什么是自動(dòng)控制
2019-12-06 17:16:26 4564
簡(jiǎn)介
自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、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(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)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(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今天稱作自動(dòng)控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個(gè)分支[1]。基礎(chǔ)的結(jié)論是由諾伯特·維納，魯?shù)婪?middot;卡爾曼提出的。
自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)
2舉例
室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié) 室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)是一個(gè)簡(jiǎn)明易懂的例子。目的是把室內(nèi)溫度保持在一個(gè)定值θ，盡管開窗等因素使得室內(nèi)熱量散發(fā)出室外（干擾d）。為了達(dá)到這個(gè)目的，加熱必須被適當(dāng)?shù)挠绊憽Ｍㄟ^(guò)閥門的調(diào)節(jié)，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(tǒng)。
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(hào)標(biāo)準(zhǔn)（氣動(dòng)控制系統(tǒng)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(hào)，這一明顯的進(jìn)步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。它標(biāo)志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)。控制理論有了重大發(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)；控制室的設(shè)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年代開始了數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，人們?cè)跍y(cè)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(jì)算機(jī)的特長(zhǎng)，于是人們普遍認(rèn)為計(jì)算機(jī)能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號(hào)，但是時(shí)隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問(wèn)題，失控的危險(xiǎn)也集中了，稍有不慎就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（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(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計(jì)算機(jī)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(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而是由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個(gè)了控制系統(tǒng)。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(hào)傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號(hào)，而逐漸地以數(shù)字信號(hào)來(lái)取代模擬信號(hào)。
第五代過(guò)程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）：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(xiàn)場(chǎng)控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(fā)展空間。由于傳統(tǒng)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(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制站一級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)控制站與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表、執(zhí)行器之間的聯(lián)系仍采用一對(duì)一傳輸?shù)?-20mA模擬信號(hào)，成本高，效率低，維護(hù)困難，無(wú)法發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化的潛力，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和深層次管理。所謂現(xiàn)場(chǎng)總線就是連接智能測(cè)量與控制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多節(jié)點(diǎn)分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路。簡(jiǎn)單地說(shuō)傳統(tǒng)的控制是一條回路，而FCS技術(shù)是各個(gè)模塊如控制器、執(zhí)行器、檢測(cè)器等掛在一條總線上來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，當(dāng)然傳輸?shù)囊簿褪菙?shù)字信號(hào)。主要的總線有Profibus，LonWorks等。
1、 40年代--60年代初：
需求動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),資源利用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)批量生產(chǎn)需要。主要特點(diǎn)：此階段主要為單機(jī)自動(dòng)化階段，主要特點(diǎn)是:各種單機(jī)自動(dòng)化加工設(shè)備出現(xiàn)，并不斷擴(kuò)大應(yīng)用和向縱深方向發(fā)展。典型成果和產(chǎn)品：硬件數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。
2、60年代中--70年代初期：
需求動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，要求產(chǎn)品更新快，產(chǎn)品質(zhì)量高，并適應(yīng)大中批量生產(chǎn)需要和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。主要特點(diǎn)：此階段主要以自動(dòng)生產(chǎn)線為標(biāo)志，其主要特點(diǎn)是:在單機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，同時(shí)軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機(jī)床，CAD、CAM等軟件開始用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和制造中，此階段硬件加工設(shè)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。
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(yán)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(guó)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(xiàn)集成的相應(yīng)技術(shù)，把分散獨(dú)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(yīng)根據(jù)需求來(lái)分析并克服現(xiàn)存的“瓶頸”，從而實(shí)現(xiàn)不斷提高實(shí)力、競(jìng)爭(zhēng)力的思想策略；而作為實(shí)現(xiàn)集成的相應(yīng)技術(shù)，一般認(rèn)為是:數(shù)據(jù)獲取、分配、共享；網(wǎng)絡(luò)和通信；車間層設(shè)備控制器；計(jì)算機(jī)硬、軟件的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)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年代末期開始應(yīng)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，柔性制造系統(tǒng)(FMS)。
隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)新成果的推出和電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為適應(yīng)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(xiàn)代控制理論。主要研究具有高性能，高精度的多變量變參數(shù)的最優(yōu)控制問(wèn)題，主要采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。目前，自動(dòng)控制理論還在繼續(xù)發(fā)展，正向以控制論，信息論，仿生學(xué)為基礎(chǔ)的智能控制理論深入。為了實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制任務(wù)，首先要將被控制對(duì)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(jī)的總體，這就是自動(dòng)控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)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(duì)被控對(duì)象施加控制作用的機(jī)構(gòu)的總體，它可以采用不同的原理和方式對(duì)被控對(duì)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(tǒng)。
在反饋控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)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(xiàn)對(duì)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(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(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)稱被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)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(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了
設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)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(zhàn)后，以形成完整的自動(dòng)控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)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)工廠自動(dòng)化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國(guó)科學(xué)院根據(jù)對(duì)美國(guó)在CIMS方面較領(lǐng)先的五大公司的長(zhǎng)期調(diào)查分析，認(rèn)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(shè)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(shè)計(jì)費(fèi)用減少 15-30%
g.人力費(fèi)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(yīng)用，其效益明顯提高。
6應(yīng)用研究
自動(dòng)控制的發(fā)展，從開始階段的發(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(tǒng)，這是有一個(gè)控制器跟一個(gè)控制對(duì)象組成的，把這個(gè)控制對(duì)象的輸出信號(hào)把它取回來(lái)，測(cè)量回來(lái)以后跟所要求的信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)這誤差告訴控制器，這就是機(jī)器內(nèi)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(duì)象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號(hào)?？刂茖?duì)象的輸出量一般來(lái)說(shuō)都是一個(gè)物理量，比如說(shuō)我控制一個(gè)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測(cè)量出來(lái)，才能進(jìn)行控制。
7發(fā)展歷程
從一開始出現(xiàn)的時(shí)候，大家假如接觸到這門學(xué)科的話，可能都知道是瓦特的離心調(diào)速器。這是離心調(diào)速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調(diào)速器呢？就是有兩個(gè)飛球，一轉(zhuǎn)起來(lái)
以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，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(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。
