第4章 现代自动化系统

今天，自动化、计算机和通信已经无所不在，它们正在进入千家万户、正在渗入千百领域，正在嵌入千万设备，一场影响人类未来的波澜壮阔的信息革命正在兴起。

张钹，《自动化科学与技术学科的内容、地位与体系》序，2003

第4章 现代自动化系统

PPT4: 第4章

现代自动化系统

视频公开课3：现代自动化初览——计算机网络化控制

本章可称为“初识现代自动化(系统)”，结合应用实例，从物理实现角度扼要介绍实用先进的自动化系统，回答“现代自动化系统如何构成？典型的现代自动化系统有哪些功能？”等问题。这些知识的完整系统学习要到自动化专业三、四年级和研究生阶段。本章属于认识学习，一部分内容作为自学，供同学们拓展自动化知识或在今后学习其中某一方面的内容时参考。

§4.1 现代自动化系统——实例与特点

由前两章的介绍可以看到，虽然自动控制及其系统的数字化实现原理是简单的，但是由于自动化系统涉及的对象林林总总，特性多种多样，因此对象的特性掌握和建模已成为现代自动控制系统构建的重要内容，也是获得良好控制性能的基础；而计算机和数字控制技术的发展，也为更复杂对象和过程的控制系统实现提供了条件。

20世纪70年代以来，自动化科学与技术面临极大的挑战，这一挑战来源于全球经济发展和消费水平的提高对自动化技术领域提出的新需求：一方面大规模工业自动化的要求，使自动化系统从局部自动化走向综合自动化，其自动控制问题不再局限于研究一个明确的被控对象以及单回路的控制，而延伸至一个设备、一个工段、一个车间甚至一个工厂的全盘自动化问题；另一方面，自动化技术的应用领域大大扩展，从消费类电子到智能家居、智能电网乃至互联网，高性能网络通信已成为新型自动化系统应用的基础，复杂人机交互及服务成为自动化应用的重要组成部分。

因此，现代自动化系统有着很强的信息技术基础支撑，并形成工程性很强的产品和应用技术体系，能够并需要面对复杂的应用系统结构和特性需求，既包括极其复杂的生化对象控制，也可以是规模庞大的制造、工厂自动化或智慧城市自动化系统。

要理解和认识现代自动化系统及其特点，还是先从实例开始。下面先以工业机器人作为被控对象与执行机构设备实例展示其构成和功能，再简单地对工业生产过程自动化进行总结。

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科技术于一体的现代制造业自动化装备，广泛应用于汽车制造、机械制造、电子器件、集成电路、电力系统、基建等领域。一方面，工业机器人作为空间运动执行机构，结合装备或生产线制造，组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现焊接、切割、装配、喷涂、搬运、码垛等多种生产作业，是自动化系统、自动化生产线的重要组成部分；同时其本身又是典型的多轴运动控制系统——每一个轴（关节）由一台电机及减速传动机构实现转角（位置、速度）控制，进而带动连接在传动轴上的运动座、连杆、机械臂等以及末端执行器（如抓手、吸盘、焊枪、切割器、喷枪等）进行相对或绝对运动。

图 4.1.1 是某国产 6 自由度垂直关节型机器人，可以安装在 3 自由度龙门架上，与 2 自由度的变位机多轴协调配合构成复杂的大空间范围焊接自动化机器人作业系统，如图 4.1.2 所示。

作为典型的机器人系统，从外观上看，它包括两大部分：机器人本身和控制系统（控制柜+示教器），如图4.1.3所示。

机器人本身采取特定结构的机械传动机构（如图4.1.4所示，由机座、腰部、臂部、腕部等组成）外加各种机械操作装置（即末端执行器），本体上还装有各种传感器、执行器（电机）（如图4.1.5所示）。机器人内置的传感器主要面向运动控制，如电机电流（力矩）传感器、速度/位置传感器（光电编码器）、限位开关等，外置的视觉、光电传感器、激光传感器、电弧电流传感器、多轴力/扭矩传感器等，用于机器人闭环或半闭环控制实现智能作业。

参考视频4.1.1：焊接机器人系统

参考视频4.1.2：机器人各轴运动

参考视频4.1.3：多机器人协作焊接

完整的机器人控制系统功能组成如图4.1.6所示，其中机器人控制柜组成包括：①控制器，②网络通信接口，③伺服驱动，④安全保护控制等，另外还有示教器和操作面板等附件用于人机交互操作管理。

实际的机器人控制系统的结构组成如图4.1.7所示，分层实施运动控制，保证末端（工具手）的作业运动位置和姿态。机器人控制器根据作业需要进行六轴协调运动规划，确定各轴运动参数（速度、转角位置等）；机器人伺服控制器通过网络（伺服总线）获得指令（给定位置输入等）控制每个伺服

驱动器与电机（执行机构），同时编码器（检测）速度和位置等反馈信号送给伺服控制器，构成伺服控制子系统（如图4.1.8所示）。

这里的控制器与驱动器的连接可以是脉冲模拟信号，而目前更多的是高速通信数字信号，同样，光电编码器可以输出脉冲编码相对的位置信息，也可以串行通信形式提供串行的绝对位置信息。由此实例看出，由于控制作用和反馈信息传输的多样性，尤其是计算机数字控制与通信技术的应用，相对独立的智能化功能环节越来越多，传统自动化系统中的信息互联环节，事实上已更多地被广义的网络接口与通信环节所代替，结构变化如图4.1.9所示。

上例中机器人每个电机轴的位置控制为三环(3回路)结构，即位置-速度-电流(力矩)环。多个电机轴位置闭环控制系统构成多变量运动控制系统，实现机器人设备末端的空间位置与姿态控制，使之成为设备制造自动化系统的重要手段。

现代工业生产中，以温度、流量、液位、压力特征为参数，以管道、泵阀为物料、能量传输手段，通过多回路控制实现生产流程自动化，其控制对象是各种生产装置，如压缩机、精馏塔、化学反应器、锅炉等。通过特征参数的控制，实现产品高质量和高产出率，减少浪费损耗，延长设备寿命，还要实现安

全操作、低劳动强度以及环境保护等功能。图4.1.10是生产工艺带控制点的管道流程图，图4.1.11是在监控计算机显示的流程图画面。需要说明的是，计算机过程控制系统是最早的计算机应用领域。

事实上，硬件、设备与运行软件已构成现代自动化系统的要素，其中硬件、设备包括：计算机控制器硬件、网络通信、传感检测、执行驱动设备，而软件则包括系统软件和应用软件。正因为计算机技术、网络通信技术、人机交互技术的引入，现代自动化系统能够承担的任务越来越多，规模越来越大，其复杂性和特点可具体表现为以下几方面。

一、 系统结构的复杂性

（1）系统模型的不确定性。被控对象难以用数学公式精确地描述，即使可以用数学公式描述，其中的某些参数也是不确定的。

（2）强烈的非线性。这时既不能近似为线性系统，也不可能用相平面法、描述函数法等传统的非线性系统分析方法来解决。更麻烦的是，复杂的非线性系统具有行为的复杂性，它们在一定的条件下会产生非常复杂的行

为过程（如突变、分形和混沌等）。

（3）变量过多、维数太大。成千上百个系统变量使系统的分析和综合困难，形成所谓的维数灾难。如果变量之间是强耦合的，将使系统的分析和控制更困难。

（4）各类计算机系统通过计算、通信与控制技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和高质量服务，也对新型自动化系统的构建带来了新的挑战和任务，包括分析、设计与实现。

二、 系统任务的高要求

不仅要求系统达到3.3.2节中所提出的稳定性、平稳性、快速性、精确性等控制性能指标，还有高产量、低消耗等指标，并可能要求系统能有监控、预警等功能，完成协调、调度等任务。随着更多期望通过自动化来完成人的智能活动实践，控制系统的任务也将越来越复杂。

三、 环境与对象的多样化

传统的控制理论通常把对象视为孤立的、自由的，实际上控制系统多是开放的，总要受到外部环境的制约。例如，汽车的自动驾驶系统要时时关注复杂的道路、各种各样的障碍物以及其他行驶中的车辆甚至行人，并作出正确的决策和控制。与人和谐相处甚至已成为现代自动化系统的重要需求。

