自動化控制與物理的聯(lián)系

1、自動化控制與力學總體來說，自動化控制與力學及相關(guān)運動有著密不可分的聯(lián)系。自動化控制是指以復變函數(shù)為工具，以數(shù)字電路為載體，利用反饋機制使被控對象在無人參與下自動按照預定規(guī)律運行的一種計算機技術(shù)。1833年英國數(shù)學家c.巴貝奇在設(shè)計分析機時首先提出程序控制的原理。1939年世界上第一批系統(tǒng)與控制的專業(yè)研究機構(gòu)成立，為20世紀40年代形成經(jīng)典控制理論和發(fā)展局部自動化作了理論上和組織上的準備。 1946年，美國福特公司的機械工程師d.s.harder最先提出“自動化”一詞，并用來描述發(fā)動機汽缸的自動傳送和加工的過程。50年代，自動調(diào)節(jié)器和經(jīng)典控制理論的發(fā)展，使自動化進入以單變量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)為主的局部

2、自動化階段。60年代，隨現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)和電子計算機的推廣應用，自動控制與信息處理結(jié)合起來，使自動化進入到生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制與管理的綜合自動化階段。70年代，自動化的對象變?yōu)榇笠?guī)模、復雜的工程和非工程系統(tǒng)，涉及許多用現(xiàn)代控制理論難以解決的問題。這些問題的研究，促進了自動化的理論、方法和手段的革新，于是出現(xiàn)了大系統(tǒng)的系統(tǒng)控制和復雜系統(tǒng)的智能控制，出現(xiàn)了綜合利用計算機、通信技術(shù)、系統(tǒng)工程和人工智能等成果的高級自動化系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)、辦公自動化、智能機器人、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等。 自動化的概念是一個動態(tài)發(fā)展過程。最初的控制器在公元前300年的古希臘就被發(fā)明了出來。來自埃

3、及的古希臘工程師科泰西比奧斯的水鐘就是通過浮子控制的。比贊茲在公元前250年發(fā)明了油燈，通過浮子來控制油面的高度。這都是浮力在自動化控制中的應用。第一個在工業(yè)領(lǐng)域使用的帶有反饋的調(diào)節(jié)裝置當屬瓦特發(fā)明的離心力控制器，這是他在1769年為紐卡門的蒸汽機量身定做的；與此同時，俄羅斯人波爾祖諾夫發(fā)明了帶有反饋的水面高度控制器，也屬世界首創(chuàng)。水面高度的信息傳遞到浮子上，然后再反作用于蒸汽閥門上。從1868年起，自動控制被許多新的發(fā)明推動著不斷前進。但是，人們?nèi)绻胍岣呖刂频木珳市裕捅仨毎l(fā)展出自動控制領(lǐng)域一套完整的理論。這方面最早的數(shù)學理論是由麥克斯韋提出的，他為離心力控制器用微分方程構(gòu)造了一個模型。

4、直到二戰(zhàn)，自動控制系統(tǒng)的理論和實踐在美國，西歐和在俄國，東歐沿著不同的方向發(fā)展。在西方，系統(tǒng)一般都在頻域描述，問題都用伯德，尼奎斯特和布萊克的方法解決，而前蘇聯(lián)的數(shù)學家和工程師們一般在時域用微分方程解決問題。自動控制技術(shù)的重大突破發(fā)生在二戰(zhàn)時期，因為制造武器裝備，必須處理復雜的系統(tǒng)。雷達，無人駕駛和自動瞄準系統(tǒng)只是幾個帶有反饋系統(tǒng)的例子。對新的控制系統(tǒng)的需求導致了新的數(shù)學方法的改善，從而控制技術(shù)有了自己的一套準則。制造自動化有三個方面的含義：代替人的體力勞動，代替或輔助人的腦力勞動，制造系統(tǒng)中人機及整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理、控制和優(yōu)化。力與運動密切相關(guān)，是自動化控制的重要研究對象。由此產(chǎn)生了運動控

5、制（mc）。運動控制（mc）是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵，線性執(zhí)行機或者是電機來控制機器的位置和速度。運動控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運動控制就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。早期的運動控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運動控制器實際上是可以獨立運行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨立完成運動控制功能、工藝技術(shù)要求的其他功能和人機交互功能。這類控制器可以成為獨立運行的運動控制器。這類控制器主要針對專門的數(shù)控機械和其他自動化設(shè)

6、備而設(shè)計，往往已根據(jù)應用行業(yè)的工藝要求設(shè)計了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應用加工代碼文件，利用rs232或者dnc方式傳輸?shù)娇刂破?，控制器即可完成相關(guān)的動作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業(yè)應用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不能根據(jù)應用要求而重組自己的運動控制系統(tǒng)。運動控制是自動化的一個分支，它使用通稱為伺服機構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵，線性執(zhí)行機或者是電機來控制機器的位置和/或速度。運動控制在機器人和數(shù)控機床的領(lǐng)域內(nèi)的應用要比在專用機器中的應用更復雜，因為后者運動形式更簡單，通常被稱為通用運動控制（gmc）。運動控制被廣泛應用在包裝、印刷、紡織和裝配

