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《自动检测技术及仪表》2010年2月湖北工业大学电气与电子工程学院自动化系杨桦（一）1-1：实现自动化的意义及主要内容1-2：自动化及仪表的发展及应用1-3：自动检测技术的发展及应用1-4：学习自动化的意义1-5：讨论、思考题、作业目录第一章：绪论第一章绪论主要内容：自动化的发展与应用实现自动化的目的及主要内容自动检测技术的发展与应用自动化仪表的发展与应用课程学习的目的与要求1何为自动化？2如何来构筑一个控制系统3自动化的主要内容4自动检测技术、自动化仪表的简要发展过程5自动检测技术的作用及发展6自动化仪表的作用及信号制7本课程的主要知识点第一章绪论1-1实现自动化的意义及主要内容一、日常生活中的自动控制模式1.洗衣机的控制：如标准漂洗过程→45分钟→：开始注水→洗涤（20min）→排水→脱水（4min）→漂洗1（6min）→排水→脱水（4min）→漂洗2（6min）→排水→脱水（5min）→结束•漂洗过程说明：启动后按照预设先定好的步骤和时间，逐项自动进行（通常时间也是厂家设好的）。•系统特点：开环控制系统工作和生活中常有自动化一说，何为自动化？2.普通空调的控制•制冷过程说明：开机后，按照预设先定好的温度值，对环境温度进行循环温度检测，比较检测结果和设定温度值，根据比较后的差值进行空调压缩机的开停调节，由此保证环境温度和设定温度的一致。•系统特点：位式调节闭环控制系统3.变频空调的控制•制冷过程说明：开机后，按照预设先定好的温度值，对环境温度进行循环温度检测，比较检测结果和设定温度值，根据比较后的差值进行控制空调压缩机的运转方向和速度，由此保证环境温度和设定温度的一致。•系统特点：连续调节闭环控制系统4.工业过程的控制•控制过程说明：人工控制时通过眼、脑、手完成液位控制；采用了自动化仪表后，由自动化装置自动完成液位参数的自动检测、自动比较分析、自动调节等作用，自动的将液位控制在设工艺定值上。•系统特点：连续调节闭环控制系统5.控制方式的比较手动与自动开环与闭环•开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。开环——系统的输出没有被反馈回输入端，执行器仅只根据输入信号进行控制的系统称为开环系统，此时系统的输出与设定值与测量值之间的偏差无关。•闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。闭环——系统的输出被反馈到输入端并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值与测量值的偏差进行控制，直至消除偏差二、自动化的定义•在工艺设备上，配备一些技术先进的设备（也称为自动化装置），用它们来代替操作人员的（眼睛、大脑、手等）直接劳动，使生产在不同程度上按照规定的要求自动地进行。•自动化即是：用自动化装置来管理和操纵设备（生产过程），使之按要求正常运行。•从工艺的角度上讲：所谓自动化是使工艺参数保持在需要的值或状态上；•从控制的角度上讲：所谓自动化是使生产过程按照一定的程序或步骤运行，保证生产过程运行在最佳状态上（最高目标）。三、实现自动化的目的1、提高劳动效率、减轻劳动强度、改善劳动条件；•表现在：自动化生产可以减轻操作人员的劳动强度，避免从事危险的操作，特别是在易燃、易爆、有毒、腐蚀性、刺激性的生产过程中更是如此。2、提高产品质量、保证生产安全、延长设备的使用寿命等；•表现在：加快生产速度、减低成本、提高产量和质量、增加产品的附加值。例如：聚合反应釜控制不当极易发生爆炸。3、满足现代工业规模化、速度化、精确化的要求。•表现在：生产过程趋向于大型化、复杂化，没有自控系统将无法生产；先进生产工艺、环保等对自动化的要求日益提高。•总之：自动控制技术已经成了现代工业生产实现安全、高效、优质、低耗的基本条件和重要保证。四、自动化的意义（1）自动化是提高社会生产力的有力工具之一；（2）自动化水平是衡量国家发达程度的重要标志；表现在：无人化生产、优越的生产环境、优秀的产品质量……（3）“仪表、控制和自动化技术“决定现代企业的兴衰；（4）（计算机）控制系统是现代工业生产的神经中枢。