自动化技术概论

自动化技术概论

1、自动化的意义及其历史

自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。采用自动化科学技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展、放大人的功能和创造新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。

自动化技术的发展历史，大致可以划分为自动化技术形成、局部自动化和综合自动化三个时期。1）自动化技术形成时期(18 世纪末～20 世纪30 年代) 1788 年英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)，并把它与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统(见图瓦特离心式调速器对蒸汽机转速的控制)。瓦特的这项发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元，对第一次工业革命及后来控制理论的发展有重要影响。2）局部自动化时期(20 世纪40～50 年代) 第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。在第二次世界大战期间，德国的空军优势和英国的防御地位，迫使美国、英国和西欧各国科学家集中精力解决了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中形成了经典控制理论，设计出各种精密的自动调节装置，开创了系统和控制这一新的科学领域。

3）综合自动化时期(20 世纪50 年代末起至今) 20 世纪50 年代末空间技术迅速发展，迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。许多学者试图把经典控制理论推广到多变量系统的控制，都遭到了失败。需要寻求新的理论和方法，于是诞生了现代控制理论。现代控制理论的形成和发展为综合自动化奠定了理论基础。在这一时期，微电子技术有了新的突破。1958 年出现晶体管计算机，1965 年出现集成电路计算机，1971 年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响，控制工程师可以很方便地利用微处理机来实现各种复杂的控制，使综合自动化成为现实。1957 年9 月12 日国际自动控制联合会(IFAC)在巴黎召开成立大会。有18 个国家的代表团出席了这次大会。中国是发起国之一。会上通过了大会的章程和细则，选举美国自动控制专家H.切斯特纳为IFAC 第一届主席。从1960 年起每三年召开一次国际自动控制学术大会，并出版《自动学》、《IFAC 通讯》等期刊，IFAC 的成立标志着自动控制这一学科已经成熟，通过国际合作来推动系统和控制领域的新发展。

2、自动控制系统及其分类

按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。

闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

3、常用的控制方式

按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

恒值控制系统

给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。

随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。

程序控制系统

给定值按一定时间函数变化。如程控机床。

1、开环控制方式

控制系统的输出量对系统没有控制作用，这种系统是开环控制系统。

开环控制系统的特点：

（1）系统输出量对控制

作用无影响

（2）无反馈环节

（3）出现干扰靠人工消

除

（4）无法实现高精度控

制

开环调速系统（不考虑测速反馈）(例1_2)(见图1_2) 工作原理：改变电位器滑动端的位置，相应地改变了电压Ug值的大小，其值经功率放大器放大后施加在直流电动机的电枢两端，由于直流电动机具有恒定的励磁电流。因此，随着电枢电压值的不同，电动机便以不同的转速带动生产机械运转。于是，改变Ug的大小，便控制了电动机转速的高低。系统中，Ug 是给定输入量；电动机的转速n是系统的输出量

即被控量，功率放大器的电源电压波动、放大系数漂移、拖动负载的变化等，是扰动输入量。

可见，系统的输出量，即电动机的转速并没有参予系统的控制。

开环控制系统职能框图：任何开环控制系统，从组成系统元部件的职能角度看，均可用下面的结构框图表示（见图1_3）。

2、闭环控制方式：

把输出量直接或间接地反

馈到系统的输入端，形成闭环，

参与控制，这种系统叫闭环控

制系统。

实际的闭环控制系统，都

是于负反馈的形式出现。

：闭环调速系

统（见图1_4）

4、常用的基本规律

（1）基本的开关型控制规律：开关型控制规律在人们的日常生活中非常多，例如电熨斗温度控制，电冰箱温度控制等。（2）时间比例型开关控制规律：这是一种改进型控制规律。将控制器输出划分为一定的时间间隔t，在每个时间间隔内，开关输出接通的时间t是不同的。（3）比例控制规律：比例控制规律是工业控制中使用控制最多的控制规律。所以比例控制规律也叫p控制规律。（4）积分控制规律：积分规律是一个与偏差存在时间有关系的控制规律。（5）微分控制规律：微分控制规律也叫D控制规律。

5、自动化技术工具