四、 信息交互连接的数字化和标准化

以现场总线控制系统和物联网、车联网（用于连接各类设备、装置和系统的标准通信网络，详见4.3节）等全数字式形式工作的自动化系统越来越多，实现各类设备、装置、部件的标准数字通信连接，由此带来时间延迟、传输不确定性等问题，给传统闭环控制带来更多的复杂性。

五、 自动化设备的产业化与系统集成化

由第3章的介绍可知，在物理意义上自动化系统是为完成一定的自动化作业或任务，由一些基本自动化设备（部件、装置）有机地组织起来的系统。现实中，一方面各类新型自动化设备和软件需要不断设计开发，并成为自动化技术创新的重要工作内容；另一方面用户对通用自动化设备的需求也催生了规模化产业。作为自动化专业工程师，一般不需要自己去设计、制造这些自动化设备，但必须能根据自动控制任务的要求，合理地选择自动化设备，构建有效的自动化系统，即所谓系统集成工作。

在系统集成过程中，构建完成相同任务的自动化系统的备选方案可以有多个，因此，需要从性价比多角度优选最合理的系统。

六、 信息管理与综合自动化

随着通信技术的发展，各种单元设备通过网络互联构成了各种分级分布式自动化系统，为基础自动化、信息管理与分析和优化调度提供了基本条件。以数据、多媒体信息为对象的各类监控管理系统也已成为自动化系统的一部分，或成为各类智能应用系统的主体。而在此基础上自动化系统不断发展，进而与管理信息系统相结合，形成企业管理控制一体化系统。

§4.2 现代自动化系统——设备与部件

实际的自动化系统，无论是传统的模拟控制系统，还是以计算机为核心的数字控制系统，都由一些基本的自动化设备（部件、装置）有机组织而成。这里的自动化“设备”与前面提到的“环节”有一定的区别，“环节”偏于概念与功能，服务于自动控制系统的理论分析与综合，“设备”侧重于实物，服务于自动化系统的物理构建。一个“设备”可以对应于一个“环节”或多个“环节”，还可以由多个“设备”对应于一个“环节”。从系统论的角度看，有些设备本身就是一个自动化系统，尤其是大量的智能设备。而在全分散数字化自动化系统中，设备之间通过现场总线通信系统相互连接，其独立运行的设备特性更加显著。下面分别从系统的信息特征出发阐述自动化系统中的各

种基本设备，同时也给同学们更多的感性认识和理解。

4.2.1 信息获取——传感器/感知装置

自动化系统中需要检测被控量、状态量以构成反馈控制回路，或需要检测扰动信号以形成前馈补偿，或检测各类参变量及状态来完成规定动作、安全操作及数据采集。检测被控对象系统内部或外部的物理参数，以获取相应的信息，这是传感器所承担的任务。

在自动化系统中，为了方便信息传输与处理，通常将所获取的信息表示成为电信号进行测量，因此常把待测量的物理量分为两大类：一类是电压、电流等原生的电信号量；另一类是温度、流量、物位、成分等非电信号量。对于电量的检测比较简单，放大处理即可，非电量检测则相对复杂。用于非电量检测的传感器一般由敏感元件和转换部分组成，敏感元件直接感受被测物理量的变化，得到表示这种变化的输出，转换部分则将敏感元件的输出信号转换为电信号。

实例中的工业机器人常用于机器制造自动化，其主要传感器有电流传感器（测量伺服电机电流或力矩）、光电编码器（测量位置/速度等）、力传感器（测量每个轴或作业工具受力大小和方向）、视觉传感器（测量空间位置、零件表面瑕疵、工件识别等）、激光传感器（测量空间位置、距离等）、电弧传感器（测量焊弧长短等）以及各类位置、安全开关等。流程工业中则使用了大量的温度、流量、压力、液位等传感器。

传感器分类方法也较多。有按被测参量的分类，如温度传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器、荷重传感器等；有按信号转换机理的分类，如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器等；有按处理输出信号形式的分类，如模拟式传感器、数字式传感器。图4.2.1为典型的工业接近/限位开关传感器，图4.2.2是工业过程控制用典型传感器，实现温度、流量、压力、液位等参数的测量和变送；图4.2.3是速度、位置传感器，主要用于运动控制系统测量，常用的速度传感器有光电式速度传感器、磁电式速度传感器及霍尔式速度传感器等，而位置传感器则以累计脉冲方式工作，有相对式位置传感器和绝对式位置传感器两类。图4.2.4是机电系统中触觉、振动和力传感器，图4.2.5则为常用的环境监测传感器。

在现代自动化系统中，以声音、视频为主的传感器以及各类激光传感器应用也日益丰富（如图4.2.6所示），前者可测取声强、声波，也可采用阵列形式测取声源位置，视觉传感器则作为性价比很高的信息获取感知手段被广

泛地用于环境、目标感知及产品检验。激光传感器按工作物质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器四种，是近年来发展应用很快的新型传感器手段，包括测长、测距、测振和测速等，广泛地应用于自动化领域。如实际应用的装配搬运机器人利用视觉传感器来实现加工物件识别，焊接机器人利用激光传感器来实现焊缝自动跟踪控制，服务机器人利用激光传感器来测距或避障，特殊环境下还利用光纤激光传感器来测量温度、气体浓度等。

压力传感器（带指示）

通用声传感器

驻极体话筒

声音传感器阵列

单目CCD摄像机

双目摄像机

红外摄像机

深度摄像机

激光测长传感器

激光光纤传感器

（4）带宽与时间响应特性 测量信号的频率范围和更新速率（对于数字式或智能传感器而言）。

传感器作为自动化系统的输入信号源，其性能好坏直接影响控制系统的精度和其他指标，是自动化系统中十分重要的设备。系统设计与应用中通常对传感器有如下四方面的要求：

（2）稳定性 传感器输出与被测量之间的单值函数关系不应受时间及工作环境的影响，有很好的重复性。

\$4.2.2 信息传输——信号转换与传输网络

（3）灵敏性 传感器的输出信号能反映被测量较小的变化量。

（1）精确性 传感器的输出信号必须精确地反映被测量的变化，它们之间应该是严格的单值函数关系，最好是线性的关系。

自动化系统中信息的传输形式和内容是多种多样的，最基本的信息以数值量大小形式传输，不同大小的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：连续变化的数值量（模拟量）一般采用模拟信号，例如在传统的模拟控制系统以及DDC控制系统中往往采用直流电压或电流信号传输，如过程

控制中标准信号制4~20mA（1~5V）DC信号对应温度、流量、压力、液位等信号的量程（下限-上限），也有用一系列连续变化的电磁波（如无线电调频调幅信号）进行传输；简单的数字逻辑量（数字量）则采用数字信号，例如用一系列断续变化的电压脉冲（如用规定的正电压表示逻辑1（高电平），用规定的负或0电压表示逻辑0（低电平），也可用光脉冲来表示。

信号的传输需要通过一定的传输介质和专门的收发信道来实现。例如，当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，一般通过传统的模拟信号传输线路（例如双绞线）来传输；当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质。当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、同轴电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传送到另一个节点。模拟信号和数字信号之间也可以相互转换，如模拟信号可以通过 PCM 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation）方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用 8 位编码可将模拟信号量化为 $ 2^{8} = 256 $ 个量级，实用中常采取 24 位或 30 位编码；数字信号可以通过对载波进行移相（Phase Shift）的方法转换为模拟信号。复杂的信息传输往往由专门的通信系统来完成。

基础自动化系统中的信息传输相对简单，采集、转换与传输的基本形式有：

（1）变送器 将现场传感器得到的信号转换成适合于远距离传送的标准信号（如4~20 mA DC电信号），实现现场信息到安装在控制室中的控制器的信息传输。反之，控制器的控制信号变换成适合于远距离传送的标准信号（如4~20 mA DC电流），实现控制器到现场执行器的信息传输。

(2) 压/频 (V/F) 和频/压 (F/V) 转换 模拟量与频率量的相互转换，通过电路实现被控对象（生产过程）输入、输出信号（传感器、执行器）与标准信号的变换，或用于频率信号远距离传输到计算机的信息传输，可以提高传输的抗干扰特性。

