个区域,显示在屏幕上或打印在纸上。计算机就是由若干个类似的程序控制系统组合而成的复杂的自动化装置。

   四、生物系统

     生物个体特别是高级生物中存在着许多比计算机还要复杂得多的综合智能自动化系统。以人为例,人体的体温就被比较精确地控制在37℃左右,人体运动时保持平衡,可以认为人体的所有活动都存在着相应的自动控制系统。人类目前对生物控制机理的了解还很有限,能够施加的影响更少。但这是一个很有前景的领域,目前医学上已经有一些自动控制应用的实例。

     生物群体内部和群体之间的许多关系也可以用控制理论加以描述和施加控制。

    五、社会经济系统

     这方面的应用很多,但有许多工作由非自动化专业人员在进行。就像工业界的早期,控制很少,就由各类工艺和机械类专业人员附带而为,等到这方面的工作越来越多,越来越重要,才分化出自动化专业。尽管如此,在许多国家,自动控制仍由各类工艺专业、电子电气专业和机械类专业人员附带进行。

     经济系统中的物价控制,就有许多调节手段,如印发钞票量的增减、货物供应的增减、工资的增减、基建的增减、税率的调整、银行利率的调整等,其控制过程与工业过程控制运用的是基本类似的理论和方法。当然,每一种类型的控制系统都有其自身的特点。社会经济控制系统最鲜明的特点就是被控制系统中包含了人这个高级生物,由此带来许多复杂性和特殊性。

证券市场、人口控制、环境保护等都是便于运用控制理论来加以分析和控制的领域。

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2. 绪论.pps
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日期: 2011/11/9 21:33:27
作者: 史继斌
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