工程训练(控制技术训练)教概要

工程训练（控制技术训练）教 案 序：控制技术其实离我们每个人并不远。如果在生活中仔细观察，就 会发现控制技术就在我们身边。例如，教学楼里的自动门；生活中使 用的电饭锅，空调等。正是有了控制技术，我们的学习，工作，生活 才会更加方便、舒适。由于控制技术在各行各业都有非常广泛的应用， 所以同学们应该了解，认识和掌握有关控制技术的一些基本知识。

一． 基础知识（2学时） 讲授要点：1、关于控制的基本概念 2、单回路控制系统的基本组成及工作原理 3、过程控制的发展概况及工程设计初步知识 4、物流的基本知识及现代生产物流的特点 1.1基本概念 控制 自动控制 过程控制 “控制”是一个具有广泛意义的概念，当指人——机关系时，指 的是人对于机器或设备的控制。为使某一机器，设备或过程处于希望 的状态而对其进行的操作，称为控制。在人直接参与下完成的控制，称为人工控制；在没有人直接参与的情况下，使受控对象自动按照预定的规律运行并达到预期的状态或性能要求 , 这就是自动控制。 进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人 的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制技术是自动化技术 的重要组成部分，过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、 纺织、建材、原子能等工业部门生产过程的自动化。在现代工业生产 过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提 高经济效益和社会效益。提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、 保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。 1.2 自动控制理论概述 自动控制理论是研究各种自动控制过程共同规律的技术科学。 它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节理论，随着科学 技术的进步，现已发展为一门独立的学科———控制论，包括工 程控制论、生物控制论、经济控制论和社会控制论。工程控制论 是控制论最成熟的分支，主要研究工程领域自动控制系统中的信 息分析、变换、传送的一般理论与设计应用。自动控制理论是工程控制论的一个分支，它只研究自动控制系统分析和设计的一般理论。根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制理论相应地分为“经典控制理论”和“现代控制理论”两大部分。 经典控制理论是20世纪50年代未期所形成的理论体系,它主要是研究单输入-单输出线性定常系统的分析和设计问题，其理论基础是描述系统输入---输出关系的传递函数，主要采用复频域分析方法。 现代控制理论是在20世纪60年代初期，为适应宇航技术发展的需要而出现的新的控制理论，适用于研究具有高性能、高精度的多输入-多输出、线性或非线性、定常或时变系统的分析和设计问，题如最 重点： 优控制、最优滤波、自适应控制等。描述系统的方法是基于系统状态这一内部特征量的状态空间法，本质上是一种时域方法。 经典控制理论和现代控制理论构成了全部的控制理论。

1.3控制系统的反馈工作原理 自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的 系统。在各种生产过程以及生产设备中，常常需要使某些物理量如温 度、压力、位置、转速等保持恒定，或者让它按照一定的规律变化， 要满足这一条件，就应该对生产过程或设备进行及时的控制和调整，以抵消外界的干扰和影响，那么控制系统是怎样实现对这些物理量自动控制的呢？ 在自动控制系统中，首先是要①检测偏差。②利用检测到的偏差去纠正偏差，这一偏差就是通过反馈建立起来的，系统给定的量又称为控制系统的输入量，被控制量又称为控制系统的输出量。 反馈就是指输出量通过适当的测量装置将信号返回到输入端，使之与输入量进行比较的意思。比较的结果称为偏差。控制系统就是根据这一偏差信号的大小和方向进行工作，使偏差减小或消除从而使输出量和输入量保持一致。 在工业上，，根据控制系统有无反馈作用，又可分为两类：一是开环控制系统，另一是闭环控制系统。 开环控制和闭环控制是自动控制的两种最基本的控制方式。开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。因此，开环控制系统的输出信号不对系统的控制作用发生 影响。 例如：采用电加热器在冬天来控制房间的温度。房间是被控对象， 房间的温度是要求实现自动控制的物理量，称为被控制量。电加热器 起控制作用，称为控制装置。 由于开环控制的特点是控制装置只按照给定的输入量对被控对 象进行单向控制，而不对被控制量进行测量并反向影响控制作用，因 而当室温偏离希望值时，电加热器的加热时间不会相应地改变，开 环控制系统不具有修正由于扰动而出现的被控制量与希望值之间误 差的能力。 闭环控制的特点是在控制器和被控对象之间，不仅存在着正向作 用，而且存在着反馈作用，即系统的输出信号对被控制量有直接影 响。将检测出来的输出信号送回系统的输入端，并与输入信号比较 的过程称为反馈。 重点： 例如：自动电加热器,电阻丝加热与停止是受控制的, 当室温高于设 定值时,电阻丝停止加热;当室温低于设定值时,电阻丝开始加热。 开环控制与闭环控制的比较：一般来说，开环控制结构简单、成本低廉、工作稳定。因此，当系统的输入信号及扰动作用能预先知道且要求不高时，可以采用开环控制。但由于开环控制不能自动修正被控制量的偏离，所以系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度的影响较大；闭环控制具有自动修正被控制量出现偏离的能力，因此可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，其控制精度较高。但是，正是由于反馈的存在。闭环控制也有其不足之处，这就是被控制量可能出现振荡，严重时会使系统无法工作。 1．4评价控制系统的基本指标 稳定性、快速性、准确性是评价系统的基本指标。 稳定性是控制系统能够正常工作的前提条件，也是最重要的条件。稳定的物理意义；一个控制系统的输出量对应给定的输入量的偏离值应该随时间的增加逐渐趋近于零或者稳定 在某一个微小变化域内，该控制系统是稳定的。 系统响应的快速性是指当系统的输出量与给定的输入量之间产生误差时，系统消除这种误差的快慢速度。通常用系统的调节时间表示系统的响应快慢。调节时间表示系统的输出刚进入稳态值的变动范围内，暂态过程结束，系统进入稳态响应过程的开始时间。 准确性是指系统的过渡过程结束后的输出量与给定的输入量的偏差值，又称作稳态精度。 1．5过程控制的特点： 一、 连续生产过程的自动控制 二、 过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。 三、 被控过程是多种多样、非电量的 四、 过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制 五、 过程控制方案十分丰富 六、 定值控制是过程控制的一种常用形式 1．6过程控制系统的组成 过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被 控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度和PH等 这样一些过程变量的系统。