（3）模/数（A/D）和数/模（D/A）转换 模拟量与数字量的相互转换，实现计算机与被控对象（生产过程）传感器、执行器之间的信号变换与信息传输，这是数字控制系统的基本特性和要求。

（4）数字通信 各类数字通信接口，实现点-点、点-多点的数据报文交换，如智能化信息获取装置（如成分在线分析仪）将处理变换后的信号数据传送到控制计算机，或机器人控制器通过高速伺服通信总线实现多轴同步与伺服闭环控制等。

图 4.2.7 为典型的生产过程控制系统变送器和传输模块组成实例。

随着计算机网络技术的发展，自动化系统中各种数字功能单元或子系统普遍被采用，基于复杂通信协议的数字信号传输已成为主要手段。在网络互联的计算机控制系统中，网络各站点可以是系统中的任意功能设备，借助网络实现节点之间的信息传输、信息交换和信息共享，达到协同完成自动化任务的目的。自动化系统的通信网络与商业通信网络相比较，在技术性能上有如下特点：

（1）实时性要求 要求快速、实时甚至同步数据传输，网络堵塞以及网络传输引起的大延时在控制系统中都是不允许的。

（2）可靠性、安全性要求 要求周期性数据信息及突发事件信息传输的正确、可靠、一致。网络传输过程中引起的信息出错及信息丢失将导致控制系统错控或失控，这也是不允许的。

（3）确定性和完整性要求 要求兼容各类高级通信传输协议和高性能网络，网络传输的信息必须语义明确，解释单一，包括多媒体信息的实时同步压缩传输。

前述实例中的工业机器人运动控制系统就是通过高速伺服总线（如CAN Open、SerCOS、EtherCAT等）互联实现基于运动控制信息的同步高速协调控制。一般的底层数字控制系统以所谓现场总线（FieldBus）系统形式工作。现场总线被广泛地用于过程控制，图4.2.8为一实例，控制系统的各功能模块通过总线传输信息，实现闭环反馈控制。这里的反馈信号来自于变送器，控制器（PLC）负责控制，根据变送器发送的反馈检测信号进行控制计算，再通过网络把控制输出发送给执行器（阀门），形成闭环控制。现场总线还被广泛地用于车辆控制、飞机控制。图4.2.9是基于CAN总线的汽车控制

系统，汽车内部的各模块通过总线连接实现协调工作（注：ECU 是电子控制单元的缩写）。更复杂的通信网络中，测量、控制、人机交互管理功能模块、工作站都可作为通信系统的节点形式工作，以分级（Hierarchical）、分布（Distributed）形式构成设备级、控制级、监控管理级等网络，详见4.3节。

4.2.3 信息处理——处理器与控制器

控制器可视为特定的信息处理器，它通过对被控系统的输入信息（给定信号、扰动信号等）和内部信息（状态信号、被控量信号等）的处理，得出对被控制对象的控制信号。

传统的模拟控制器用模拟电路或机电装置进行信号处理，方法、算法简单，因此它只能实现较简单的控制规则；随后出现用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，如单回路控制的数字调节仪表；更多的控制器以高功能的处理器为核心，运行复杂软件系统，其强大的信号处理能力使它能实现各种各样复杂的控制策略和运算，此外往往还可实现系统运行管理、输入输出转换管理、人机交互管理和实时通信报文收发及处理管理。这里只讨论此类控制器，即所谓数字控制器，其常见形式是控制计算机、控制仪表或数字控制器设备等。

数字控制器可以由 $ \underline{\text{自动化系统}} $研发工程师在通用的嵌入式处理器、微控制器(单片机)、可编程逻辑器件(CPLD)/现场可编程门阵列(FPGA)控制芯片基础上设计制作专门的硬件电路，并采用通用的程序设计语言(如汇编语言、C语言、C++语言等)开发专用的控制器，即根据需求定制开发专用的控制系统和运行软件，具有充分的灵活性。

在工程上，往往直接选用通用的、商业化的控制器产品，其核心是某种控制用微处理器，支持各种信息处理、控制运算、通信与人机交互。这类数字控制器通常由商业厂家（系统工程师）按标准功能和应用环境进行系统硬件和系统软件开发，配有基本的控制算法库和通信功能，并为用户（控制应用工程师）提供专用的控制编程语言（如 IEC61131—3 国际标准控制语言），方便进行应用系统构建和控制策略开发。这类系统通用性好，软硬件测试充分，技术水平高，性能稳定，应用系统开发周期短。

控制器构建自动化系统的核心知识和技术，有必要从多角度和层次详细地了解、掌握。

一、 核心处理器与系统开发

数字控制器的核心是微处理器——将中央处理器（CPU）集成到一片超大规模集成电路上，利用有序执行的指令序列——计算机软件来实现各种运算处理功能。

数字控制系统发展到今天，除了少量简易控制系统和优化管理系统采用台式或架装计算机形式外，绝大多数都采用嵌入式系统（Embedded Systems）技术。嵌入式系统采用的处理器包括以低功耗高性能及移动计算

功能见长的嵌入式处理器 EP（Embedded Processor）、具有高速数字信号处理或控制功能的数字信号处理器 DSP（Digital Signal Processor）和微控制器 MCU（Microcontroller Unit，俗称单片机——MCS，Single-Chip Computer）以及兼具高速并行处理功能的可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）。各种处理器各具特点和优势，因此也有兼具以上功能的系列处理器以及各种多核处理器，总体关系如图4.2.10所示。当然，复杂的控制运算计算机则多采用工业PC或计算工作站结构，属于工业控制计算机，在可靠性、输入输出、人机交互、通信接口等功能方面与嵌入式系统相近，具有很好的软件运行环境，并支持海量信息存储和复杂人机交互功能。

控制用处理器的主要特性要求具有很强的实时信息处理能力，即不仅支持复杂控制运算，其强大的信号处理能力使它能实现各种各样复杂的实时控制策略，还能便于实现系统运行管理、控制输入输出转换管理、人机交互管理和实时通信报文收发及处理管理，此外还要支持系统的可靠性运行，具有支持多任务甚至多用户系统运行（因此这类系统往往在操作系统（OS），甚至实时操作系统（RTOS）管理下运行），还要支持软件故障监测、掉电数据保护等功能。

图 4.2.11 是部分处理器芯片实例。核心处理器、程序和数据存储器、输入输出接口电路及各类功能芯片构成基本的控制器（计算机）系统，绝大多数嵌入式系统的处理器则根据需要将这些电路集成在一个芯片上。

早期的数字控制器利用数字逻辑电路构建，特点是具有并行处理和逻辑运算功能，因此与串行执行的微处理器技术同时发展的还有可编程逻辑器件，这里的编程指用硬件描述语言编程实现硬件电路功能。主流的产品是XILINX公司的现场可编程门阵列（FPGA）和ALTERA公司的可编程逻辑器件（CPLD），两者都支持标准的硬件逻辑描述语言，方便地构建实现数字逻辑控制系统。图4.2.12是XILINX公司的产品，图4.2.13是ALTERA公司的类似功能芯片，可以实现片上系统SOC（System On Chip）。

在此基础上进行系统开发的控制器属于定制专用型，往往具有更高的控制计算、处理速度并应用更新的系统和接口技术，其开发也需要较扎实的硬件和软件工程训练基础。

二、 通用控制器

通用控制器以商业产品形式提供给用户进行集成应用，构建自动化工程系统。通用控制器可以是简单的单回路过程控制仪表、速度调节器、变频控制器、伺服驱动器，也可以是面向复杂多回路、多变量过程控制的多功能控制器以及运动（数控系统、机器人）控制器。在工程上，通用控制器一般以（控制柜）架装形式进行安装，通过端子板与信号输入设备与控制执行机构电缆相连，便于检查维护。图4.2.14为典型的控制柜。

1. 单回路调节器（控制仪表）

过程自动化主要实现生产过程温度、流量、压力、液位等参数的检测与闭环控制。作为过程自动化的基础，这里的调节器是在模拟调节仪表（图4.2.15）的基础上采用数字技术和微电子技术发展起来的新型调节器。早期采用集成电路开发，具有过程调节功能，目前基本为微处理器化系统所替代。按功能分为简易型不可编程和高功能可编程型两类；按结构分为仪表型和计算机（智能）型两类。仪表型又分单回路和双、四回路调节器等。数字调节器具有常规模拟仪表的安装操作方式，可与模拟仪表兼容，并具有丰富的运算处理和操作功能，可简化设计安装工程，缩小控制室盘面尺寸，具有完整的自诊断功能，安全可靠性高；编程方便，无需计算机软件即可操作，便于推广，有与计算机联机的通信接口，扩展性好。

