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如何系统的学好自动控制原理?

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发表于 2020-1-17 15:29:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
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如何系统的学好自动控制原理?

发表于 2020-1-17 15:29:51 | 显示全部楼层
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回答题主这个问题,要从应用谈起。
1.自动控制在玻璃制造业中的具体应用

我过去曾经在一家玻璃制造业的老国企工作过。这家企业有近5万名员工,生产浮法玻璃、钢化玻璃、压花玻璃、玻璃纤维、玻璃布等等。
玻璃原材料是海沙,当然还要添加许多其它物质。原料在几个篮球场大小的玻璃熔窑内熔化成玻璃液,此时的温度在1550℃左右。玻璃液澄清后,流到锡槽上方降温,接着被牵引到长达数百米的退火区。在退火区的出口,连续的玻璃带已经降温至常温。在这里玻璃被切割成玻璃板,并包装成为产品。下图是浮法玻璃生产线:
如何系统的学好自动控制原理?9220-jdacrhcqms 图1:浮法玻璃生产线示意图
在这里,到处都是自动控制,它的影响力展现得淋漓尽致。我来简单介绍一下吧:
1)燃料重油的PID控制
玻璃原材料需要熔化,燃烧的是重油。重油需要有加热的蒸汽,需要有输送压力,需要有流量控制,需要有重油温度控制。这些都是通过自动控制中的比例、积分、微分PID实施测控的。
PID的意思是什么?
我们知道,重油的流量、压力、温度都存在设定值,实际的重油参数与这些设定值之间存在偏差e(t),并且偏差e(t)是通过测量仪表获得的。实际的输出调控值Y(t)与反馈量e(t)之间有如下关系:
如何系统的学好自动控制原理?2565-jdacrhcqms ,式1
式1的右边括号内的第一项就是比例P,它表示控制量与反馈量成正比的关系,见下图:
如何系统的学好自动控制原理?2445-jdacrhcqms 图2:PID冲激响应曲线
图2中,控制目标值在纵坐标0.2。我们看到比例系数Kp的值越大,受控曲线冲向与0.2的偏差e(t)曲线冲激就越高,速度也越快,但同时越限也越大。当比例系数Kp取为无穷大,则曲线由连续型变成全开全关型,此时的全开全关控制方式叫做位式控制。
微分的作用则是加强反馈量e(t)的瞬变响应。至于积分I的作用,就是减小e(t)与控制量(在纵坐标0.2附近)的累计偏差。
PID运用极广,几乎涵盖了所有简单的控制系统。我们看百度百科对PID控制的解释:
如何系统的学好自动控制原理?3000-jdacrhcqms 图3:百度百科对PID控制的解释
PID控制的原理看似简单,但在自动控制原理的学习中,它涉及到对象建模技术,涉及到高等数学中的微分方程求解,还有复变函数下的传递函数。还有传感器技术,工业测控技术等等,与数电和模电密切相关。
我们看下图:
如何系统的学好自动控制原理?7416-jdacrhcqms 图4:用于电炉温度控制的调功器电路,注意到其中的比例-积分PI控制
因为温度不会突变,所以图4中用于温度控制的调功器中只有比例P和积分I调节。
在这家玻璃企业里,用于抽玻璃纤维的玻璃熔液坩埚的温度控制就用到类似原理,而玻璃纤维的抽丝控制则用到PID控制。在制造钢化玻璃的大功率电炉(1200kW到1500kW)调功器里,也采取了类似的控制方式。
PID控制,真是无所不在。
2)原料控制部分
玻璃企业的大宗原料,需要在原料车间制作。原料由多种材料混合而成,里面有海沙,有碳酸钠等十几种原材料,这就需要称量和混合自动控制。这些原料每个班次的需求量都在数百吨数量级。
对于抽取玻璃纤维的玻璃液,它的温度在1200℃左右,熔融的玻璃液里不能有空气泡。按牛顿气体上升作用定律(到处都是牛顿的影子,在这里也不例外),需要在原始玻璃液中出现一定数量的氧气气体。为此,就需要在原料中加入能大量产生氧气的澄清剂原料。原先的澄清剂采用的是砒霜,对,就是砒霜,事实上,玻璃工业是砒霜的最大用户。后来采用了氧化锑来取代砒霜。
原料的粉度要求很高,所以原理的破碎和粉度也需要自动控制,采取输出原理的粉度检查反馈技术。
在这里,所涉及到的技术有:各种电机控制技术和自动流水线测控技术,各种测量传感器技术,还有湿度监测技术等等。涉及到的专业有电机与拖动,有工业传感器技术,有PLC编程控制和流水线设计技术,还有无机化学和玻璃专业的各种理论等等。
3)熔窑的各种控制系统
熔窑内的温度与重油燃烧量有关,与原料的进入速度和玻璃液流出速度有关,与吹入的空气量也有关。吹入的空气量可以用来实现气氛控制,也即窑内气体偏向还原性还是偏向氧化性。对于浮法玻璃的玻璃熔窑来说,它需要氧化性气氛;对于玻璃纤维和玻璃马赛克熔窑来说,它需要略微偏还原性气氛。
熔窑内气压的高低,决定了玻璃液中的气泡含量,因此窑压必须加以测控。
在浮法玻璃熔窑的出口处是熔融的锡槽,里面有数百吨的熔化的锡。玻璃液在熔化的锡液上流过,一方面可以降温,另一方面就形成了平整的连续玻璃板带。但锡极易氧化,锡槽里的气体必须是氮气,由此又需要配套氮气的控制和监测技术。
熔窑的温度控制、气氛控制采取计算机控制方式,且纳入分散式控制系统DCS中。又因为熔窑控制与产量密切相关,所以它当然也就成为企业内生产系统的最重要核心。
在这里,需要的技术有计算机测控技术,有分散式DCS控制技术,有数据采集技术和传感器技术,有现场总线技术,还有各种电机测控和拖动技术,当然还有与玻璃化工工艺过程相结合的专用软件系统,以及数据库技术等等。可见,此处牵涉到的知识量相对较大。
一个例子:窑内气压的高低控制与烟道的闸门关系密切,用于烟道闸门控制的电机,必须采取急停措施,而电动机的急停采取带有反转能耗制动电阻的电路来实现,并要配套速度继电器。这部分的电路设计属于电机与控制的技术范畴。
我们看到,在这里,不但有玻璃专业的工艺原理,有各种工业控制和传感器技术,有计算机控制技术等等,与自动控制联系非常紧密,是企业的核心技术所在。
2.回到题主的问题上来

