自動化技術(shù)概論-自動控制發(fā)展-控制技術(shù)篇課件

第二講自動控制技術(shù)第二講自動控制技術(shù)1

想法（目標(biāo)）要有辦法來實現(xiàn)。想法（目標(biāo)）要有辦法來實現(xiàn)。2自動控制的兩個組成部分自動控制理論是分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的工具和基礎(chǔ)，相當(dāng)于“軟件”；自動控制技術(shù)則著重在控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方面自動控制自動控制理論自動控制技術(shù)自動控制的兩個組成部分自動控制理論是分析和設(shè)計3一、開環(huán)控制系統(tǒng)（最簡單的控制方式）控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系。特點：1）系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響；2）每一個參考輸入對應(yīng)于相應(yīng)的固定工作狀態(tài)。缺點：若系統(tǒng)存在較大干擾，則很難完成既定的控制任務(wù)適用范圍：1）輸入輸出關(guān)系已知；2）控制精度要求不高；3）干擾影響不大。2.1基本控制方案一、開環(huán)控制系統(tǒng)（最簡單的控制方式）2.1基本控制方案4二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)）（最基本的控制方式，應(yīng)用最廣泛的控制方式）控制裝置與被控對象之間不僅存在順向（正向）作用，還存在反饋作用。特點：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用有直接影響；優(yōu)點：不管什么擾動引起被控參數(shù)變化，都會產(chǎn)生控制作用去消除偏差；二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)）5

三、擾動補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”在擾動影響被控量之前補(bǔ)償其作用。三、擾動補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”在擾動影響被控量之前補(bǔ)6四、復(fù)合控制

復(fù)合控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償控制(前饋控制)能及時地抵消可測擾動量對被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應(yīng)用的控制形式。四、復(fù)合控制72.2自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應(yīng)用技術(shù)所能達(dá)到的水平；早期的自動控制只能依靠簡單的機(jī)械裝置、氣動機(jī)構(gòu)、液壓傳動裝置等；隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；2.2自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應(yīng)用技81、機(jī)械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調(diào)速器；希臘人發(fā)明的廟門自動開啟裝置，等。2、作為自動化儀表的控制裝置，最早出現(xiàn)與20世紀(jì)30年代，主要用于化工、石油、熱能動力和冶金，當(dāng)時稱為熱工儀表，工作方式為機(jī)械式或液動式，體積比較大，只能實現(xiàn)就地顯示、記錄和簡單的控制。又被稱為基地式儀表，功能限于單回路控制。1、機(jī)械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調(diào)速器；希臘人發(fā)明的廟門自動93、單元組合式儀表根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和不同使用要求，將儀表做成能實現(xiàn)一定功能的獨立儀表（稱為單元），各個儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)系。單元組合儀表克服了基地式儀表結(jié)構(gòu)不夠靈活的缺點。將各種單元進(jìn)行不同的組合，可以靈活第構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場合需要的自動檢測或控制系統(tǒng)。氣動單元組合儀表（QDZ），電動單元組合儀表（DDZ），都經(jīng)歷了I型，II型，和III型三個發(fā)展階段。3、單元組合式儀表10變送單元：將各種物理量變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號；轉(zhuǎn)換單元：電-氣轉(zhuǎn)換，氣-電轉(zhuǎn)換，等；控制單元：測量信號與給定信號比較，產(chǎn)生控制信號；運算單元：將幾個標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行算術(shù)運算；顯示單元：指示、記錄、報警、累計；給定單元：產(chǎn)生給定值；執(zhí)行單元：按控制器輸出的控制信號去改變控制量大?。惠o助單元：增設(shè)的功能，如手動-自動切換。變送單元：將各種物理量變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號；11（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動儀表，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，特別對石油化工等易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)場，具有本質(zhì)性的安全防爆性能。尤其是統(tǒng)一了壓力信號，有遠(yuǎn)程發(fā)送儀器可以遠(yuǎn)傳，如此能在控制室讀數(shù)，可以實現(xiàn)在控制室進(jìn)行檢測、記錄和控制。（2）50年代出現(xiàn)了電動式組合儀表。傳輸速度快。（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動儀表，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單12上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來很困難；計算機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了自動控制的實現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計算機(jī)里只是一組程序（稱為“控制算法”），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復(fù)雜，都一樣可以實現(xiàn)，因此計算機(jī)在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及；常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號處理器等。上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制13單片機(jī)單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，在計算機(jī)家族里體積最小、價格最便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車?yán)锍３Ｓ袔资畟€單片機(jī)在工作。單片機(jī)單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口14工業(yè)控制計算機(jī)工控機(jī)類似普通微機(jī)，但提高了工作的可靠性，配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口，并特別加強(qiáng)了針對工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。工業(yè)控制計算機(jī)工控機(jī)類似普通微機(jī)，但提高了工作的可靠性15可編程邏輯控制器