简易型单回路调节器是在模拟调节器基础上发展起来的仪表化数字调节器，通常在模拟调节器上增加信号的处理和报警功能，具有串级控制功能，为此有多组PID功能块和参数，带有操作面板、侧面操作器和通信接口，可实现网络和本地设定控制值及回路（手动/自动，或自动/串级）切换；自动

或手动方式和远方或本地方式的状态显示、手动输出；简单的侧面操作器可进行控制方案组态操作和调节参数调整、显示。

复杂的单回路调节器具有一定的编程设置功能，如设置多组曲线分段可编程，并有少量开关量输入输出、继电器、伺服放大等接口。高功能可编程型单回路调节器则在原理、构成与简易型相同，但具有更多的软件模块，可供用户选择编程，能实现高级的单回路及逻辑控制方案。

2. 运动控制器

基本的运动控制器就是直流电机的调压调速控制器和交流电机的变频调速控制器。直流电动机由于具有良好的调速特性、较大的起动转矩、相对功率大及快速响应等优点而成为早期运动控制主要的执行装置，其调速控制多为专用型。由于早期的直流电机为有（电）刷型，其机械换刷特性导致维护复杂、成本高，而现在则随着计算机控制技术的发展逐步为直流无刷电机和交流电机所替代，通过电子换向和交流变频变压实现旋转控制（执行器

除了上述通用的单回路控制器外，还有各种专用的调节器，如温度控制、速度调节器等。

相比于以阀门为主要执行机构的过程控制调节器而言，以电动机为基本控制对象和执行机构的运动控制器的种类要繁杂得多。运动控制通过对电机拖动类机械对象运动部件的位置、速度等进行实时闭环控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数工作。

部分可参见4.2.4节）。

前面讨论的通过水箱液位控制实现二次供水的替代方案就是变频恒压供水系统，其控制器可以说是自动供水控制器中应用简单、操作方便的一种。风机、泵和压缩机等变频控制是目前工厂节能降耗的手段之一，张力等控制系统也常采用变频器作为调速控制器，而家用空调和冰箱压缩机的变频调速控制则是实现节能静音的典型应用。目前全数字化交流变频调速控制器是应用和技术主流，利用计算机实现变频调速系统的控制方式包括变压变频（V/F）、矢量控制（FOC）、直接转矩控制（DTC）。图4.2.16是几款典型的变频器产品（系列），通用产品分低、中、高压变频器。

更多的运动控制以精确位置伺服控制作为目标，主要是伴随着数控（CNC）技术、机器人技术和工厂自动化技术而发展起来的。

早期的运动控制器多是可以独立运行(Stand-alone)的专用控制器，主要针对专门的数控机械(机床)和其他自动化设备而设计。控制器往往根据应用行业的工艺要求设计了相关的接口和操作功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，通信下载到控制器，后者即可完成相关的动作。这类控制器受特定工艺要求限制，开放性极为有限，后逐步由通用运动控制器所替代。

通用运动控制器一般为多级系统：运动控制与伺服驱动器，后者包括模拟调速/伺服驱动器、变频器、步进电机驱动器以及交流伺服驱动器等，如图4.2.17所示。控制器包括独立式控制器和基于PC的控制器两大类。独立式控制器可以是普通模块式控制器或可编程逻辑控制器PLC，也可以是箱式控制器（壁式、台式、架装式——安装在19英寸（1英寸=25.4mm）的标准机架上，其内部也可以是基于PC的控制器），如图4.2.18所示；基于PC的控制器也可以是板卡内置式控制器（安装在嵌入式PC主机内）。基于PC的系统具有更高的运动控制性能和计算速度，拥有PC软硬件环境的开放性，易于在单硬件设备上进行控制和可视化，便于实现全面的数据存储、评估和记录以及远程诊断和远程操作等功能。基于PC的控制器基于总线插槽上

的模拟式运动控制卡或数字式通信卡如图4.2.19所示）。典型的多轴运动控制应用系统如图4.2.20所示，图中系统伺服总线为Sercos III。

3. 可编程序逻辑控制器 PLC

可编程序逻辑控制器 PLC (Programmable Logic Controller) 是在用计算机/数字控制系统替代传统的继电器逻辑控制系统的基础上发展起来的。一台可编程控制器具有多点输入、多点输出、控制和通信功能，中小型 PLC 输入和输出以开关信号或逻辑信号为主，模拟信号为辅，控制以逻辑控制、顺序控制为主，回路控制为辅。由于 PLC 具有良好的可编程、网络化、易维护、抗干扰等环境适应性，各种大型 PLC 不仅被广泛地应用于复杂电气与运动控制系统，近年来，也被大量地应用于流程工业，实现各类连续过程控制系统，成为现代工业主要的通用控制器。图 4.2.21 是不同规模的 PLC 控制器。

与非通用的定制型控制器的不同之处在于，PLC等通用控制器支持标准的控制语言（如IEC 61131-3），用户可以方便地配置构建控制系统，编写控制程序，实现各种控制策略（一般称作系统组态或控制编程）。可编程控

扩展阅读4.2.1：组态与IEC61131-3控制语言

制器中的程序明确区分系统程序和应用程序，前者由厂家软硬件和系统工程师完成，经过充分的测试，后者需要控制工程师结合具体需求进行设计配置，以实现正确的系统构建和控制策略。图4.2.22给出了典型的五种语言形式应用编程图。

可以从简单的 PLC——早期主要实现逻辑控制和顺序控制的角度来理解工作原理和可编程特性的实现。在这类 PLC 中，原则上将系统（硬件等资源）管理任务和应用控制任务相分离，采用多任务（程序模块）结构。为了保证程序执行结果的唯一性和输出结果的唯一性，设置了输入映像寄存器、暂存结果寄存器和输出映像寄存器（存储单元）分别保存输入信号、程序执行的中间结果和程序执行结果，并按周期（如每隔 100 ms 或 10 ms）扫描的方式工作，定时执行相应任务程序。工作周期中可包含输入阶段、程序执行阶段、输出阶段三个过程，简单示例如图 4.2.23 所示。在输入阶段（周期），启动输入转换任务，读输入信号 $ I_{0} $、 $ I_{1} $、…、 $ I_{n-1} $ 并存入输入映像寄存器。程序执行阶段（周期），维持输入映像寄存器不变，并按一定的顺序逐条执行控制指令（运算），执行指令过程中所需要的数据从输入映像寄存器和暂存结果寄存器中读取，将指令执行结果存入暂存结果寄存器或输出映像寄存器。在输出阶段（周期），启动输出任务，将输出映像寄存器的内容转换成所需的输出信号 $ O_{0} $、 $ O_{1} $、…、 $ O_{m-1} $，来控制用户设备。除了输入输出逻辑外，还需要提供各类定时器、计数器以及时序组合逻辑软件模块，因此，在应用程序中可

以看到各种内部变量或与硬件对应的“软”设备，编程调试十分方便。

一台可编程逻辑控制器可以根据现场输入、输出点数的需求，选取合理的模块配置，实现一定数量的开关量控制和少量模拟量的回路控制，构成小规模、模块化的PLC控制系统。对于中型以上规模的工业自动化系统，可以选配各种接口控制模块，包括各种模拟量输入输出、运动伺服控制等，更可利用PLC的通信和组网技术，构建各种层次的PLC工业自动化网络。这类系统中需要增加相关的通信接口硬件和报文收发管理任务模块。

中大型 PLC 可选配模拟量 (A/D 和 D/A) 转换单元，就可以方便地实现模拟信号的输入和连续的反馈控制输出，同时也增加了 PID 各种控制运算功能软件模块，用于运动和过程控制。