简单介绍了玻璃企业的各种控制系统,相信题主应当会有一定的印象了。我来总结一下:
第一:关于具体课程
对于自动控制而言,最重要的数学基础课是:高等数学、复变函数。读了这两门课,我们才知道如何列写用于控制的微分方程,才知道如何把实数域中的微分方程变换到复数域中成为相对简单的代数方程和传递函数。
我们需要读好自动控制原理,学好其中有关的各种控制方式,包括古典控制理论,以及PID控制,和现代控制原理等等。
我们需要认真读计算机控制技术,以及数据交换技术,弄明白什么是分散式DCS控制系统,它和现场总线有何种关系。
在现代工业中,传感器技术和工业测量技术十分重要。为此,我们需要读好模电和数电这两门课,并加强有关工业测量技术的学习。
由于现代工厂中大量使用晶闸管来实施电机控制和温度控制,因此必须读好电力电子技术,熟悉对应的各种控制原理。同时,对于电机学或者电机与拖动的原理,必须熟练掌握。
由于现代工业与电器技术密切相关,所以我们需要读好电器学,还有工厂供配电技术课程。
在企业里,各种设备都有图纸。这些图纸既有机械的,也有电气的,还有各种管道图纸等等,甚至还有建筑物图纸。因此,我们必须学好机械制图和电气制图,尤其是CAD技术,必须彻底掌握,越熟悉就越好。
在企业,为了做好受控对象的变化形式,以及对新产品的研发,我们往往需要实施仿真操作。为此,我们必须学好MATLAB仿真技术。
写了这么多,哪些课程是重点呢?答案是,全部都是重点。
第二:关于学习方法
我发现,许多学生们读书十分被动。究其原因,除了自身的因素外,主要就是不知道将来入职后的知识需求到底是什么,对于学习到的内容不知用于何处。
通过阅读此篇文档,我相信题主和知友们会有一定的印象了。建议大家针对自己的短板,使当地补充和巩固自己的知识面,以及知识深度。
其实,校园知识与企业中的实际知识相差甚远。在企业,是用国家标准、行业标准和国际标准来说话的。因此,学生们在有空有闲时,特别是求职前,务必仔细阅读与求职对象单位有关的主要国家标准,做好有的放矢。
另外,不要放松各种实验,并且要亲自动手实操。须知,实验实操是我们工科大学生的最起码历练手段。
第三:就是锻炼身体,并与同学们保持良好的私人关系
为何?现代工业需要员工们具有团队精神,需要员工们有良好的体魄,以适应职场激烈的竞争环境。可见,如何保持身体健康,是我们必须做到的最重要的基本技能。
第四:一定要培养自己的自学能力,包括自学方法和手段
这一点非常重要。因为当我们走出校园的那一刻,事实上一切新知识的学习都要靠自己。
前面已经说过,刚走出校园的学生们,在实用技能的知识面上其实是一穷二白的。我们什么也不会,什么也不懂。随着入职后的历练,我们将创建我们人生的价值和辉煌。
面对许多困难,我们需要自学许多东西。实现和组织起有效率的自学方法和手段,就需要我们在校园里先行历练。
一个建议:对于自动化专业的学生,不妨自学一门无机化学,对日后的工作说不定能派上用场,同时又历练了个人自学能力。
如何系统的学好自动控制原理?8801-jdacrhcqms 主要就是这些。如果题主和大学生知友们能从我的这篇帖子中有所收获,我将十分欣慰。
最后,给一个链接:
“电气、自动化什么都学,什么都不精”?我会根据评论区的评论,适当地补充。并且此帖开放转载,可以任意复制和转载。

