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自动控制的历史发展
发布时间:2019-10-29 15:43:06      点击次数:2880

最早的自动化控制要追溯到我国古代的自动化计时器和漏壶指南车,而自动化控制技术的广泛应用则开始于欧洲的工业革命时期。英国人瓦特在发明 蒸汽机的同时,应用反馈原理,于1788年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽量供给发生变化时,离心式调速器能够自动调节进气阀的开度,从而控制蒸汽机的转速。

150多年前第一代 过程控制体系是基于5-13psi的气动信号标准(气动 控制系统PCS,Pneumatic Control System)。简单的就地操作模式, 控制理论初步形成,尚未有控制室的概念。

第二代过程控制体系(模拟式或ACS,Analog Control System)是基于0-10mA或4-20mA的电流模拟信号,这一明显的进步,在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它标志了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展,三大控制论的确立奠定了现代控制的基础;控制室的设立,控制功能分离的模式一直沿用至今。

第三代过程控制体系(CCS,Computer Control System).70年代开始了 数字计算机的应用,产生了巨大的 技术优势,人们在测量, 模拟和 逻辑控制领域率先使用,从而产生了第三代过程控制体系(CCS,Computer Control System)。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命,它充分发挥了计算机的特长,于是人们普遍认为计算机能做好一切事情,自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统,需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4-20mA的模拟信号,但是时隔不久人们发现,随着控制的集中和可靠性方面的问题,失控的危险也集中了,稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成 分布式控制系统(DCS)。

第四代过程控制体系(DCS,Distributed Control System分布式控制系统):随着 半导体制造技术的飞速发展, 微处理器的普遍使用,计算机技术可靠性的大幅度增加,目前普遍使用的是第四代过程控制体系(DCS,或分布式数字控制系统),它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机,而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的 信号传递也不仅仅依赖于4-20mA的 模拟信号,而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。

第五代过程控制体系(FCS,Fieldbus Control System 现场总线控制系统):FCS是从DCS发展而来,就象DCS从CCS发展过来一样,有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”;数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高,但 通信网络最低端只达到现场控制站一级,现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号,成本高,效率低,维护困难,无法发挥现场仪表智能化的潜力,实现对

现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测

量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。简

单地说传统的控制是一条回路,而FCS技术是各个模块如控制器、 执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信,当然传输的也就是数字信号。主要的总

线有 Profibus, LonWorks等。

1、 40年代--60年代初:

需求动力:市场竞争,资源利用,减轻劳动强度,提高产品质量,适应批量生产需要。主要特点:此阶段主要为单机自动化阶段,主要特点是:各种单机自动化加工设备出现,并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品:硬件数控系统的数控机床。

2、60年代中--70年代初期:

需求动力:市场竞争加剧,要求产品更新快,产品质量高,并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点:此阶段主要以 自动生产线为标志,其主要特点是:在单机自动化的基础上,各种组合 机床、组合生产线出现,同时软件数控系统出现并用于机床, CAD、 CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中,此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品:用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。

3、70年代中期--至今:需求动力:市场环境的变化,使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重,要求 自动化技术向其广度和深度发展,使其各相关技术高度综合,发挥整体最佳效能。主要特点:自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今,自动化领域已发生了巨大变化,其主要特点是:CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受;CIM也是一种实现集成的相应技术,把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理,就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”,从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略;而作为实现集成的相应技术,一般认为是: 数据获取、分配、共享;网络和通信;车间层设备控制器;计算机硬、软件的规范、标准等。同时,并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域,并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品:CIMS工厂, 柔性制造系统(FMS)。

随着现代应用数学新成果的推出和 电子计算机的应用,为适应 宇航技术的发展,自动控制理论跨入了一个新阶段—— 现代控制理论。主要研究具有高性能,高精度的多变量变参数的 最优控制问题,主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前,自动控制理论还在继续发展,正向以控制论, 信息论,仿生学为基础的智能控制理论深入。

为了实现各种复杂的控制任务,首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来,组成一个有机的总体,这就是 自动控制系统。在自动控制系统中,被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量,它可以要求保持为某一恒定值,例如温度, 压力或飞行航迹等;而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体,它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制,但最基本的一种是基于 反馈控制原理的反馈控制系统。

在反馈控制系统中,控制装置对被控装置施加的控制作用,是取自被控量的反馈信息,用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务,这就是反馈控制的原理。


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