（ProgrammableLogicController，簡稱“PLC”）

PLC包含了邏輯運算、順序控制、算術(shù)運算及定時和計數(shù)等功能，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的，早期主要用于邏輯及順序控制，以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，后來又增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能，并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能，應(yīng)用范圍越來越廣?？删幊踢壿嬁刂破?/p>

（ProgrammableLogic16數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProcessor，簡稱“DSP”）

DSP的計算和處理功能相當(dāng)強(qiáng)大，早期主要用于信號處理領(lǐng)域，價格也較昂貴，但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProce17計算機(jī)控制方式的演變

第一階段：集中控制用一臺計算機(jī)同時控制多臺機(jī)器或設(shè)備，輪流采集反饋信息，計算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺機(jī)器或設(shè)備，屬于“分時控制”，主要缺點是可靠性差。計算機(jī)受控設(shè)備1受控設(shè)備2受控設(shè)備N…反饋信號反饋信號控制信號控制信號計算機(jī)控制方式的演變第一階段：集中控制計算機(jī)受控設(shè)備118第二階段：單機(jī)控制一臺計算機(jī)只控制一臺機(jī)器或設(shè)備，主要優(yōu)點是控制風(fēng)險小。這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調(diào)、電飯煲的控制等。計算機(jī)受控設(shè)備反饋信號控制信號第二階段：單機(jī)控制計算機(jī)受控設(shè)備反饋信號控制信號19第三階段：分散控制對于多臺相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器或設(shè)備，每臺機(jī)器或設(shè)備都單獨用一個數(shù)控裝置來控制（單機(jī)控制方式），但與上層的協(xié)調(diào)和管理計算機(jī)有信息交互，屬于網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。

典型例子有：

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）集散控制系統(tǒng)DCS

（DistributedControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

（FieldbusControlSystem）第三階段：分散控制20一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)21現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化一個生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時采用了好幾種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，并與管理系統(tǒng)連為一體，實現(xiàn)無縫銜接?，F(xiàn)代生產(chǎn)自動化系統(tǒng)通常具有三層結(jié)構(gòu)：

例如，最底層是基礎(chǔ)自動化層，以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表；第二層是生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層，以MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表；最高層是生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表?，F(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化一個生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時采用了22基礎(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測裝置、實時數(shù)據(jù)庫等；運行優(yōu)化層主要包括建模、計劃與調(diào)度、實時優(yōu)化、故障診斷與維護(hù)、質(zhì)量控制、成本控制等；經(jīng)營優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等；這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線成本的預(yù)測、控制和反饋校正，還可以實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調(diào)度?；A(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測裝置、實23生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖242.3最基本的控制算法

——PID控制2.3最基本的控制算法

25反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輸出控制器受控對象檢測裝置給定輸入－反饋信號控制量誤差執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輸出控制器受控對象檢測裝置給定－反饋信號控26什么是PID控制?PID:Proportional-Integrel-Derivative