表现在：控制数量、控制速度、控制精度、复杂控制模式、算法等…….五、自动化的主要内容1、自动检测系统•自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量、指示或记录。•它代替了操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起到人的眼睛的作用。•检测技术及仪表是完成对各种过程参数的测量，并实现必要的数据处理的功能单元。•自动检测系统特点：开环系统•被测信号形式：多种（电量、非电量）工业生产过程中被测量为非电量（参量）信号形式，如压力、温度、流量、物位、成份等。•自动检测系统结构如下：2、自动控制系统•当被控制变量在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离工艺要求的数值时，自动控制系统能克服干扰，自动地将被控变量控制回到工艺规定的数值范围内。•控制技术及仪表则是实现各种控制作用的手段和条件，它将检测得到的数据进行运算处理，并通过相应的功能单元实现对被控变量的调节。•自动控制系统特点：闭环负反馈控制系统•被控变量的信号形式：多种（电量、非电量）工业生产过程中被控变量为非电量（参量）信号形式，如压力、温度、流量、物位、成份等。•系统结构如下：•要实现自动控制，系统必须闭环。•闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。3、自动信号联锁保护系统•当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前，信号系统就自动地发出声光信号，提醒操作人员注意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。系统特点：电气控制系统开关量信号形式4.自动操纵及自动开、停车系统•自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对生产设备进行某种周期性操作。•自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。系统特点：电气控制系统开关量信号形式1-2自动化及仪表的发展及应用•自动控制的本质：是指应用自动化仪器仪表、自动控制装置代替人，自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制，使之有目的地修正被控对象的动力学行为，以达到预期的状态或满足预期的性能要求。•控制问题的本质：就是要求基于对象内在的动力学本质和规律，运用适当的数学工具求取问题的解。•“控制”这一概念本身即反映了人们对征服自然与外在的渴望，作为自动控制科学的核心的控制理论与技术也自然而然地在人们征服自然与改造自然的历史中发展起来。一、控制理论的简要发展过程主要分为2大类：经典控制理论现代控制理论1、经典控制理论（40年代末到50年代）经典控制理论建立在传递函数基础上的，主要针对线性定常、单输入单输出对象，基于反馈控制的主导思想，完成控制系统的稳定定任务。实现了：单机自动化；局部自动化；单变量控制；自动调节器；伺服系统的应用与发展。经典控制理论最辉煌的成果首推PID控制规律，直到目前，在工业过程控制中仍然被广泛应用。（90％以上）2、现代控制理论60年代，由于工业生产过程向着大型化、连续化的方向发展，经典控制理论已无法满足解决多变量、非线性、不确定性以及最佳性能要求等问题的需要。此时控制理论上出现了以状态空间法为基础，以极小值原理和动态规划等最优控制理论为基本特征的现代控制理论。现代控制理论发展的基础：Pontryagin提出的“极大值原理Bellman提出的动态规划理论Kalman滤波及其能控、能观和反馈镇定理论Lyapunov稳定性理论实现了：传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出的多变量控制系统；最优控制；多种变化因素；航天系统；导弹系统；人造卫星等的应用与发展。现代控制理论主要研究分支有：自适应控制鲁棒控制非线性控制大系统理论模糊控制神经网络控制预测控制……70年代是大系统理论时期，随着工业生产过程向着大型化、连续化的方向发展，逐步实现了：规模庞大、结构复杂、变量参数多、目标不单一、生物系统、社会系统、机器人等多方面的控制系统的开发和应用，以满足社会对控制越来越高要求。