什么是自動控制
2019-12-06 17:16:26 4488
簡介
自動控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高控制效率。自動控制是工程科學(xué)的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，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)。我們今天稱作自動控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支[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)是一個簡明易懂的例子。目的是把室內(nèi)溫度保持在一個定值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)到這個目的，加熱必須被適當(dāng)?shù)挠绊憽Ｍㄟ^閥門的調(diào)節(jié)，溫度就會保持恒定。除此之外，在人們有感覺之前，暖器熱水的溫度也會受外界溫度的干擾。其余的例子還有三油桶系統(tǒng)。
自動化控制裝置
3歷史發(fā)展
150多年前第一代過程控制體系是基于5－13psi的氣動信號標(biāo)準(zhǔn)（氣動控制系統(tǒng)PCS，Pneumatic Control System）。簡單的就地操作模式，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(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領(lǐng)域。它標(biāo)志了電氣自動控制時代的到來。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，人們在測量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的特長，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)的信號傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。
自動控制
第四代過程控制體系（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)是整個控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計(jì)算機(jī)，而是由幾臺計(jì)算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。
第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就象DCS從CCS發(fā)展過來一樣，有了質(zhì)的飛躍。“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；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)場控制站一級，現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行器之間的聯(lián)系仍采用一對一傳輸?shù)?-20mA模擬信號，成本高，效率低，維護(hù)困難，無法發(fā)揮現(xiàn)場儀表智能化的潛力，實(shí)現(xiàn)對自動控制現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和深層次管理。所謂現(xiàn)場總線就是連接智能測量與控制設(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。簡單地說傳統(tǒng)的控制是一條回路，而FCS技術(shù)是各個模塊如控制器、執(zhí)行器、檢測器等掛在一條總線上來實(shí)現(xiàn)通信，當(dāng)然傳輸?shù)囊簿褪菙?shù)字信號。主要的總線有Profibus，LonWorks等。
1、 40年代--60年代初：
需求動力：市場競爭,資源利用，減輕勞動強(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)自動化階段，主要特點(diǎn)是:各種單機(jī)自動化加工設(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：
需求動力：市場競爭加劇，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)需要和減輕勞動強(qiáng)度。主要特點(diǎn)：此階段主要以自動生產(chǎn)線為標(biāo)志，其主要特點(diǎn)是:在單機(jī)自動化的基礎(chǔ)上，各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，同時軟件數(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、銑等加工的自動生產(chǎn)線。
3、70年代中期--至今：需求動力：市場環(huán)境的變化，使多品種、中小批量生產(chǎn)中普遍性問題愈發(fā)嚴(yán)重，要求自動化技術(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)立的單元自動化技術(shù)集成為一個優(yōu)化的整體。所謂哲理，就是企業(yè)應(yīng)根據(jù)需求來分析并克服現(xiàn)存的“瓶頸”，從而實(shí)現(xiàn)不斷提高實(shí)力、競爭力的思想策略；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，并行工程作為一種經(jīng)營哲理和工作模式自80年代末期開始應(yīng)用和活躍于自動化技術(shù)領(lǐng)域，并將進(jìn)一步促進(jìn)單元自動化技術(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)自動控制加工宇航技術(shù)的發(fā)展，自動控制理論跨入了一個新階段——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)，首先要將被控制對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機(jī)的總體，這就是自動控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中，被控對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；而控制裝置則是對被控對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(tǒng)。
在反饋控制系統(tǒng)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，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實(shí)現(xiàn)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒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)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動控制理論是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展配電自動化初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(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)并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，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)生價值
自動化技術(shù)的深入發(fā)展，促進(jìn)了單元技術(shù)的不斷綜合，以CIMS為代表的未來工廠自動化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學(xué)院根據(jù)對美國在CIMS方面較領(lǐng)先的五大公司的長期調(diào)查分析，認(rèn)為采用先進(jìn)自動化技術(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，自動化技術(shù)的應(yīng)用，其效益明顯提高。
6應(yīng)用研究
自動控制的發(fā)展，從開始階段的發(fā)生到形成一個控制理論，講整個這個進(jìn)程。自動控制就是指這樣的反饋控制系統(tǒng)，這是有一個控制器跟一個控制對象組成的，把這個控制對象的輸出信號把它取回來，測量回來以后跟所要求的信號進(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。讓控制器完成這個控制作用，使得這個偏差消除或者說使得控制對象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號?？刂茖ο蟮妮敵隽恳话銇碚f都是一個物理量，比如說我控制一個機(jī)器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測量出來，才能進(jìn)行控制。
7發(fā)展歷程
從一開始出現(xiàn)的時候，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？就是有兩個飛球，一轉(zhuǎn)起來
以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開以后，這個下面的套筒就往上升，這個套筒在移動，就帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。