4. 多功能控制器

与 PLC 对应的还有主要面向过程控制的多功能控制器，以回路闭环控制为主，用各种内部的“软”仪表（控制器）实现多回路的闭环控制，如图 4.2.24 所示，在外观和原理上与 PLC 类似，同时也支持开关逻辑量输入、处理和输出，被广泛地应用于分布式控制系统 DCS（参见 4.3.1 节），目前逐步为 PLC 所代替。

近年来随着计算机软硬件技术、通信技术、控制技术的发展，工业控制计算机厂商还定义开发了一种新类型的工业控制器——所谓可编程自动化控制器PAC（Programmable Automation Controller）。PAC结合了PLC固有的可靠性、坚固性和分布通信特性，还兼具PC的开放性、高性能CPU、高容量的内存和软件的强大效能，并便于连接各种高性能的触摸显示屏等人机交互设备，具有各种通信和高速输入输出接口，可整合运动控制与机器视觉等功能，提供高智能化的自动化系统。图4.2.25为一典型产品，显然其配有更多的通信和数据接口。

4.2.4 信息应用——执行器

自动化系统的目标是实现对被控对象自动、有效的控制，使被控对象的输出量（被控量）满足期望的要求。因此，从信息功能的角度出发，控制信号是信息处理的结果，而作为对被控对象实施控制作用的设备——执行器，就是信息处理的出口，实现信息的应用。

执行器实际上是信息流(信号)到能量流、物质流的放大、变换和执行装置，执行器将控制信号等效变换为所需要的更大功率的信号、能量或物质作用，使被控量按要求变化。最简单的执行器就是开关式执行器—电磁继电器、接触器、电磁阀等（如图4.2.26所示），通过电磁吸力（或力矩）把电信号（或电能）转换成机械（触点）位移，传递电气信号或能量，在控制系统中执行开关通断作用。继电器主要用于产生控制逻辑或驱动更大功率的接触器，电磁阀常用于气动和液压系统，控制气路或气缸、液压传动电机或较大的工业阀门。此外，还有大功率的电动开关阀，通过电机伺服控制实现全关闭和全开通控制作用。

第3章中提到了电机调速和位置控制，这里又多次出现了电动机，事实上，电动机是运动控制的主要执行机构，是实现电气传动自动化——电能到机械能变换的主要手段，通过控制电机的旋转运动，连在电机主动轴上的减速传动机构产生机械位移，实现旋转、平移等空间运动控制。电动机种类很多，有强调效率和调速特性的交直流拖动电动机和控制性能要求较高的各种控制电动机，包括步进电动机、交直流伺服电动机等，如图4.2.27所示。

相对于简单的开关执行器，连续作用的执行器需要有一定连续的工作范围和精度的驱动控制电路。要使电动机旋转就需要把控制信号转换成具有功率放大作用的电路，例如用于直流电动机调速执行的晶闸管触发及整流装置，由控制电压信号的大小产生一系列的触发脉冲，控制晶闸管在交流周期波中的导通时间的长短，改变提供给电动机的电能量；过程控制中，如

蒸汽加热温度控制系统的执行器——电动调节阀，由控制电压信号大小决定电动阀门的开度，控制蒸汽的流量，从而改变提供给加热器的热能量；水箱液位控制系统的执行器——电动阀门，由控制电压信号大小通过伺服放大器控制电机改变电动阀门的开度（行程），改变输入液料（物质）的流量。图4.2.28是典型的调节阀执行机构。

\$4.2.5 信息功能扩展——人机交互单元

虽然各种自动化系统在无人环境下工作，但由于作业的复杂性以及无人操作的高成本，实际的自动化系统离不开操作员的帮助，因此需要提供必要的具有数据、图形、报警等功能的监控单元和辅助操作器，实现必要的能在线监控或干预在线运行过程的人机交互功能，包括修改作业参数、切换回路的手动/自动等状态。此外，往往还需要具有辅助离线编程、程序调试等功能的监控操作设备。

在4.1节的实例中给出的机器人示教盒(示教器)，就是机器人的人机交互接口或设备，如图4.2.29所示。机器人示教盒(器)主要由液晶(触摸)屏幕和操作按键组成，可手持移动操作。机器人的主要操作基本上通过示教盒(器)来完成，操 $ \underline{\text{作者}} $可以通过示教盒设置参数，设定运动方式，编辑和生成示教程序，测试和启动机器人程序，示教过程中操作控制机器 $ \underline{\text{人}} $的各轴运动，调整机器人的位置和姿态，使机器人按照预期的轨迹运动的目的。同时，运动过程中对应坐标系下的点位信息可以被记录并存储，以支持精确的轨迹再现运动。

机器人与 PLC 系统还常常配置专门的触摸屏，安装在控制柜上用于现场操作或监控。与机器人类似的数控系统也提供了面向数控操作编程的操作站，如图 4.2.30 所示。

同样在流程生产工业和机器制造工业生产过程中都广泛引入了实时监控系统，通过运行在 PC 或图形工作站上的 HMI/SCADA（Human-Machine Interface/Supervisory Control And Data Acquisition）软件提供丰富多彩的人机

参考视频4.2.1：图形组态过程（供水控制）

交互和管理功能，包括数据采集、数据处理（如量程转换、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本程序等）、操作管理（手动/自动切换、控制参数修改、报警处理）、优化管理计算等。图4.2.31为iCONICS公司开发的GENESIS64和GENESIS32软件画面图。

近年来发展起来的新型控制器 PAC 和单回路多功能控制器，充分利用控制与显示人机交互相结合。此外，无纸记录仪也是一类新型设备，如图4.2.32所示，可自动实现多通道数据采集记录，利用存储卡或磁盘存储历史记录信息，代替传统的墨水笔和记录卷纸，并通过触摸屏为用户提供更直观的操作，包括视频图像等更高速、更直观的功能。

\$4.3 现代自动化系统——集成与优化

在第2章中我们看到了各种各样具有自动化功能的应用场景和装置实例，同时在第3章中了解掌握了自动控制与基础自动化的基本原理，将4.2节中系统各环节和单元组合集成起来，很容易构成基本的自动化系统和控制回路，形成各种自动化工程应用系统和装置。事实上，现代自动化系统已少有采用单机运行结构的，网络通信已成为各类自动化设备必备的功能，为车间、楼宇、工厂乃至城市级规模化自动化提供了成套集成技术，并与信息化管理系统相结合，为系统优化运行提供了可能性。

4.3.1 计算机集散控制系统 DCS

传统的模拟控制系统，一个控制器通常控制生产过程中的单个回路，整个生产过程中的几十个控制器之间相互独立，这种控制系统结构称为分散控制(Decentralized Control)。 $ \underline{\text{直接数字控制(DDC)系统替代传统的模拟控制系统是自动控制技术的一大进步，但是用一台计算机承担几个或几十个、甚至上百个控制回路的集中控制，信息高度集中的同时，其致命的缺点是危险集中，一旦计算机发生故障，影响面广，甚至导致整个生产过程全面瘫痪。}} $

随着大规模集成电路技术及计算机技术的飞速发展，各种形式的微型计算机的性能和价格的优势促使人们提出了一种集散控制系统（也称为分布式控制系统，DCS，Distributed Control Systems）的设计思想，即分散控制与集中管理相结合。在系统中，所谓分布式控制是采用多台控制器（或控制计算机），由网络连接起来，可地域上分布应用于生产过程装置或区域，每台控制器（计算机）独立完成信号输入输出和控制运算，根据生产过程的工艺情况，承担一个回路或多个回路的控制功能，这些控制器（计算机）直接面向生产过程，通常称为过程控制站或单元（这里的“站”系从通信网络角度，而单元则从控制功能角度，每个站或单元分配固定的编号以便网络识别和管理）。分布式控制既解决了计算机集中控制带来的危险集中的问题，又解决了传统模拟控制系统存在的分散控制器功能单一的局限性。所谓集中管理是采用网络通信技术将系统中的所有单元连成网络系统，并设置负责系统操作的操作员站（单元）、负责系统生成及维护的工程师站（单元）以及负责各过程控制站之间的协调及实现复杂控制算法的优化计算机站（单元）等，由此形成了全系统信息的集中管理和数据共享以及系统的集中监视、操作。典型的总线式DCS结构原理如图4.3.1所示。

