我國(guó)古代早已對(duì)自動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行了深入的研究，從漢代的“指南車”到魯班的“飛鳥(niǎo)”，從諸葛亮的“木牛流馬”、“連弩”等，這些都是利用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的典范之作。現(xiàn)在還有一些自動(dòng)設(shè)備由類似的裝置完成，比如在一根軸上的不同位置鑲嵌不同周長(zhǎng)和曲面的輪子，在軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，不同的輪子擁有相同的角速度，但是因?yàn)橛胁煌闹荛L(zhǎng)，因此，與輪子咬合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周所花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)不同，這樣就可以用來(lái)計(jì)量不同的時(shí)間，這就是使用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)和順序的功能，有了時(shí)間軸，我們就可以完成順序控制，這對(duì)于使用計(jì)算機(jī)控制的今天來(lái)說(shuō)確實(shí)是很有妙的事情。
由于蒸汽時(shí)代的到來(lái)，人們可以利用蒸汽機(jī)產(chǎn)生出更大的機(jī)械力，從而幫助人完成繁重的勞動(dòng)，這樣，就需要對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行控制，讓它按照人的意志來(lái)工作。于是，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)調(diào)速器，他通過(guò)巧妙的機(jī)械設(shè)計(jì)，把蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定在一個(gè)固定的范圍內(nèi)，這樣就減少了事故的發(fā)生，使得蒸汽機(jī)很容易被人利用，這個(gè)發(fā)明被稱為真正意義上的“現(xiàn)代自動(dòng)控制的開(kāi)端”。自動(dòng)控制設(shè)備的應(yīng)用無(wú)疑提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，推進(jìn)社會(huì)前進(jìn)了一大步。
后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了電的奧秘，并掌握了電力的應(yīng)用和控制，由此進(jìn)入電氣時(shí)代，于是有了關(guān)于控制的理論，“電”在自動(dòng)控制中起到了不可替代的作用，它可以驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生更高速的運(yùn)動(dòng)，也可以控制這些驅(qū)動(dòng)設(shè)備本身，利用電的特點(diǎn)還可以連續(xù)控制更多設(shè)備，使這些設(shè)備互相配合，完成某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，這就形成了控制方案。
計(jì)算機(jī)的發(fā)明更加推進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，完成智能控制。科技是在進(jìn)步的，到了今天，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用了，其實(shí)，早在20世紀(jì)80年代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程控制中了，它使得各種自動(dòng)控制設(shè)備可以方便的集合在一起，不同的設(shè)備可以信息共享，完成某個(gè)復(fù)雜的過(guò)程控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最終要求。隨便提及一下物聯(lián)網(wǎng)，所謂物聯(lián)網(wǎng)，其實(shí)就是工業(yè)控制在民用和其他行業(yè)的應(yīng)用，因?yàn)樗募夹g(shù)手段和路徑基本上與工業(yè)控制是一致的，甚至于沒(méi)有工業(yè)的嚴(yán)格和快速。物聯(lián)網(wǎng)能帶給我們信息的溝通與共享，這在技術(shù)層面上已經(jīng)沒(méi)有什么障礙了，但是，它需要解決的是規(guī)則問(wèn)題，甚至是法律層面的制度。說(shuō)遠(yuǎn)了，還是從我們熟知的自動(dòng)控制開(kāi)始吧。
從發(fā)展過(guò)程來(lái)看，自動(dòng)控制領(lǐng)域經(jīng)歷了由“控制”“自動(dòng)控制”“過(guò)程控制”到“智能控制”幾個(gè)階段，日前這些方式是同時(shí)存在的，他們有各自的特點(diǎn)，應(yīng)用在各自不同的環(huán)境中。
那么到底是誰(shuí)、如何感知世界呢？數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)怎樣的傳輸？怎樣讓設(shè)備執(zhí)行人的思想呢？什么是自動(dòng)控制？其工作原理是什么，其發(fā)展歷程又如何呢，自動(dòng)控制系統(tǒng)又是包含哪些內(nèi)容？過(guò)程控制又是怎么回事呢？
自動(dòng)控制與自動(dòng)控制系統(tǒng)
在講過(guò)程控制之前，首先要知道什么是自動(dòng)控制。所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置(稱控制裝置或控制器)，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程(統(tǒng)稱控制對(duì)象)的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)(即被控量)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。
其實(shí)自動(dòng)控制離我們很近，比如，家居必備的抽水馬桶就是一個(gè)很好的例子。放水沖刷后，水箱里水位降低，浮子隨水面下降，進(jìn)水閥打開(kāi)。隨著水位的升高，進(jìn)水閥逐漸關(guān)閉，直到水位達(dá)到規(guī)定高度，進(jìn)水閥完全關(guān)閉，水箱里面的水正好準(zhǔn)備下一次使用。
能夠完成自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，它是由若干控制器和被控對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)整體。自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是控制算法和解決方案’它包括設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的配置、控制范圍及功能、控制策略的實(shí)施與規(guī)劃等。可以毫不夸張地講，自動(dòng)控制系統(tǒng)完全可以以人的意志為基礎(chǔ)，來(lái)操作各種設(shè)備，既然自動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)替代人的功能，那么它也應(yīng)該具有類似人體的結(jié)構(gòu)，如圖下1-1所示。
圖1-1 自動(dòng)控制系統(tǒng)整體框架
①數(shù)據(jù)采集及控制設(shè)備
