自動控制
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自動控制 （automatic control）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。自動控制是相對人工控制概念而言的。[1]
- 中文名 自動控制
- 外文名 automatic control
- 前 提 沒有人直接參與的情況下
- 利 用 外加的設備或裝置
目錄
簡介
自動控制技術的研究有利於將人類從複雜、危險、繁瑣的勞動環境中解放出來並大大提高控制效率。自動控制是工程科學的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態系統的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數學的系統理論為基礎。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產生的控制論的一個分支。基礎的結論是由諾伯特·維納，魯道夫·卡爾曼提出的。
舉例
室內溫度的調節 室內溫度的調節是一個簡明易懂的例子。目的是把室內溫度保持在一個定值θ，儘管開窗等因素使得室內熱量散發出室外（干擾d）。為了達到這個目的，加熱必須被適當的影響。通過閥門的調節，溫度就會保持恆定。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。其餘的例子還有三油桶系統。
歷史發展
最早的自動化控制要追溯到我國古代的自動化計時器和漏壺指南車，而自動化控制技術的廣泛應用則開始於歐洲的工業革命時期。英國人瓦特在發明蒸汽機的同時，應用反饋原理，於1788年發明了離心式調速器。當負載或蒸汽量供給發生變化時，離心式調速器能夠自動調節進氣閥的開度，從而控制蒸汽機的轉速。 150多年前第一代過程控制體系是基於5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統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）是基於0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內牢牢地統治了整個自動控制領域。它標誌了電氣自動控制時代的到來。控制理論有了重大發展，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。 第三代過程控制體系（CCS，Computer Control System）.70年代開始了數字計算機的應用，產生了巨大的技術優勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產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域的一次革命，它充分發揮了計算機的特長，於是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產生了被稱為「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，但是時隔不久人們發現，隨着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癱瘓。所以它很快被發展成分布式控制系統（DCS）。 第四代過程控制體系（DCS，Distributed Control System分布式控制系統）：隨着半導體製造技術的飛速發展，微處理器的普遍使用，計算機技術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，或分布式數字控制系統），它主要特點是整個控制系統不再是僅僅具有一台計算機，而是由幾台計算機和一些智能儀表和智能部件構成一個了控制系統。於是分散控制成了最主要的特徵。除外另一個重要的發展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依賴於4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數字信號來取代模擬信號。 第五代過程控制體系（FCS，Fieldbus Control System現場總線控制系統）：FCS是從DCS發展而來，就象DCS從CCS發展過來一樣，有了質的飛躍。「分散控制」發展到「現場控制」；數據的傳輸採用「總線」方式。但是FCS與DCS的真正的區別在於FCS有更廣闊的發展空間。由於傳統的DCS的技術水平雖然在不斷提高，但通信網絡最低端只達到現場控制站一級，現場控制站與現場檢測儀表、執行器之間的聯繫仍採用一對一傳輸的4-20mA模擬信號，成本高，效率低，維護困難，無法發揮現場儀表智能化的潛力，實現對現場設備工作狀態的全面監控和深層次管理。所謂現場總線就是連接智能測量與控制設備的全數字式、雙向傳輸、具有多節點分支結構的通信鏈路。簡單地說傳統的控制是一條迴路，而FCS技術是各個模塊如控制器、執行器、檢測器等掛在一條總線上來實現通信，當然傳輸的也就是數字信號。主要的總線有Profibus，LonWorks等。
- 40年代--60年代初：
- 需求動力：市場競爭,資源利用，減輕勞動強度，提高產品質量，適應批量生產需要。主要特點：此階段主要為單機自動化階段，主要特點是:各種單機自動化加工設備出現，並不斷擴大應用和向縱深方向發展。典型成果和產品：硬件數控系統的數控機床。
