基于控制规律的自动化装置研究

摘 要：　通过对自动化装置技术沿革的分析，展示自动化装置的概念。通过对基本控制规律的研究，推导出一系列公式，阐述自动化装置的控制原理。

关键词：　开关控制；自动控制；模拟控制；数字控制；一体化控制；集散系统

中图分类号：F407 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110094-01

0　引言

自动化装置是自动控制系统中的核心控制装置，所有的控制策略都要通过自动化装置来实现。早期自动化装置是通过机械控制器对被控对象进行控制，随着集成电子和微电子技术的发展，自动化装置向网络化，智能化发展，因此自动控制也向分布式多层方向发展。

1　基本控制规律

1.1　基本开关型控制规律

开关型控制规律在人们的日常生活中非常多，例如电熨斗温度控制、电冰箱温度控制等。开关控制的控制规律可用下列公式表达：u=umax（T＜Ts），u=umin（T＜Ts）。理想开关控制规律会造成控制阀频繁动作，因为温度偏离希望值一点点，都会导致阀门动作。实际开关控制规律是一带有控制误差带的开关控制规律，偏差上限为TsH，偏差下限为TsL，该控制规律可用公式表示：u=umax（T＜TsH），u=umin（T＜TsL）

1.2　时间比例型开关控制规律

这是一种改进型开关控制规律，将控制器输出划分为一定长度的时间间隔T，在每个时间间隔内，开关输出接通的时间TON是不同的，开关占空比定义：r=TON/T。开关占空比最小为0，即在每个时间周期内开关都处在断开状态；开关占空比最大为1，即在每个时间周期内开关都都处在接通状态。时间比例开关型控制规律是这样一种控制规律，既控制器输出占空比正比于被控参数偏离希望值的偏差大小。时间比例控制规律有一个可调整控制器参数Kp，这种控制规律控制下的被控变量，其控制质量要比基本开关控制规律好。

1.3　比例控制规律

比例控制规律是工业过程控制中使用最多的控制规律，比例控制的英文为Proportional　Control，所以比例控制规律也叫做P控制规律。比例控制规律的表达式为：up=（xr-x）=Kpe。公式中u是控制器输出，Kp是比例控制器的比例放大倍数，xr是温度设定值，x是被控参数的测量值，e=xr-x是温度偏差。工程上常常采用比例度来表示比例放大倍数，当控制器的输入/输出为标准信号时，公式为：δ=（x/u）100%=100%/Kp。

比例控制规律是一个有余差控制规律，即用纯比例控制器构成控制系统对被控参数进行控制时，系统受到扰动，被控参数重新稳定之后，被控参数是不能回到原来的给定数值上。

1.4　积分控制规律∫

积分控制的英文为Integral　Control，所以积分控制规律也叫做I控制规律。积分控制规律是一个与偏差存在时间有关系的控制规律，积分控制其表达式为：ui=∫edt/Ti。当t=0时刻系统受到一个阶跃扰动，产生一个阶跃偏差，积分控制器的输出从t=0开始上升，其上升速度为1/Ti，当t=t0时系统的偏差消失，积分控制器的输出保持恒定不变。

实际应用当中，一般是形成比例积分控制器，即PI控制规律。比例积分控制规律的输入/输出关系为：u=up+ui=Kpe+∫edt/Ti。

1.5　微分控制规律

微分控制的英文为Differential　Control，所以微分控制规律也叫做D控制规律。下面是微分控制规律输入/输出曲线图。微分控制规律是一个与偏差变化率有关系的控制规律，尽管系统偏差数值比较小，但是如果其变化速度比较快，微分输出也会有很大变化。这对于某些生产过程是非常有意义的。微分控制作用正好可以变量变化快的问题，可以避免控制量有很大波动。实际应用当中，一般是形成比例微分控制器，即PD控制规律。比例微分控制规律的输入/输出关系为：uD=TD　de/dt。

2　自动控制器

2.1　分类

自动控制器大体上可分为两类，一类是单机控制器，这一类可单独使用，接收1～2信号。另一类是虚拟控制器。虚拟控制器是一段程序，是DCS、FCS、IPC等中虚拟控制器。单机控制器包括模拟型控制器与智能化控制器。

