什么是自動(dòng)控制
2019-12-06 17:16:26 4501
簡(jiǎn)介
自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于將人類(lèi)從復雜、危險、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)并大大提高控制效率。自動(dòng)控制是工程科學(xué)的一個(gè)分支。它涉及利用反饋原理的對動(dòng)態(tài)系統的自動(dòng)影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數學(xué)的系統理論為基礎。我們今天稱(chēng)作自動(dòng)控制的是二十世紀中葉產(chǎn)生的控制論的一個(gè)分支[1]?；A的結論是由諾伯特·維納，魯道夫·卡爾曼提出的。
自動(dòng)化設備控制系統
2舉例
室內溫度的調節 室內溫度的調節是一個(gè)簡(jiǎn)明易懂的例子。目的是把室內溫度保持在一個(gè)定值θ，盡管開(kāi)窗等因素使得室內熱量散發(fā)出室外（干擾d）。為了達到這個(gè)目的，加熱必須被適當的影響。通過(guò)閥門(mén)的調節，溫度就會(huì )保持恒定。除此之外，在人們有感覺(jué)之前，暖器熱水的溫度也會(huì )受外界溫度的干擾。其余的例子還有三油桶系統。
自動(dòng)化控制裝置
3歷史發(fā)展
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）。
自動(dòng)控制
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。“分散控制”發(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)現對自動(dòng)控制現場(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，為適應自動(dòng)控制加工宇航技術(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。
4基本原理
在現代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱(chēng)控制裝置或控制器），使機器，設備或生產(chǎn)過(guò)程（統稱(chēng)被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數（即被控制量）自動(dòng)地按照預定的規律運行。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展配電自動(dòng)化初期，是以反饋理論為基礎的自動(dòng)調節原理，主要用于工業(yè)控制，二戰期間為了
設計和制造飛機及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統，雷達跟蹤系統以及其他基于反饋原理的軍用設備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。到戰后，以形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數為基礎的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線(xiàn)形定常數系統的分析和設計題。
5產(chǎn)生價(jià)值
自動(dòng)化技術(shù)的深入發(fā)展，促進(jìn)了單元技術(shù)的不斷綜合，以CIMS為代表的未來(lái)工廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學(xué)院根據對美國在CIMS方面較領(lǐng)先的五大公司的長(cháng)期調查分析，認為采用先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)，如CIMS，可以獲得以下效益：
a.產(chǎn)品質(zhì)量提高 200-500%
自動(dòng)控制
b.生產(chǎn)率提高 40-70%
c.設備利用率提高 200-300%
d.生產(chǎn)周期縮短 30-60%
e.在制品減少 30-60%
f.工程設計費用減少 15-30%
g.人力費用減少 5-20%
h.提高工程師的工作能力 300-3500%
由此可見(jiàn)，自動(dòng)化技術(shù)的應用，其效益明顯提高。
6應用研究
自動(dòng)控制的發(fā)展，從開(kāi)始階段的發(fā)生到形成一個(gè)控制理論，講整個(gè)這個(gè)進(jìn)程。自動(dòng)控制就是指這樣的反饋控制系統，這是有一個(gè)控制器跟一個(gè)控制對象組成的，把這個(gè)控制對象的輸出信號把它取回來(lái)，測量回來(lái)以后跟所要求的信號進(jìn)行比較。根據這誤差告訴控制器，這就是機器內部的工作了。讓控制器完成這個(gè)控制作用，使得這個(gè)偏差消除或者說(shuō)使得控制對象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號?？刂茖ο蟮妮敵隽恳话銇?lái)說(shuō)都是一個(gè)物理量，比如說(shuō)我控制一個(gè)機器的轉速，就是需要把速度測量出來(lái)，才能進(jìn)行控制。
7發(fā)展歷程
從一開(kāi)始出現的時(shí)候，大家假如接觸到這門(mén)學(xué)科的話(huà)，可能都知道是瓦特的離心調速器。這是離心調速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調速器呢？就是有兩個(gè)飛球，一轉起來(lái)
以后，因為離心力，飛球就往外脹。飛球脹開(kāi)以后，這個(gè)下面的套筒就往上升，這個(gè)套筒在移動(dòng)，就帶動(dòng)執行機構動(dòng)作，這是最早的瓦特的離心調速器。