传统的过程控制 DCS 中的控制单元主要由包含连续控制和逻辑控制功能的多功能控制器及单回路仪表承担。由于 PLC 所固有的可靠性和可维护性，采用 PLC 为核心控制器的 DCS 也已大量出现在过程控制与制造自动化领域，成为过程控制单元的主流。典型的 PLC 网络可支持三层结构，自下而上依次为设备（器件）层、控制层和信息层。例如日本 OMRON 公司开发的三层 PLC 网络如图 4.3.2 所示。设备层为 DeviceNet 网络，作为底层输入输出总线，负责与现场设备通信，采集现场数据，传送操作命令。控制层为控制器网络，负责各控制器（PLC）之间的通信，传送监控信息，实现协调控制。信息层为工业以太网络（Ethernet），负责传送操作监视和生产管理信息。通过以太网，还可以将 PLC 网络控制系统接入更大规模的网络。

计算机集散控制系统采用网络通信、数据库等技术，一方面每台计算机自成体系，独立完成部分控制任务（如多回路控制等），另一方面各台计算机之间又相互联络，交换信息，完成协调控制及操作、管理等任务，体现“分而治之”和综合协调相结合的控制系统设计思想。

§4.3.2 现场总线控制系统 FCS

计算机集散控制系统虽然较传统模拟控制系统和计算机直接数字控制系统有了长足的进步，但没有完全突破以上两种控制系统对应的控制模式的束缚。首先控制器（过程控制站）与现场控制设备（传感器、测量变送器等测量设备，执行仪表、开关、电机等执行设备）仍为一对一地按控制回路分别进行物理连接，在连接线上传输的仍为模拟信号。其次在控制网络的结构中遵循主从式的拓扑结构。

现场总线控制系统 FCS (Fieldbus Control System) 把部分原先处于控制室的控制模块、输入输出模块置入现场，使测量设备、执行设备等现场控制设备智能化，用标准的总线连接所有现场智能设备，构成如图 4.3.3 所示的现场总线控制系统。

现场总线控制系统具有以下特点：

1. 系统的高度分散性

系统中的各现场设备可以通过统一组态配置，在生产现场直接构成多个分散的控制回路，将DCS的控制站功能化整为零，分散到各现场智能设备中，实现了高度的分散控制。

2. 系统的开放性

现场总线已形成国际标准，凡符合标准通信协议的设备或系统都可以互连，从而保证了不同厂商产品的互操作性。

3. 使用的经济性

现场总线控制系统已经摒弃了传统的控制器与现场控制设备信号之间

一对一的物理连接形式，在通信线上挂接各种现场智能设备，因此接线简单，并节省大量电缆等硬件投资和工程投资。

现场总线有各类标准，主流的总线有：现场总线基金会标准（FF）、LONWORKS、CAN、Profibus、HART等。近年来工业以太网以其高速稳定可靠，已成为新的常用标准，而ZigBee等无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）则有望成为一类特殊的无线传输总线标准。

图4.3.2中的 DeviceNet 也是面向设备互联的一种现场总线标准。图4.3.4为西门子公司的分布式控制系统，其中底层采用了 Profibus 总线以及 HART 总线。

4.3.3 集成自动化系统

经典的 DCS 和 FCS 解决了基础自动化系统的现场控制和平稳操作，实现了装置设备和加工车间级的自动化，最新的 DCS 技术已发展到与工厂优化调度、信息管理与信息分析系统相结合的工厂综合自动化系统。面向工厂车间级的高层次自动化系统建立在全数字化及分布式通信系统基础上，涵盖了 DCS 多功能控制器、现场总线控制器、可编程序控制器 PLC 及各类智能设备，通过现场设备总线、控制总线及管理网络以及甚至物联网等实现互连，引入控制与信息化综合管理技术，实现平稳操作、优化控制与管理功能。

图4.3.5为典型的制造业自动化车间，系统中甚至大量应用自动搬运小车（AGV）实现工件物品的传送。

与此同时，随着计算机及网络技术在自动化领域的应用，工业生产过程中对于生产设备的控制已经逐渐完善，生产过程自动化已经达到相当高的水平。但是一个企业除了生产活动外，还有产品设计、物流储运、市场分析、销售服务、生产计划调度、经济核算、甚至劳动工资等经营、管理活动。“管理也是生产力”，一个只有自动化设备，仅能实现生产过程自动化的企业并不是一个现代化的企业，只有同时也实现了管理自动化，并实现管理和控制的一体化，才能适应现代市场经济的需求，即要既保证产品的低成本高质量，又按市场的变化组织生产，因此出现了面向机电制造业的计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）和面向流程工业的计算机集成过程（生产）系统CIPS（Computer Integrated Process/Production Systems），形成了现代制造和流程工业管控一体化的发展趋势。

CIMS系统首先把计算机技术应用到产品设计、工程制图，形成了计算机辅助设计（Computer-Aided Design, CAD）技术，把计算机技术应用到产品制造，除了控制机器运行，还处理产品制造中所需的数据，控制和处理物流，对产品进行测试和检验等，形成了计算机辅助制造（Computer-Aided Manufacturing, CAM）技术。在此基础上，将CAD、CAM集成到生产设备的自动控制中，实现了单元生产柔性自动化，即能使生产设备很快地适应产品的变化更改，满足产品多品种、少批量的生产需求。

此外，将计算机应用于管理领域，开发和建立不同模型的管理信息系统（Management Information Systems，MIS），在制造业相继有物料需求规划（Material Requirement Planning，MRP）、制造资源规划（Manufacturing Resources

扩展阅读4.3.1：计算机集成制造系统CIMS

扩展阅读4.3.2：计算机集成过程系统 CIPS

Planning, MRP-Ⅱ）和企业资源规划（Enterprise Resource Planning, ERP）等。它们不仅提供了企业信息化集成的解决方案，还融入先进的企业管理理念。例如ERP将企业的物流、资金流和信息流统一起来进行管理，对企业所拥有的人力、资金、材料、设备、生产技术、信息和时间等各项资源进行综合平衡和优化配置，科学、有效地管理人、财、物、产、供、销等各项具体业务工作，最大限度地利用企业资源来取得最大经济效益。

CIPS 同样把负责生产过程自动化的各个自动控制系统与负责管理自动化的管理信息化系统有机地集成为一体，成为集成自动化系统或综合自动化系统。这类系统能从企业的总体目标综合考虑问题，追求企业的整体优化，通常它具有以下特点：

（1）系统包括控制和管理两个方面。控制任务通常由 DCS、FCS 和 PLC 等基于网络的计算机控制系统完成，管理任务由联网的各种管理计算机、工作站和服务器计算机完成。

（2）系统采用分级递阶结构，从上至下依次为高层管理、底层管理、高层控制、底层控制。

（3）系统的信息集成。信息在系统中起关键作用，最后形成的产品可看成是信息处理和加工的物质形式。系统中必须有合适的用于传输信息的计算机网络系统，有良好的存储和管理信息的数据库，有处理和加工信息的软件平台。

（4）系统的功能集成。企业生产的各个环节，例如市场分析、产品设计、加工制造、销售服务、生产经营管理等；为生产服务的各环节，例如财务管理、成本管理、设备管理、人力资源管理等，全部集成在一个系统里，统一考虑。

（5）人的介入和参与。系统的各级都需要人员介入，需要人的知识、经验、智慧的参与，而且越高层人的因素越重要。

4.3.4 先进控制系统

传统自动化应用中通过经典控制理论将复杂控制系统简单化，进而实现以基本回路控制为代表的基础自动化。随着计算机和网络系统技术的发展，现代自动化系统的方向是对更高层次的复杂系统与作业优化控制提出了新的要求和解决问题的可能性。对于这些复杂和高需求的自动化系统，经典控制理论和一般的现代控制理论都显得无能为力，不能解决或者只能部分解决它们的控制问题。从20世纪70年代以来，一些先进的控制策略和技术得以产生和发展，即所谓先进控制技术：一方面在系统结构上通过构建

复杂的非线性或多变量对象模型，实现多变量优化控制，尤其围绕节能降耗、提高产品得率等目标取得各种进展，如燃煤发电厂的燃烧控制、精馏塔的节能控制以及各类生物发酵过程的优化控制等；另一方面研究开发、应用各种有效的先进控制算法及应用软件包。