（比例-積分-微分）PID控制的原理及結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；PID控制的歷史悠久，產(chǎn)生于20世紀(jì)初，先后有機(jī)械式、液動式、氣動式、電子式等；PID控制的適應(yīng)面廣，生命力強(qiáng)，至今仍為工程應(yīng)用的主流（＞80％）。什么是PID控制?PID:Proportional-In27PID控制的結(jié)構(gòu)比例作用誤差e積分作用微分作用控制量u比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進(jìn)行不同組合，如P控制、PI控制、PD控制、PID控制。PID控制的結(jié)構(gòu)比例作用誤差e積分作用微分作用控制量u比28例：水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輸入：進(jìn)水口的熱水流量與冷水流量之比受控變量：出水口的水溫控制目標(biāo)：保持出水溫度基本恒定各種擾動：進(jìn)水口水溫和水壓的波動、環(huán)境溫度變化、用戶的用水量變化等熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥例：水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輸入：進(jìn)水口的熱水流量與冷水流量之比熱水29水溫反饋控制系統(tǒng)總的控制思路：若水溫偏低，則增大控制輸入，即增大熱/冷水流量的比值；反之，若水溫偏高，則減小控制輸入。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫水溫反饋控制系統(tǒng)總的控制思路：若水溫偏低，則增30水溫調(diào)節(jié)的比例控制作用若水溫偏低，則水溫低得越多，就使控制輸入增大得越多；反之，若水溫偏高，則水溫高得越多，就使控制輸入減小得越多。即控制量的大小大致與偏差成比例。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測比例控制期望水溫水溫調(diào)節(jié)的比例控制作用若水溫偏低，則水溫低得越31比例控制的特點比例控制的結(jié)構(gòu)最簡單，只有一個比例系數(shù)，可以使輸出在有擾動的情況下基本恒定。比例系數(shù)的設(shè)置應(yīng)適當(dāng)，過小會調(diào)節(jié)作用太弱，系統(tǒng)變化過于緩慢，并產(chǎn)生較大誤差；過大就會調(diào)節(jié)過頭，偏差的一點點變化會對應(yīng)產(chǎn)生很大的控制作用，容易引起系統(tǒng)輸出上下波動，即發(fā)生振蕩。比例系數(shù)的確定是在響應(yīng)的快速性與平穩(wěn)性之間進(jìn)行折衷。比例調(diào)節(jié)基于偏差，不可能完全消除偏差。比例控制的特點比例控制的結(jié)構(gòu)最簡單，只有一個比例系數(shù)，可以使32水溫調(diào)節(jié)的積分控制作用若水溫低于期望值，則將輸入增大一些，如果還沒有達(dá)到，就再增大一些，這樣一點一點地調(diào)節(jié)，直到水溫合適為止；控制輸入包含對偏差的積分，即偏差在時間上的累積，可以最終消除偏差。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫水溫調(diào)節(jié)的積分控制作用若水溫低于期望值，則將輸入33積分控制的特點只要偏差不為零，偏差就不斷累積，從而使控制量不斷增大或減小，直到偏差為零為止。積分作用一般和比例作用配合組成PI調(diào)節(jié)器，并不單獨使用，原因是積分控制作用比較緩慢。