7、工業(yè)中。同步運動控制是由伺服驅(qū)動技術(shù)延伸發(fā)展而來的。伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機并采集反饋信號到驅(qū)動器的核心控制單元，實現(xiàn)高動態(tài)響應的運動控制。在數(shù)控加工中心和機器人的多個伺服軸依靠控制單元的插補運算，實現(xiàn)兩個軸以上的插補運動軌跡曲線，而在一些對運動控制要求更高的設(shè)備上，要求各個運動軸之間實現(xiàn)主從的同步關(guān)系，從而進一步發(fā)展出了同步運動控制技術(shù)。同步運動控制可以實現(xiàn)兩個機器人之間的協(xié)同運動。在沖壓自動化設(shè)備中，同步控制可以實現(xiàn)壓機之間的同步，壓機與快速送料機構(gòu)之間的同步，使整個沖壓生產(chǎn)線達到最大生產(chǎn)效率。目前工業(yè)上應用較多的是西門子的simotion運動控制系統(tǒng)和力士樂的indraworks運動控制

8、。前者在食品加工、印刷、汽車制造等領(lǐng)域有廣泛應用，后者在汽車制造和輪胎方面有較多應用。在沖壓自動化行業(yè)，能夠提供同步控制解決方案的有德國西門子、力士樂和日本的瑞恩。目前，在國際上，能夠使用同步控制集成技術(shù)在高檔沖壓生產(chǎn)線上的廠家有德國的舒勒萬家頓、日本的小松、瑞士的古德等。在國際上，這些設(shè)備制造商制造的已經(jīng)投產(chǎn)的同步快速沖壓線有很多，主要集中在日本和歐美。在中國也有一些已經(jīng)投產(chǎn)或正在安裝調(diào)試，其中比較具有代表性的是用于一汽轎車的舒勒沖壓線、上海通用的萬家頓沖壓線、北京現(xiàn)代的gudel沖壓線和起亞汽車的gudel沖壓線等，他們都是使用了同步技術(shù)并于近幾年投產(chǎn)的沖壓線。從電氣控制上講，舒勒萬家頓和

9、古德都是使用帶有同步控制功能的工控機作為控制核心，使用力士樂的伺服驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，使用力士樂的伺服電動機作為執(zhí)行元件實現(xiàn)運動控制的。而壓機是作為主軸，信號來源于安裝在壓機凸輪上的編碼器，在整個同步控制中這個編碼器就作為主軸，其他從軸隨這個主軸按照編輯的同步曲線運動。在一些定位精度或動態(tài)響應要求比較高的機電一體化產(chǎn)品中，交流伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛，其中數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)更符合數(shù)字化控制模式的潮流，而且調(diào)試、使用十分簡單，因而被受青睞。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了先進的數(shù)字信號處理器（digitalsignalprocessor,dsp），可以對電機軸后端部的光電編碼器進行位置采樣，在驅(qū)動器和

10、電機之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并充分發(fā)揮dsp的高速運算能力，自動完成整個伺服系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)，甚至可以跟蹤負載變化，實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；有的驅(qū)動器還具有快速傅立葉變換（fft）的功能，測算出設(shè)備的機械共振點，并通過陷波濾波方式消除機械共振。一般情況下，這種數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)大多工作在半閉環(huán)的控制方式，即伺服電機上的編碼器反饋既作速度環(huán)，也作位置環(huán)。這種控制方式對于傳動鏈上的間隙及誤差不能克服或補償。為了獲得更高的控制精度，應在最終的運動部分安裝高精度的檢測元件（如：光柵尺、光電編碼器等），即實現(xiàn)全閉環(huán)控制。比較傳統(tǒng)的全閉環(huán)控制方法是：伺服系統(tǒng)只接受速度指令，完成速度環(huán)的控制，位置環(huán)的控制由上位控制器來完成（大多數(shù)全閉環(huán)的機床數(shù)控系統(tǒng)就是這樣）。這樣大大增加了上位控制器的難度，也限制了伺服系統(tǒng)的推廣。目前，國外已出現(xiàn)了一種更完善、可以實現(xiàn)更高精度的全閉環(huán)數(shù)字式伺服系統(tǒng)，使得高精度自動化設(shè)備的實現(xiàn)更為容易。伺服驅(qū)動器可以直接采樣裝在最后一級機械運動部件上的位置反饋元件(如光柵尺、磁柵尺、旋轉(zhuǎn)編碼器等)，作為位置環(huán)，而電機上的編碼器反饋此時僅作為速度環(huán)。這樣伺服系統(tǒng)就可以消除機械傳動上存在的間隙（如齒輪間隙、絲杠