重点： 1.7过程控制的发展概况 在20世纪40年代前后，工业生产非常落后，生产过程靠人工，劳动生产率很低。 50年代前后，生产过程实现了仪表化和局部自动化。基地式仪表和部分单元组合式仪表（多数是气动仪表）；主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题。 自60年代来，电子技术的迅速发展，为自动化技术工具的完善创造了条件，相继开发和应用了各种复杂的过程控制系统，诸如串级控制、比值控制和均匀控制。 70年代以来，随着大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世，使计算机的可靠性大大提高，而性能价格比又大大提高，尤其是工业控制机采用了冗余技术和软件的自诊断措施，使其满足了工业控制的应用要求。过程控制发展到现代过程控制的新阶段——计算机时代。（DCS集散控制系统） 80年代以后，现代控制理论从本质上解决了一般多变量系统的控制问题，包括线性系统、时变系统、非线性系统、微分—差分系统等，从而大大促进了过程控制发展。 目前，世界各工业发达国家，正集中全力进行工厂综合自动化技术的研究。所谓综合自动化，就是在自动化技术、信息技术、计算机控制和各种生产加工技术的基础上，从生产过程的全局出发，通过生产活动所需的各种信息的集成，把控制、优化、调节、管理、经营、决策融为一体，形成一个能适应各种生产环境和市场需求、多变性的、总体最优的高质量、高效益、高柔性的管理生产系统。（CIMS无人工厂） 当前过程控制系统发展的一些主要特点： 生产装置实施先进控制成为发展主流；过程优化受到普遍关注；传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统；综合自动化（CIPS）的发展方向。 1．8简单过程控制系统工程设计概述 工业生产过程尤其是现代大工业生产过程如石油、化工、冶金等都是复杂的过程，往往由许多子过程甚至子子过程串，并联组成，生产工艺要求亦千变万化。从控制的角度，这些子过程可分为单输入单输出和多输入多输出两大类。 单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般是指针对一个被控过程（调节对象），采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制（调节）器来保持一个被控参数恒定（或在很小范围内变化），其输出也只控制一个执行机构（调节阀）。 单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，约占目前工业控制系统80%以上。单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂系统分析、设计的基础。 过程控制系统的设计步骤 1．建立被控过程的数学模型 2．选择控制方案 3．控制设备选型 4．实验和仿真 1.9物流的概念及内涵 物流是从第二次世界大战期间军事后勤工作的概念演变过来的.传统物流是指货物（包括原材料，半成品，制成品）及物品（包括邮品，展品，捐赠物资等）在不同地点的流动和转移。现代物流是相对于传统物流而言的。它是在传统物流的基础上，引入高科技手段，通过计算机进行信息联网，并对物流信息进行科学管理，从而加快物流速度，提高准确率，减少库存，降低成本，延伸并扩大了传统的物流功能。迄今为止，世界各国对现代物流尚无统一的，完整的定义。我国六部委（即国家经贸委，铁道部，交通部，信息产业部，外经贸部和民航总局）于2001年3月在《关于加快我国现代物流发展的若干意见》中，对现代物流的定义是这样表述的：“原材料、产成品从起点到终点及相关信息有效流动的全过程。它将运输、仓储装卸、加工整理、配送、信息等方面有机结合，形成完整的供应链，为用户提供多功能、一体化的综合性服务。随着新世纪的到来,知识经济的发展,社会对物流服务的要求越来越高,人们对物流也越来越重视。早在1980年的全美物资讨论会上，研究者们就指出，在产品生产的流通的过程中，只有5%的时间用于加工和制造，剩余95%的时间都用于储存，装卸，等待加工和输送。而储存，运输所支付的费用占生产成本的40%。由此可见，改善物流结构，提高物流效率，降低物流成本，将对减少产品开发周期，缩短交货期，提高服务质量有着重要的意义。 尽管现在对物流的解释不一，但就现代物流的实质而言，它应包括以下四个主要方面： （1） 实质流动（指原材料半成品及产成品的运输） （2） 实质存储（指原材料半成品及产成品的的存储） （3） 信息流通（指相关信息的联网） （4） 管理协调（指对物流活动进行计划、实施和有效控制的过程）