數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制是兩種相反的操作，但是在系統(tǒng)中處于同一地位，控制系統(tǒng)用它們來(lái)感知世界，完成指令，相當(dāng)于人的五官、手、腳等，該部分完成各種溫度、壓力、流量等參數(shù)的采集，或者把控制中心的控制指令傳達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，如電動(dòng)門、電機(jī)、水泵、控制閥等。
對(duì)于不同的物理參量，我們會(huì)使用不同測(cè)量原理的傳感器，經(jīng)過(guò)某種轉(zhuǎn)換后提供給下一級(jí)設(shè)備處理，對(duì)于千差萬(wàn)別的設(shè)備，大家都追尋同一標(biāo)準(zhǔn)，這樣方便接入不同的系統(tǒng)，形成通用的設(shè)備。比如應(yīng)用不同檢測(cè)原理對(duì)溫度的采集、對(duì)壓力的采集、對(duì)流量的采集等，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、信號(hào)放大等處理以后，轉(zhuǎn)換成4-20mA或者0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、脈沖、甚至數(shù)字信息等電信號(hào)，這樣就為數(shù)據(jù)的傳輸打下了基礎(chǔ)。
②網(wǎng)絡(luò)通信
網(wǎng)絡(luò)通信及設(shè)備是循環(huán)系統(tǒng)，是輸送各種養(yǎng)料的通道，它把身體的各部分機(jī)能聯(lián)系起來(lái)，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃愃迫祟惖难貉h(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)。
③監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控設(shè)備相當(dāng)于人的大腦，實(shí)現(xiàn)控制方案的計(jì)算、故障判斷及處理，完成與人的交互操作。它包括控制器、操作員站、服務(wù)器等。
④控制方案
控制方案是現(xiàn)場(chǎng)工藝的實(shí)現(xiàn)方法，是人的思維的體現(xiàn)，是精神，是靈魂，甚至可以實(shí)現(xiàn)智能管理、故障判斷、智能調(diào)節(jié)等功能。
綜上所述：基于生產(chǎn)過(guò)程控制工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)被稱為過(guò)程控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)大概是這樣的：我們根據(jù)不同行業(yè)的工藝要求，制訂出控制方案，把該方案用直觀的編程語(yǔ)言或流程框圖描述正確，然后下裝到計(jì)算機(jī)里面，計(jì)算機(jī)通過(guò)強(qiáng)大的運(yùn)算和記憶功能，根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的各種條件，比如溫度、壓力、流量的變化等(稱為工況)，產(chǎn)生出運(yùn)算結(jié)果(稱為控制輸出)，這些結(jié)果通過(guò)硬件設(shè)備轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送到控制閥或開(kāi)關(guān)設(shè)備上，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備做出相應(yīng)的動(dòng)作，最后實(shí)現(xiàn)控制工藝的要求，這樣就達(dá)到了自動(dòng)控制的目的。
一般過(guò)程控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在發(fā)電廠、化工、水泥、供熱系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)等注重流程的行業(yè)。這樣的工業(yè)過(guò)程使用原始的材料，經(jīng)過(guò)各種物理的或者化學(xué)變化，經(jīng)過(guò)粉碎、高溫、高壓、催化、混合等工藝手段，生產(chǎn)出滿足需要的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品最終為人類所應(yīng)用、消費(fèi)。
由此可見(jiàn)，我們把原始資料經(jīng)過(guò)若干處理產(chǎn)生出產(chǎn)品的過(guò)程稱之為生產(chǎn)過(guò)程，面向這個(gè)過(guò)程而總結(jié)的控制理論叫過(guò)程控制理論，因此過(guò)程控制理論應(yīng)該是概括的、復(fù)雜的、具有不確定性的一種科學(xué)體系。
現(xiàn)在來(lái)梳理一下自動(dòng)控制設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)三者之間的關(guān)系，如圖1-2所示。
圖1-2 自動(dòng)控制設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)的關(guān)系
自動(dòng)完成某項(xiàng)工作的設(shè)備是自動(dòng)控制設(shè)備，若干自動(dòng)控制設(shè)備互相協(xié)助，完成某項(xiàng)任務(wù)，被稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用于過(guò)程工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)就叫做過(guò)程控制系統(tǒng)，因此，過(guò)程控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用方向上的一個(gè)分類，當(dāng)然，也有其他類型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，比如運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等。
自動(dòng)控制工作原理
根據(jù)自動(dòng)控制的目的和要求不同，在實(shí)現(xiàn)算法上，就會(huì)采用不同的理論和應(yīng)用不同的原理，由于高級(jí)控制理論需要很多數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，因此這里僅僅介紹一下自動(dòng)控制的一般原理，下面我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明。
這個(gè)例子說(shuō)的是人端起杯子的過(guò)程。簡(jiǎn)單描述一下整個(gè)過(guò)程。首先人通過(guò)眼睛來(lái)確定杯子當(dāng)前的位置，之后大腦指揮手去抓住杯子。在這個(gè)動(dòng)作里，我們要不斷判斷杯子的位置，然后調(diào)整手的位置和力度，讓手準(zhǔn)確無(wú)誤地抓到杯子，拿起來(lái)。看似簡(jiǎn)單的行為其實(shí)包括了很復(fù)雜的過(guò)程，只是因?yàn)榇竽X的處理速度很快，才讓我們不容易覺(jué)察。
由此可見(jiàn)，自動(dòng)控制的關(guān)鍵就在于反饋的存在，正是有了它的存在，才使自動(dòng)控制成為可能。反饋就是自動(dòng)化的奧妙所在，所以自動(dòng)控制原理也叫反饋控制原理。
一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，基本上都是由下面幾部分組成：
第一，檢測(cè)比較裝置(眼睛)。
第二，調(diào)節(jié)器(大腦)。
第三，執(zhí)行機(jī)構(gòu)(手)。
第四，控制量(位置)。