例如，水溫很低，也就是偏差很大，本應(yīng)該大幅度增大輸入量，使水溫盡快上升，但若只有積分控制，則輸入量只能逐漸增大，水溫上升緩慢；而比例作用則是誤差越大，控制作用越強(qiáng)。比例控制是最基本的、不可缺少的控制作用，積分控制只是配合比例控制起作用。積分控制的特點只要偏差不為零，偏差就不斷累積，從而使控制量不34水溫調(diào)節(jié)的微分控制作用若擾動使水溫開始升高，則應(yīng)降低熱/冷水比值，且升溫速度越快，降低越多；反之若水溫要降低，則應(yīng)增大熱/冷水比值，且降低速度越快，增大越多。即控制作用與水溫的變化率成正比。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫水溫調(diào)節(jié)的微分控制作用若擾動使水溫開始升高，則應(yīng)35微分控制的特點微分控制是基于偏差的變化率，水溫還沒有變，剛有變化的趨勢，調(diào)節(jié)作用就開始了，所以微分控制具有“超前”或“預(yù)測”的性質(zhì)，可以及時地抑制水溫的變化。微分控制只在系統(tǒng)的動態(tài)過程中起作用，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后微分作用對控制量沒有影響，所以不能單獨使用，一般是和比例、積分作用一起構(gòu)成PD或PID調(diào)節(jié)器。微分會放大高頻噪聲信號，且頻率越高，放大得越厲害，因此通常要配置一個能夠過濾掉高頻信號的低通濾波器。微分控制的特點微分控制是基于偏差的變化率，水溫還沒有變，剛有36PID控制的優(yōu)、缺點PID控制簡單實用，工作原理簡單，物理意義清楚，一線的工程師很容易理解和接受。PID控制的設(shè)計和調(diào)節(jié)參數(shù)少，且調(diào)整方針明確。PID控制是一種通用控制方式，廣泛應(yīng)用于各種場合，且不斷改進(jìn)和完善，如偏差小到一定程度才投入積分作用的“積分分離”控制、能自動計算控制參數(shù)的參數(shù)自整定PID控制、能隨時根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù)的自適應(yīng)或智能型PID控制等。PID控制是以簡單的控制結(jié)構(gòu)來獲得相對滿意的控制性能，控制效果有限，且對時變、大時滯、多變量系統(tǒng)等常常無能為力。PID控制的優(yōu)、缺點PID控制簡單實用，工作原理簡單，物理37第二講自動控制技術(shù)第二講自動控制技術(shù)38

想法（目標(biāo)）要有辦法來實現(xiàn)。想法（目標(biāo)）要有辦法來實現(xiàn)。39自動控制的兩個組成部分自動控制理論是分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)的工具和基礎(chǔ)，相當(dāng)于“軟件”；自動控制技術(shù)則著重在控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方面自動控制自動控制理論自動控制技術(shù)自動控制的兩個組成部分自動控制理論是分析和設(shè)計40一、開環(huán)控制系統(tǒng)（最簡單的控制方式）控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯(lián)系。特點：1）系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響；2）每一個參考輸入對應(yīng)于相應(yīng)的固定工作狀態(tài)。缺點：若系統(tǒng)存在較大干擾，則很難完成既定的控制任務(wù)適用范圍：1）輸入輸出關(guān)系已知；2）控制精度要求不高；3）干擾影響不大。2.1基本控制方案一、開環(huán)控制系統(tǒng)（最簡單的控制方式）2.1基本控制方案41二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)）（最基本的控制方式，應(yīng)用最廣泛的控制方式）控制裝置與被控對象之間不僅存在順向（正向）作用，還存在反饋作用。特點：系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制作用有直接影響；優(yōu)點：不管什么擾動引起被控參數(shù)變化，都會產(chǎn)生控制作用去消除偏差；二、閉環(huán)控制系統(tǒng)（反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)）42

三、擾動補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”在擾動影響被控量之前補(bǔ)償其作用。三、擾動補(bǔ)償控制，也稱為“前饋控制”在擾動影響被控量之前補(bǔ)43四、復(fù)合控制