控制系统的渐趋复杂在在整体结构上，表现为非线性、时变性、无穷维、多层次等；在处理信息上，表现为不确定性、随机性、不完全性等。对控制的要求是：稳定控制＋最优控制。发展前景：向大系统理论发展----规模庞大结构复杂功能综合因数众多……向智能控制系统发展----自组织自学习自修复自繁殖……经典控制理论和现代控制理论二者的关系对于经典控制理论和现代控制理论而言，并非意味着相互的否定和排斥，它们之间有着共同发展、互相渗透、相互结合的发展关系。需要提出的是，在当今的过程控制领域中，几乎有90％以上的控制回路仍然沿用经典的PID控制算法或PID控制算法的变形，并能够获取比较满意的控制效果。控制论的基本概念和方法是人类认识史上的一个飞跃，开辟了认识世界的新途径。控制理论已形成了以理论控制论为中心的四大分支（也有不同分法）：•工程控制论：技术系统工程系统•生物控制论：生物系统•社会控制论：社会系统•智能控制论：思维系统20世纪40年代以前基本上属于手工操作状态，只有少量的检测仪表用于生产过程，操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数，用人工来改变操作条件，凭经验去控制生产过程。20世纪40年代末～50年代：基地仪表与局部自动化阶段，其特点是：自动化仪表：采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表（气动QDZ-Ⅰ型和电动DDZ-Ⅰ型）。DDZ-Ⅰ型仪表核心器件：电子管作为主要放大元件。控制方案：多为单输入、单输出简单控制系统控制理论：以反馈为中心的经典控制理论二、仪表及自动化的发展过程20世纪60年代：仪表自动化阶段自动化仪表：单元组合仪表（QDZ-Ⅱ型和DDZ-Ⅱ型）成为主流产品。DDZ-Ⅱ型仪表核心器件：晶体管作为主要放大元件。60年代后期，出现了专门用于过程控制的小型计算机，直接数字控制系统和监督计算机控制系统开始应用于过程控制领域。控制方案：串级、比值、均匀、前馈和选择性等多种复杂控制系统。控制目的：是保持工业生产的连续性和稳定性，减少扰动，实现了对生产过程的集中控制。以单回路PID（比例、积分、微分）控制策略为主，同时针对不同的对象与要求，制造一些专门的控制器，如物料按比例配置的比值控制；克服大滞后的Smith预估器；克服特定干扰的前馈控制器等。控制理论：现代控制理论20世纪70～80年代：计算机、DCS控制全盘自动化阶段自动化仪表：核心器件：线性集成电路、微处理器•QDZ-Ⅲ型和DDZ-Ⅲ型、•以微处理器为主要构成单元的智能控制装置、•集散控制系统（DCS）、•可编程逻辑控制器（PLC）、•工业PC机、•和数字控制器等，已成为控制装置的主流。控制方案：最优控制、非线性分布式参数控制、解耦控制、模糊控制。控制理论：大系统理论、智能控制理论、模糊控制、专家系统控制、模式识别技术。20世纪90年代至今：现场总线、计算机集成过程系统自动化仪表：核心器件：高性能微处理器•总线控制系统的出现，引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革。•现场仪表的数字化和智能化，形成了真正意义上的全数字过程控制系统。出现各种智能仪表、变送器、无纸纪录仪。控制方案：管控一体化现场，综合自动化是当今生产过程控制的发展方向。控制理论：人工智能、神经网络控制。50多年来，中国控制仪表和控制系统在经历了气动基地式仪表、电动（气动）单元组合仪表、智能数字调节器几代控制仪表的发展过程后，进入了DCS、PLC、FCS、PCBCS控制系统并存的时代。在工业生产过程中，1969年问世的PLC可编程控制器和1975年问世的DCS集散控制系统可能是两类影响最为深远的计算机控制系统。•PLC的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的连锁控制、程序控制；•DCS的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和PID回路调节等功能。20世纪80年代末期，随着计算机