最早的自動(dòng)化控制要追溯到我國古代的自動(dòng)化計時(shí)器和漏壺指南車(chē),而自動(dòng)化控制技術(shù)的廣泛應用則開(kāi)始于歐洲的工業(yè)革命時(shí)期。英國人瓦特在發(fā)明 蒸汽機的同時(shí),應用反饋原理,于1788年發(fā)明了離心式調速器。當負載或蒸汽量供給發(fā)生變化時(shí),離心式調速器能夠自動(dòng)調節進(jìn)氣閥的開(kāi)度,從而控制蒸汽機的轉速。
150多年前第一代 過(guò)程控制體系是基于5-13psi的氣動(dòng)信號標準(氣動(dòng) 控制系統PCS,Pneumatic Control System)。簡(jiǎn)單的就地操作模式, 控制理論初步形成,尚未有控制室的概念。
第二代過(guò)程控制體系(模擬式或ACS,Analog Control System)是基于0-10mA或4-20mA的電流模擬信號,這一明顯的進(jìn)步,在整整25年內牢牢地統治了整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。它標志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)??刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展,三大控制論的確立奠定了現代控制的基礎;控制室的設立,控制功能分離的模式一直沿用至今。
第三代過(guò)程控制體系(CCS,Computer Control System).70年代開(kāi)始了 數字計算機的應用,產(chǎn)生了巨大的 技術(shù)優(yōu)勢,人們在測量, 模擬和 邏輯控制領(lǐng)域率先使用,從而產(chǎn)生了第三代過(guò)程控制體系(CCS,Computer Control System)。這個(gè)被稱(chēng)為第三代過(guò)程控制體系是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一次革命,它充分發(fā)揮了計算機的特長(cháng),于是人們普遍認為計算機能做好一切事情,自然而然地產(chǎn)生了被稱(chēng)為“集中控制”的中央控制計算機系統,需要指出的是系統的信號傳輸系統依然是大部分沿用4-20mA的模擬信號,但是時(shí)隔不久人們發(fā)現,隨著(zhù)控制的集中和可靠性方面的問(wèn)題,失控的危險也集中了,稍有不慎就會(huì )使整個(gè)系統癱瘓。所以它很快被發(fā)展成 分布式控制系統(DCS)。
第四代過(guò)程控制體系(DCS,Distributed Control System分布式控制系統):隨著(zhù) 半導體制造技術(shù)的飛速發(fā)展, 微處理器的普遍使用,計算機技術(shù)可靠性的大幅度增加,目前普遍使用的是第四代過(guò)程控制體系(DCS,或分布式數字控制系統),它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統不再是僅僅具有一臺計算機,而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個(gè)了控制系統。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個(gè)重要的發(fā)展是它們之間的 信號傳遞也不僅僅依賴(lài)于4-20mA的 模擬信號,而逐漸地以數字信號來(lái)取代模擬信號。
第五代過(guò)程控制體系(FCS,Fieldbus Control System 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統):FCS是從DCS發(fā)展而來(lái),就象DCS從CCS發(fā)展過(guò)來(lái)一樣,有了質(zhì)的飛躍?!胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現場(chǎng)控制”;數據的傳輸采用“總線(xiàn)”方式。但是FCS與DCS的真正的區別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。由于傳統的DCS的技術(shù)水平雖然在不斷提高,但 通信網(wǎng)絡(luò )最低端只達到現場(chǎng)控制站一級,現場(chǎng)控制站與現場(chǎng)檢測儀表、執行器之間的聯(lián)系仍采用一對一傳輸的4-20mA模擬信號,成本高,效率低,維護困難,無(wú)法發(fā)揮現場(chǎng)儀表智能化的潛力,實(shí)現對
現場(chǎng)設備工作狀態(tài)的全面監控和深層次管理。所謂現場(chǎng)總線(xiàn)就是連接智能測
量與控制設備的全數字式、雙向傳輸、具有多節點(diǎn)分支結構的通信鏈路。簡(jiǎn)