復(fù)合控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償控制(前饋控制)能及時地抵消可測擾動量對被控量的不利影響，而反饋控制能保證系統(tǒng)的高精度。這是一種得到廣泛應(yīng)用的控制形式。四、復(fù)合控制442.2自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應(yīng)用技術(shù)所能達(dá)到的水平；早期的自動控制只能依靠簡單的機(jī)械裝置、氣動機(jī)構(gòu)、液壓傳動裝置等；隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；2.2自動控制技術(shù)自動控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個階段應(yīng)用技451、機(jī)械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調(diào)速器；希臘人發(fā)明的廟門自動開啟裝置，等。2、作為自動化儀表的控制裝置，最早出現(xiàn)與20世紀(jì)30年代，主要用于化工、石油、熱能動力和冶金，當(dāng)時稱為熱工儀表，工作方式為機(jī)械式或液動式，體積比較大，只能實現(xiàn)就地顯示、記錄和簡單的控制。又被稱為基地式儀表，功能限于單回路控制。1、機(jī)械控制裝置：瓦特發(fā)明的飛球調(diào)速器；希臘人發(fā)明的廟門自動463、單元組合式儀表根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和不同使用要求，將儀表做成能實現(xiàn)一定功能的獨立儀表（稱為單元），各個儀表之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)系。單元組合儀表克服了基地式儀表結(jié)構(gòu)不夠靈活的缺點。將各種單元進(jìn)行不同的組合，可以靈活第構(gòu)成多種多樣、適用于各種不同場合需要的自動檢測或控制系統(tǒng)。氣動單元組合儀表（QDZ），電動單元組合儀表（DDZ），都經(jīng)歷了I型，II型，和III型三個發(fā)展階段。3、單元組合式儀表47變送單元：將各種物理量變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號；轉(zhuǎn)換單元：電-氣轉(zhuǎn)換，氣-電轉(zhuǎn)換，等；控制單元：測量信號與給定信號比較，產(chǎn)生控制信號；運算單元：將幾個標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行算術(shù)運算；顯示單元：指示、記錄、報警、累計；給定單元：產(chǎn)生給定值；執(zhí)行單元：按控制器輸出的控制信號去改變控制量大?。惠o助單元：增設(shè)的功能，如手動-自動切換。變送單元：將各種物理量變換成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號；48（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動儀表，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，特別對石油化工等易燃易爆的生產(chǎn)現(xiàn)場，具有本質(zhì)性的安全防爆性能。尤其是統(tǒng)一了壓力信號，有遠(yuǎn)程發(fā)送儀器可以遠(yuǎn)傳，如此能在控制室讀數(shù)，可以實現(xiàn)在控制室進(jìn)行檢測、記錄和控制。（2）50年代出現(xiàn)了電動式組合儀表。傳輸速度快。（1）30年代末40年代初，出現(xiàn)氣動儀表，價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單49上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來很困難；計算機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了自動控制的實現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計算機(jī)里只是一組程序（稱為“控制算法”），修改很方便，而且無論控制算法簡單還是復(fù)雜，都一樣可以實現(xiàn)，因此計算機(jī)在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及；常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機(jī)、工業(yè)控制計算機(jī)、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號處理器等。上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制50單片機(jī)單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等，在計算機(jī)家族里體積最小、價格最便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車?yán)锍３Ｓ袔资畟€單片機(jī)在工作。單片機(jī)單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口51工業(yè)控制計算機(jī)工控機(jī)類似普通微機(jī)，但提高了工作的可靠性，配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口，并特別加強(qiáng)了針對工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。工業(yè)控制計算機(jī)工控機(jī)類似普通微機(jī)，但提高了工作的可靠性52可編程邏輯控制器

（ProgrammableLogicController，簡稱“PLC”）

PLC包含了邏輯運算、順序控制、算術(shù)運算及定時和計數(shù)等功能，是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計的，早期主要用于邏輯及順序控制，以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，后來又增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能，并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能，應(yīng)用范圍越來越廣?？删幊踢壿嬁刂破?/p>

（ProgrammableLogic53數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProcessor，簡稱“DSP”）

DSP的計算和處理功能相當(dāng)強(qiáng)大，早期主要用于信號處理領(lǐng)域，價格也較昂貴，但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，價格不斷降低，因而近年來在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多數(shù)字信號處理器

（DigitalSignalProce54計算機(jī)控制方式的演變

第一階段：集中控制用一臺計算機(jī)同時控制多臺機(jī)器或設(shè)備，輪流采集反饋信息，計算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺機(jī)器或設(shè)備，屬于“分時控制”，主要缺點是可靠性差。計算機(jī)受控設(shè)備1受控設(shè)備2受控設(shè)備N…反饋信號反饋信號控制信號控制信號計算機(jī)控制方式的演變第一階段：集中控制計算機(jī)受控設(shè)備155第二階段：單機(jī)控制一臺計算機(jī)只控制一臺機(jī)器或設(shè)備，主要優(yōu)點是控制風(fēng)險小。這種方式在今天也很常見，如冰箱、空調(diào)、電飯煲的控制等。計算機(jī)受控設(shè)備反饋信號控制信號第二階段：單機(jī)控制計算機(jī)受控設(shè)備反饋信號控制信號56第三階段：分散控制對于多臺相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器或設(shè)備，每臺機(jī)器或設(shè)備都單獨用一個數(shù)控裝置來控制（單機(jī)控制方式），但與上層的協(xié)調(diào)和管理計算機(jī)有信息交互，屬于網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。