- 60年代中--70年代初期：
- 需求動力：市場競爭加劇，要求產品更新快，產品質量高，並適應大中批量生產需要和減輕勞動強度。主要特點：此階段主要以自動生產線為標誌，其主要特點是:在單機自動化的基礎上，各種組合機床、組合生產線出現，同時軟件數控系統出現並用於機床，CAD、CAM等軟件開始用於實際工程的設計和製造中，此階段硬件加工設備適合於大中批量的生產和加工。典型成果和產品：用於鑽、鏜、銑等加工的自動生產線。
- 70年代中期--至今：需求動力：市場環境的變化，使多品種、中小批量生產中普遍性問題愈發嚴重，要求自動化技術向其廣度和深度發展，使其各相關技術高度綜合，發揮整體最佳效能。主要特點：自70年代初期美國學者首次提出CIM概念至今，自動化領域已發生了巨大變化，其主要特點是:CIM已作為一種哲理、一種方法逐步為人們所接受；CIM也是一種實現集成的相應技術，把分散獨立的單元自動化技術集成為一個優化的整體。所謂哲理，就是企業應根據需求來分析並克服現存的「瓶頸」，從而實現不斷提高實力、競爭力的思想策略；而作為實現集成的相應技術，一般認為是:數據獲取、分配、共享；網絡和通信；車間層設備控制器；計算機硬、軟件的規範、標準等。同時，並行工程作為一種經營哲理和工作模式自80年代末期開始應用和活躍於自動化技術領域，並將進一步促進單元自動化技術的集成。典型成果和產品：CIMS工廠，柔性製造系統(FMS)。
隨着現代應用數學新成果的推出和電子計算機的應用，為適應宇航技術的發展，自動控制理論跨入了一個新階段——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控制問題，主要採用的方法是以狀態為基礎的狀態空間法。目前，自動控制理論還在繼續發展，正向以控制論，信息論，仿生學為基礎的智能控制理論深入。 為了實現各種複雜的控制任務，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，組成一個有機的總體，這就是自動控制系統。在自動控制系統中，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恆定值，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，它可以採用不同的原理和方式對被控對象進行控制，但最基本的一種是基於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，用來不斷修正被控量和控制量之間的偏差從而實現對被控量進行控制的任務，這就是反饋控制的原理。
基本原理
在現代科學技術的眾多領域中，自動控制技術起着越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器，設備或生產過程（統稱被控對象）的某個工作狀態或參數（即被控制量）自動地按照預定的規律運行。 自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。它的發展初期，是以反饋理論為基礎的自動調節原理，主要用於工業控制，二戰期間為了設計和製造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統，雷達跟蹤系統以及其他基於反饋原理的軍用設備，進一步促進並完善了自動控制理論的發展。 二戰後，已形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數為基礎的經典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數系統的分析和設計。
產生價值
自動化技術的深入發展，促進了單元技術的不斷綜合，以CIMS為代表的未來工廠自動化技術，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學院根據對美國在CIMS方面較領先的五大公司的長期調查分析，認為採用先進自動化技術，如CIMS，可以獲得以下效益：
- 產品質量提高 200-500%
- 生產率提高 40-70%
- 設備利用率提高 200-300%
- 生產周期縮短 30-60%
- 在制品減少 30-60%
- 工程設計費用減少 15-30%
- 人力費用減少 5-20%
- 提高工程師的工作能力 300-3500%
由此可見，自動化技術的應用，其效益明顯提高。
應用研究
自動控制的發展，從開始階段的發生到形成一個控制理論，講整個這個進程。自動控制就是指這樣的反饋控制系統，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，測量回來以後跟所要求的信號進行比較。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。控制對象的輸出量一般來說都是一個物理量，比如說我控制一個機器的轉速，就是需要把速度測量出來，才能進行控制。
發展歷程
從一開始出現的時候，大家假如接觸到這門學科的話，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，什麼叫離心調速器呢？就是有兩個飛球，一轉起來以後，因為離心力，飛球就往外脹。飛球脹開以後，這個下面的套筒就往上升，這個套筒在移動，就帶動執行機構動作，這是最早的瓦特的離心調速器。