單地說(shuō)傳統的控制是一條回路,而FCS技術(shù)是各個(gè)模塊如控制器、 執行器、檢測器等掛在一條總線(xiàn)上來(lái)實(shí)現通信,當然傳輸的也就是數字信號。主要的總
線(xiàn)有 Profibus, LonWorks等。
1、 40年代--60年代初:
需求動(dòng)力:市場(chǎng)競爭,資源利用,減輕勞動(dòng)強度,提高產(chǎn)品質(zhì)量,適應批量生產(chǎn)需要。主要特點(diǎn):此階段主要為單機自動(dòng)化階段,主要特點(diǎn)是:各種單機自動(dòng)化加工設備出現,并不斷擴大應用和向縱深方向發(fā)展。典型成果和產(chǎn)品:硬件數控系統的數控機床。
2、60年代中--70年代初期:
需求動(dòng)力:市場(chǎng)競爭加劇,要求產(chǎn)品更新快,產(chǎn)品質(zhì)量高,并適應大中批量生產(chǎn)需要和減輕勞動(dòng)強度。主要特點(diǎn):此階段主要以 自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)為標志,其主要特點(diǎn)是:在單機自動(dòng)化的基礎上,各種組合 機床、組合生產(chǎn)線(xiàn)出現,同時(shí)軟件數控系統出現并用于機床, CAD、 CAM等軟件開(kāi)始用于實(shí)際工程的設計和制造中,此階段硬件加工設備適合于大中批量的生產(chǎn)和加工。典型成果和產(chǎn)品:用于鉆、鏜、銑等加工的自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。
3、70年代中期--至今:需求動(dòng)力:市場(chǎng)環(huán)境的變化,使多品種、中小批量生產(chǎn)中普遍性問(wèn)題愈發(fā)嚴重,要求 自動(dòng)化技術(shù)向其廣度和深度發(fā)展,使其各相關(guān)技術(shù)高度綜合,發(fā)揮整體最佳效能。主要特點(diǎn):自70年代初期美國學(xué)者首次提出CIM概念至今,自動(dòng)化領(lǐng)域已發(fā)生了巨大變化,其主要特點(diǎn)是:CIM已作為一種哲理、一種方法逐步為人們所接受;CIM也是一種實(shí)現集成的相應技術(shù),把分散獨立的單元自動(dòng)化技術(shù)集成為一個(gè)優(yōu)化的整體。所謂哲理,就是企業(yè)應根據需求來(lái)分析并克服現存的“瓶頸”,從而實(shí)現不斷提高實(shí)力、競爭力的思想策略;而作為實(shí)現集成的相應技術(shù),一般認為是: 數據獲取、分配、共享;網(wǎng)絡(luò )和通信;車(chē)間層設備控制器;計算機硬、軟件的規范、標準等。同時(shí),并行工程作為一種經(jīng)營(yíng)哲理和工作模式自80年代末期開(kāi)始應用和活躍于自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域,并將進(jìn)一步促進(jìn)單元自動(dòng)化技術(shù)的集成。典型成果和產(chǎn)品:CIMS工廠(chǎng), 柔性制造系統(FMS)。
隨著(zhù)現代應用數學(xué)新成果的推出和 電子計算機的應用,為適應 宇航技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)控制理論跨入了一個(gè)新階段—— 現代控制理論。主要研究具有高性能,高精度的多變量變參數的 最優(yōu)控制問(wèn)題,主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎的狀態(tài)空間法。目前,自動(dòng)控制理論還在繼續發(fā)展,正向以控制論, 信息論,仿生學(xué)為基礎的智能控制理論深入。
為了實(shí)現各種復雜的控制任務(wù),首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來(lái),組成一個(gè)有機的總體,這就是 自動(dòng)控制系統。在自動(dòng)控制系統中,被控對象的輸出量即被控量是要求嚴格加以控制的物理量,它可以要求保持為某一恒定值,例如溫度, 壓力或飛行航跡等;而控制裝置則是對被控對象施加控制作用的機構的總體,它可以采用不同的原理和方式對被控對象進(jìn)行控制,但最基本的一種是基于 反饋控制原理的反饋控制系統。
在反饋控制系統中,控制裝置對被控裝置施加的控制作用,是取自被控量的反饋信息,用來(lái)不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現對被控量進(jìn)行控制的任務(wù),這就是反饋控制的原理。
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