主要的先进控制系统包括以下几种。

一、 智能控制系统

智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法来实现被控对象有效控制的技术。它建立在如下的事实基础上：由于被控对象本身及所处环境的复杂性，特别是各种不确定性因素的存在，虽使得基于数学模型的控制方法变得十分困难，但熟练的操作工、技术人员或者专家凭借他们的经验进行操作却仍能获得满意的控制效果。

人工智能用机器智能模拟人类智能行为，执行判断、推理、理解、学习等人类的思维活动，在知识表示、模式识别、问题求解、逻辑推理等领域得到应用。人工智能可以较好地用机器（主要是计算机）归纳、理解、学习及表示熟练操作工或专家对复杂系统的操控经验。人工智能与自动控制的结合，使人的经验知识与思维方式参与系统的控制，为高性能控制系统的实现提供了新的手段。

智能控制一经出现就表现出了强大的生命力。20世纪80年代以来，智能控制从理论、方法、技术直至应用等方面都得到了广泛的研究，逐渐形成了初步的理论和方法，并被许多人认为可能是继经典控制理论、现代控制理论之后控制理论发展的又一个里程碑。但是，智能控制又是一门新兴的、尚不成熟的理论和技术，现有的成果大多是从各有关学科出发，与其他学科相互交叉、渗透和融合的结果，它们只是智能控制的一些侧面。或者说，智能控制还未形成系统化的理论体系，还只是由一些相对独立的理论、方法和技术所构成。其中模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家控制是比较成熟并且应用最广的三个分支。

模糊控制以模糊逻辑为基础，利用模糊集合论这一数学工具，描述温度的高低、偏差的大小、阀门开度的大小等这类不具有明确边界的事物，并利用隶属度函数将这类事物进行合理的表述，进而在决策和输出进行相应的处理实现。简单的模糊逻辑还可以用于在线修改PID参数，形成所谓模糊PID控制策略。

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）模拟大脑神经元之间的连接，实现信息处理、存储等功能。

专家控制是将专家系统与控制理论方法相结合，应用专家的智能指导

工程控制的技术，是智能控制的重要分支，其基础是专家系统。专家系统是人工智能的重要内容，它实质上是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。

二、 自适应控制系统

环境变化对控制系统的影响有两个方面：一方面是环境变化引起被控对象的结构和参数的变化，由于环境变化的不确定性而导致被控对象结构和参数的不确定性；另一方面是环境变化作为对控制系统的干扰，直接导致被控量作用效果的变化，而对于不可测量的这类干扰，又不能通过前馈控制方法给予补偿。解决这个问题的一个有效方法是引入自适应控制思想和方法，使控制器自动地适应环境和对象的变化。自适应控制研究开始于20世纪50年代，近几十年来随着计算机技术的迅速发展而得到很大发展，形成了独特的理论和方法，并在实际的自动控制系统得到了广泛应用。

自适应控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统和模型参考自适应控制系统两种类型。

三、 鲁棒控制系统

鲁棒控制是针对被控对象不确定性的一种控制方法。与自适应控制来修正控制器的参数的方式不一样，鲁棒控制是研究如何设计一个控制器，使得相应的闭环系统在强度有界（在一定范围内）的不确定性扰动作用下仍能保持预期的性能，形成了以不确定性描述、鲁棒稳定性及鲁棒镇定、鲁棒控制器设计为基础的鲁棒控制理论和技术。

四、 容错控制系统

在自动化装备或系统中，由于部件、元器件的性能退化或者操作人员的误操作等原因引起的系统非正常工作状态会影响控制系统的特性，甚至带来系统安全性、可靠性等问题。这对于大型化、高速化的自动化装备或系统，问题可能更严重。

容错控制是指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。

当前主要有硬件冗余和解析冗余两种容错控制方法。硬件冗余方法基于硬件结构上的考虑，对重要部件或易发生故障的部件采用双重或多重备份，从而建立起冗余的控制器或信号通道，实现对硬件环节失效时的控制。解析冗余是一种“软件冗余”，它通过控制器的设计提高整个控制系统的冗余度。

§4.4 大系统

大系统（Large-Scale Systems，LSS）是指规模宏大、结构复杂、变量数目

多的系统。随着社会、经济的发展，许多大型系统，甚至巨型系统的分析、控制问题摆在我们的面前，具体地说一个城市的交通管理、控制系统，互联网的运行与拥塞控制系统，电力网络的调度与运行系统，大型企业的管理与控制系统等都是大系统。自动化系统首先用于此类系统的信息采集和监控，但是，经典控制理论、现代控制理论、甚至上节介绍的包括智能控制在内的先进控制技术都无法解决这些规模巨大的复杂系统的控制问题。因此自20世纪70年代开始，逐渐形成并发展了研究分析和控制大型系统的理论、方法——大系统理论，并在此基础上形成了一门新的学科——系统工程，成为现代自动化系统的拓展应用领域。

\$4.4.1 大系统及其控制

一、 大系统的概念

什么是 $ \underline{\text{大系统？}} $至今尚无明确的、被普遍接受的定义，现在 $ \underline{\text{关于大系统}} $的描述只是从不同的侧面刻画它的特征。实际上，大系统涉及的领域很广，可以是自然界的，如生态系统，人体系统；可以是社会领域的，如人口系统、行政系统；也可以是工程技术领域的，如计算机网络系统，大型企业生产自动化系统等。不仅给大系统下定义困难，具体界定也困难。例如人体系统是一个大系统，它包含有许多子系统，含有非常多的变化参数，具有十分复杂的动态特征。但实际上人体系统所包含的神经系统本身也是一个大系统；再进一步，神经系统所包含的大脑系统也是一个大系统。可见，认识一个大系统，只能从它所具有的特征出发。

通常，一个大系统应该具有如下基本特征：

（1）由一些子系统组成，规模庞大；

（2）子系统间纵横交错，关系复杂；

（3）整个系统目标多样，功能综合；

（4）系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往数量较大；

（5）具有非线性特性和繁殖、扩展能力；

（6）往往是有人参与的系统，人为因素影响大。

二、 大系统的控制

大系统的特点是规模大、结构复杂，给控制带来困难，解决的思路就是“化大为小，化整为零”，把高维的大系统，分解为若干个低维的、便于控制的子系统，各子系统可以独立地实现有效的控制。根据大系统结构和控制方式，可以归纳为三种类型的控制。

1. 集中控制（Centralized Control）

由一个控制中心对整个被控对象实施统一的控制，如果被控对象由多个子系统组成，则各子系统的信息都送入控制中心，经集中处理后由控制中心分发控制信号，直接来控制各子系统，如图4.4.1所示。

当系统的规模不太大或结构比较简单时，集中控制方式是有效的，它能汇总整个系统的全部信息，对全局作出直接合理的优化控制方案。但随着系统规模的扩大和结构的复杂化，由于信息传输通道的限制以及控制中心处理能力的限制，集中控制将产生严重的滞后，从而使控制系统反应迟钝，应变能力差，集中控制的优势不再存在。

2. 分散控制（Decentralized Control）

由若干个分散的控制器分别控制各个子系统，如图4.4.2所示。如果分散的控制器之间没有信息变换，则为全分散控制；如果有部分信息交换，则为局部分散控制。分散控制中各个控制器需要处理的信息量少，处理速度快，从而增强了系统的应变能力，提高了系统局部控制效果；同时危险也得以分散，系统的可靠性提高。但是，由于把控制权分散到子系统层次，而每个子系统的控制器只能获得整个系统的部分信息，它也只关心它所涉及的子系统的优化控制问题；即使控制器之间有部分信息交换的局部分散控制系统，也无法利用全局信息和机构，所以整个大系统缺少掌控能力，各子系统的控制会出现不协调、互相干涉的现象。这时即使各个子系统的控制都优化了，也不能保证大系统的控制优化。正如城市各交叉路口的交警可以根据各路口车流的实际情况控制放行时间，但是个人不能对全市的车流实现管控，如果涌向某个管辖的交叉路口的车流过大，交警仍将无法应对，出现堵车甚至失控。