2.2　模拟型控制器

模拟型自动控制器技术上已经过时，但其结构简单，更适合于自动控制器概念描述。比较典型的是一种采用运算放大器的模拟型自动控制器。DDZ-III型单元组合仪表中的DTL-3100控制器是一种电动仪表，采用国际电工委员会（IEC）推荐的标准信号，即4～20mADC或1～5VDC信号。其主要功能是接收来自变送器的测量信号，经过PID计算，送出信号到执行器。

该型号控制器具有如下功能：采用运算放大器实现整机功能，输入对称性好，漂移小，稳定性高；具有手动、软手动、自动功能；采用全刻度指示；可采用外给定和内给定方式；具有无扰动切换功能；该型号控制器有三种工作方式，即手动方式、软手动方式和自动方式。

2.3　智能化数字控制器

现代自动化仪表的智能化是指采用大规模集成电路技术、微处理器技术、接口通信技术，利用嵌入式软件协调内部操作，使仪表具有智能化处理功能，并使其功能进一步增强。

可编程型调节器应具有用简易语言的程序，利用这些程序可建立与仪表控制有关的运算功能。其应体现以下表征：液晶显示画面、曲线、数据显示屏幕，不同工作模式有不同的显示画面；故障灯仪表本身故障指示；报警灯过程参数报警指示；C方式键用于串级控制；A方式键用于自动控制；M方式键用于手动控制；SV设定键用于调整给定值；PF键用户定义功能键；增速、SHIFT键增速、换挡键；PV过程变量，即来自测量变送单元的测量信号；MV为操纵信号，既控制器输出。

2.4　一体化控制器

控制器选择主要考虑输入输出信号，是否需要通讯，是否有特殊控制算法要求，是否需要编程功能。如果需要复杂控制，则还需要考虑输入信号数量。一体化控制器都制定特定的传感器，例如配接热电偶、热电阻等，可根据不同的需要选择配接不同传感器的控制器。对于单元组合式控制器，则要根据控制要求选择，例如自动控制的同时，需要向上位计算机通讯，则需要选择带有通讯功能的控制器。

3　集散系统（DCS系统）

集散控制系统是是集中分散式控制系统的简称，是专门用于自动控制的计算机网络，一般由控制站、数据采集单元、操作员站、工程师站、通讯系统五大部分硬件组成，配上相应的软件就构成一个完整的控制系统。

控制站也叫做现场控制站，其主要功能是完成变量的测量与控制，将测量变量上传并接数据。有些DCS系统厂家将其称之为一个控制文件夹。各个厂家的不同型号的DSC系统控制站的控制文件夹数量和每个控制文件夹内的过程I/O卡数量各不相同。

操作员站是对生产过程进行监视、操作的设备。操作员站上CRT的作用是向工艺操作人员显示过程信息，过程信息显示包括动态工艺流程图（全图及局部图）、过程变量监控数据表、过程变量分组显示画面、过程变量详细显示画面、过程变量的趋势显示、过程变量各类报表、报警状态过程变量表等内容。

工程师站是系统维护工程师的一个人机界面。系统工程师可在工程师站上可进行系统生成、系统组态、参数修改、软件装入、数据卸出等操作。DCS系统的操作是按操作级别来控制的，不同的操作级别有不同的操作密码，一般来说操作工作站上的操作级别较低，工程师工作站上的操作级别较高。

通讯系统是数字控制系统的信息传送通道，由各种通讯卡和电缆构成。通讯卡进行数据打包拆包以完成通讯。数据打包拆包是按一定的方式进行的，这个方式即为通讯协议。只有采用相同的通讯协议的设备之间才能进行数据通讯。

4　结语

基于开关控制规律的，自动化装置的设计可惜清晰地分为五大硬件部分。今后其发展方向应当是一体化的高自动化数据装置，应用更多的微电子技术，数据通信协议具有可拓展的模块化功能。

参考文献：

[1]配网地理信息系统功能框架[J].硅谷，2011（12）.

[2]李建明、王军利，变电站自动化系统保护测控装置框架[J].硅谷，2011（12）.

[3]段海凤、李建辉、李建明，配电网络GIS系统研究[J].科技传播，2011（12）.