典型例子有：

計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）集散控制系統(tǒng)DCS

（DistributedControlSystem）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

（FieldbusControlSystem）第三階段：分散控制57一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)58現(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化一個生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時采用了好幾種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，并與管理系統(tǒng)連為一體，實現(xiàn)無縫銜接?，F(xiàn)代生產(chǎn)自動化系統(tǒng)通常具有三層結(jié)構(gòu)：

例如，最底層是基礎(chǔ)自動化層，以PCS（過程控制系統(tǒng)）為代表；第二層是生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層，以MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）為代表；最高層是生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表?，F(xiàn)代計算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化一個生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時采用了59基礎(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測裝置、實時數(shù)據(jù)庫等；運行優(yōu)化層主要包括建模、計劃與調(diào)度、實時優(yōu)化、故障診斷與維護(hù)、質(zhì)量控制、成本控制等；經(jīng)營優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺等；這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線成本的預(yù)測、控制和反饋校正，還可以實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調(diào)度?；A(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測裝置、實60生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖612.3最基本的控制算法

——PID控制2.3最基本的控制算法

62反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輸出控制器受控對象檢測裝置給定輸入－反饋信號控制量誤差執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輸出控制器受控對象檢測裝置給定－反饋信號控63什么是PID控制?PID:Proportional-Integrel-Derivative

（比例-積分-微分）PID控制的原理及結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；PID控制的歷史悠久，產(chǎn)生于20世紀(jì)初，先后有機(jī)械式、液動式、氣動式、電子式等；PID控制的適應(yīng)面廣，生命力強(qiáng)，至今仍為工程應(yīng)用的主流（＞80％）。什么是PID控制?PID:Proportional-In64PID控制的結(jié)構(gòu)比例作用誤差e積分作用微分作用控制量u比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進(jìn)行不同組合，如P控制、PI控制、PD控制、PID控制。PID控制的結(jié)構(gòu)比例作用誤差e積分作用微分作用控制量u比65例：水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輸入：進(jìn)水口的熱水流量與冷水流量之比受控變量：出水口的水溫控制目標(biāo)：保持出水溫度基本恒定各種擾動：進(jìn)水口水溫和水壓的波動、環(huán)境溫度變化、用戶的用水量變化等熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥例：水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輸入：進(jìn)水口的熱水流量與冷水流量之比熱水66水溫反饋控制系統(tǒng)總的控制思路：若水溫偏低，則增大控制輸入，即增大熱/冷水流量的比值；反之，若水溫偏高，則減小控制輸入。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測控制裝置期望水溫水溫反饋控制系統(tǒng)總的控制思路：若水溫偏低，則增67水溫調(diào)節(jié)的比例控制作用若水溫偏低，則水溫低得越多，就使控制輸入增大得越多；反之，若水溫偏高，則水溫高得越多，就使控制輸入減小得越多。即控制量的大小大致與偏差成比例。熱水冷水溫?zé)崴{(diào)節(jié)閥水溫檢測比例控制期望水溫水溫調(diào)節(jié)的比例控制作用若水溫偏低，則水溫低得越68比例控制的特點比例控制的結(jié)構(gòu)最簡單，只有一個比例系數(shù)，可以使輸出在有擾動的情況下基本恒定。比例系數(shù)的設(shè)置應(yīng)適當(dāng)，過小會調(diào)節(jié)作用太弱，系統(tǒng)變化過于緩慢，并產(chǎn)生較大誤差；過大就會調(diào)節(jié)過頭，偏差的一點點變化會對應(yīng)產(chǎn)生很大的控制作用，容易引起系統(tǒng)輸出上下波動，即發(fā)生振蕩。比例系數(shù)的確定是在響應(yīng)的快速性與