3. 分解—协调

分解一协调控制综合了集中、分散两种控制方式的优点，克服了它们的局限性，它的核心是分解和协调，即根据大系统的运行特点，将大系统按一定的原则进行分解，分解后的子系统、子任务维数低，约束少，便于 $ \underline{\text{实现}} $优化控制。另外，系统又通过协调功能将全系统的各子系统、子任务的控制按总指标、总任务进行协调管理，实现大系统的优化。根据大系统的不同 $ \underset{\cdot}{情} $，有三种不同的分解一协调控制模式。

（1）分级递阶控制 对于能分成多个子系统进行独立控制的大系统，将被控对象或过程分成若干子系统，每个控制器独立地完成相应子系统的控制任务，实现系统的局部优化，它们构成了控制系统的第一级，即面向现场设备的控制，对应的控制器称为现场控制器。对于相互之间有关联、需要进行协调的各子系统现场控制器，由上级控制器与它们相连，共同负责各子系统之间的协调，以实现系统的小范围优化。它们构成了控制系统的第二级，即面向单元的控制，对应的控制器称为单元控制器。如有必要，再用更上一级的控制器与各个单元控制器相连，负责系统大范围或整体的协调和优化，构成控制系统的第三级，即面向系统的控制，对应的控制器称为系统控制器。当然，如有必要，还可安排更高级别的控制器，但一般情况下二级或三级结构已经满足一般大系统的控制。分级递阶控制是一种金字塔式的控制结构，上一级控制器是下一级控制器的协调机构，完成比下一级控制器所管辖范围大的决策与控制，它接受下一级各个控制器上传的信息，经协调和优化计算，下传控制指令。如此上下结合，既能保证系统的局部优化，又能实现全局的尽可能优化。一个三级的分级递阶控制系统如图4.4.3所示。4.3.1节中介绍的集散控制系统DCS是典型的分级递阶控制系统结构。

（2）分层控制 对于结构上不便于分解但是任务能够分解的大系统，按所要完成的任务分成不同的层次，每一层设置控制器，其功能是完成所对应的任务。一般来说，较高层次的任务较复杂，对应控制器的功能也较复杂，所受的干扰因素变化较慢；而较低层的任务较简单，对应控制器的功能也较简单，所受的干扰因素变化较快。分层控制中，上下层是按任务分工的，但由于上层的任务比下层复杂，往往下层为上层“服务”、受上层“支配”。某一层控制作用的产生一方面受上一层指令的支配，另一方面考虑被控对象反馈来的现场信息进行控制。图4.4.4给出了一个典型的四层控制的结构，自下而上分别是直接控制层、优化控制层、自适应层和自组织层。其中自组织层根据大系统的总目标、总任务，考虑现场环境条件的变化，制定 $ \underline{\text{出总}} $决策，并负责全系统的组织管理；自适应层按照自组织层的决策， $ \underline{\text{根据}} $被控对象或过程特性或运行情况的变化，对下一层优化控制层的目标函数、约束条件及数学模型进行 $ \underline{\text{适应性}} $修正；优化控制层根据上一层给出的目标函数、约束条件及数学模型作出优化控制决策，并克服环境对系统的变化较快的扰动影响；直接控制层则根据优化控制的指令，直接控制被控对象或过程，克服快变扰动对 $ \underline{\text{系统}} $影响。

（3）分段控制 对于被控对象或过程能按运行的时间顺序进行分解的，将全过程分解为若干时段，每一时段视为一个子系统，配置控制器实施控制。在各分段控制器的上级设置协调模块，负责各段控制的协调，把前一段的终点与后一段的起点有机地衔接起来，完成全过程的优化控制任务。其结构如图4.4.5所示。生产流水线、导弹飞行过程等都可按照分段控制设计控制系统。

4.4.2 系统工程及其应用

一、 系统工程的概念

1969年7月21日，美国“阿波罗11号”飞船登月成功，第一次把人类送上月球，并安全返回地面。在历时11年的“阿波罗载人登月计划”实施过程中，参加研制的企业有2万多家，大学和科研机构120多所，参加人员42万余名，研制零部件700多万个，耗资300多亿美元。这项工程包括不计其数的研究、设计、试制、生产、安装、调试等方面的工作环节，涉及数学、物理、化学、材料、天体学、医学、心理学等众多学科和火箭制导、机械、电子、通信等多种工程技术。这是一项庞大而复杂的计划，整个实施过程的每一环节，参加实施的每一部门、每一个人，所研制的每一个零部件都不能出半点差错，其中组织管理的工作量和复杂性是可想而知的。“阿波罗登月计划”正是采取了科学的组织管理手段，强调用“系统的理论和方法”组织计划的实施，协调平衡，环环紧扣，才使计划取得巨大成功。

系统工程(System Engineering)是一门关于组织管理的技术。一个计划的实施、一个工程的完成、一个战役的展开等都可以看作是一个被控制的过程。当然，这里的“控制”有别于前面对物理量的控制，主要包括组织、管理、指挥等意思。对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统广义化。

虽然对系统工程下一个确切的定义尚有一定的困难，但可以认为它包含了如下几方面：

（1）它面对的是一个庞大而复杂的对象；

（2）要达到的目标是系统的综合最优；

（3）涉及的不仅仅是工程技术问题，需要根据系统的目标，把自然科学、

社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，应用于人们的科研、生产、经济和社会活动；

（4）应用数学方法和计算机等工具，并有人参与。

二、 系统建立和系统分析

要建造一个系统，通常要经过如图4.4.6所示的五个阶段。在系统规划阶段，主要是提出问题、定义系统、设定目标。在系统分析阶段，主要是系统目标分析、收集信息、制定各种方案、模型化和最优化、评价和决策。在此基础上，确定系统方案，然后进入具体的系统设计、系统构建和系统运行各阶段。

在系统建立过程中，系统分析的工作特别重要，它的任务是在设定的目标下，从多个备选方案中选出其中的最优方案。为此，系统分析阶段要对系统的目的、功能、环境、费用、效益等进行充分的调查研究，收集、处理大量的数据、资料，建立各个备选方案及其相应的模型，进行仿真实验和优化分

析，并与原定目标和计划进行比较，作出评价，整理出完整、准确的综合资料，提供给决策者，作为决策者选择最优方案的依据。

在系统分析过程中，善于运用逻辑思维和推理很重要，并往往需要利用计算机这一现代化的信息分析、处理工具。

三、 系统工程的应用

凡是要解决比较庞大、比较复杂的问题，人为建造一个“系统”的地方都是系统工程的用武之地，它渗透到各行各业，各个领域，例如：

（1）工程系统工程指工程体系的设计、组织和管理。例如建造一个联合企业，建造一台复杂的机器（如飞机），建立一套大规模的自动控制系统等。上面所说的美国“阿波罗登月计划”是工程系统工程的典范。

（2）软件工程 指对一个庞大的计算机软件（系统软件或应用软件等）的设计、开发、调试的组织、管理。

（3）军事系统工程 指军事领域行为的组织和管理。例如一个战役的组织和指挥。

（4）社会系统工程 指以社会活动为对象的系统工程。例如国民经济建设的组织和管理，社会治安系统等。

（5）环境系统工程 例如区域生态系统，流域水污染治理系统等。

（6）交通系统工程 例如城市智能交通管理系统等。

（7）企业系统工程涉及一个企业的结构调整、新产品研发、市场预测、

全面质量管理、成本核算、材料供应等的企业管理系统。

思考题

1. 说说现代自动化系统与网络通信技术的关系？

1. 针对某个自动化系统，说明其中人机交互的必要性和可能的解决方案（可以是任务指令的获取，辅助信息获取或人类环境的信息感知等）。

1. 针对两种典型基础自动化系统，说出其组成单元的产品或设备的名称及参数。

1. 什么是 DCS? 查阅资料,说出两家国内和国外著名厂家的 DCS 产品 (包括 PLC) 及特点。

1. 什么是 FCS？查阅资料，说出三种总线标准以两家国内和国外著名厂家的 FCS 产品及特点。

1. 什么是集成自动化系统？它与传统的自动化系统有什么区别？

1. 什么是⼤系统？它有一些什么特征？

1. 大系统的控制方式有哪些？各有什么特点？

1. 什么是系统工程？

1. 查阅资料，说明一个成功的工厂自动化案例及特点。