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发表于 2020-1-17 15:30:28 | 显示全部楼层
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不谈非常具体的知识点,
个人感觉应该遵守这样的顺序:
从理论的角度  
学好微积分----学会用方程描述研究对象(不要求会解方程)---- 理解时域和频域的意义--- 理解傅立叶变换和拉普拉斯变换(真的理解其本质,不是单单会记公式)---- 开始入门经典控制理论---开始了解现代控制理论------然后就看个人的需求
学习过程中对于控制系统的理解
拿一个简单的常见的可以直观感受和想象全部过程的物理系统作为例子(比如控制滚筒静止在跷跷板上)---------   尽可能从直觉上理解某个控制器对其的控制过程(在初学时真的很重要)-----   利用学到的理论知识从数学上描述和验证这一系统的特性(从模糊的直觉到精确的抽象)------- 修改这个模型的某些参数,然后重复上一步。
在学习中,尤其是初学阶段,最重要的建立起一种 直觉和数学相互印证的关系。因为这种联系意味着理解控制理论的实质,也是理解更复杂理论的必要手段。但是随着学习的不断进行,系统和控制理论越来越复杂,将越来越难以建立和维持这样的联系,所以在初期就要反复训练自己做到这一点。否则在实际应用这些理论时,只知道冰冷的公式,判据,图线,只会机械地按照固定的步骤去解析去核算,那就会大大影响对这一领域知识的运用程度。

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发表于 2020-1-17 15:31:00 | 显示全部楼层
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我觉得应该明确学自动控制原理的目的,不同的目的应该有不同的方法
如果仅仅为了了解,大概花一到两个月的时间,把杨叔子那本机械工程控制基础读透了应该就可以了
另外也可以以考研的标准要求自己,来一本胡寿松的自动控制原理,配合石群的视频看,虽然这本书也包括了一些现代控制的部分,但至少前半本书是得看的




如果是做应用,那我觉得更重要的是离散系统部分,据说这一块李友善的书不错,然后到这一步了应该去看一些计算机控制技术的书,不过这门课我就没有推荐的书了,我是老师直接讲的,没有课本的那种。。
做应用的话,数字控制器是基础,然后还应该自己实操。可以先通过c语言,matlab仿真一遍(这里不推荐simulink,同样的情况我用c,matlab结果一样,simulink的结果差别却很大,我已经不相信simulink了,主要应该是我太菜了),然后可以找一个实际的被控对象自己通过单片机实现一遍,例如磁悬浮,电机调速等等,对了,这一步主要是PID。。。因为纯偏理论,数学的控制理论我觉得没啥意思,这一条路注定只能水论文,而控制理论的真正价值应该体现在工程上,而工程上还是以PID及其各种变形为主。此时应该关注如何调整pid参数,不仅仅是理论,仿真,更重要的是实践

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发表于 2020-1-17 15:31:06 | 显示全部楼层
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结合我个人的学习经验来说,首先,最最重要的一点,就是要知道自动控制这门课的研究目的是什么,以及闭环框图内各个环节表示的是什么内容。我个人的理解是,这门最主要的就是讲通过对于控制模块的极点配置,使得系统的输出尽可能稳快准的跟踪上输入。很多人学的时候都不懂这一点,单纯的把自动控制当作数学课来学,包括我本科的时候也是这样,那么就算最后考试考了90+也没用,因为完全不知道自动控制讲的是什么东西,从而导致完全不知道怎么用。
第二点就是基础得打好,也就是复变函数和电路中运算电路(电路拉式变换部分)要学好,基础不好的话学起来会很吃力。学好这两个部分的话你就能比较轻松的理解自控所讲的内容,而不是强行记住。强记是没有效果的,以后到用的时候你就又忘了。只有理解了,等到用的时候稍微看下书就能马上回忆起来。
第三点,要多动手试,自己用simulink搭一个控制框图,改变下极点位置(或者pid参数),观察系统输出的变化,能更好地理解系统参数变化对于输出的影响。

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发表于 2020-1-17 15:31:18 | 显示全部楼层
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强力安利东北大学张建辉老师的mooc呦!!

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发表于 2020-1-17 15:31:52 | 显示全部楼层
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作为一个刚考完的电气狗来说,多做题,多做题,能理解最好,不能理解请记住,考试时保持清醒,80/90+分不是梦
咳咳,当然如果你对一些实际案例有研究的话(像我一个同学),对自控的理论应用背景都比较熟悉,学起来是很简单的

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发表于 2020-1-20 17:02:29 | 显示全部楼层
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自动控制势不可挡喽

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