專題自動(dòng)化技術(shù)

專題自動(dòng)化前沿技術(shù)第一節(jié)自動(dòng)化技術(shù)的概述第二節(jié)自動(dòng)化前沿技術(shù)第三節(jié)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用

自動(dòng)化的誕生

從刀耕火種的年代起，人們就夢(mèng)想著省時(shí)省力地生產(chǎn)出更多的東西，來(lái)滿足人們生活的需要。人們?cè)趲浊甑纳a(chǎn)過(guò)程中，發(fā)明了很多節(jié)省力氣的工具，如在河流上建造的水車?？梢酝ㄟ^(guò)水的沖擊帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)灌溉、淘米等工作。

第一節(jié)自動(dòng)化技術(shù)的概述自動(dòng)化的誕生工業(yè)革命的到來(lái)(1788年)，為自動(dòng)化的發(fā)展帶來(lái)了巨大的動(dòng)力。此后的一百多年中，人們一直在探索，特別是，經(jīng)過(guò)從1934年到1947年的十幾年研究(二戰(zhàn)期間)，最終提出了自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)著作——控制論。標(biāo)志著自動(dòng)化技術(shù)的正式誕生。第一節(jié)自動(dòng)化技術(shù)的概述自動(dòng)化在炮火中發(fā)展

自動(dòng)化技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在，始終沒(méi)有離開(kāi)武器裝備的需要?！岸?zhàn)”中，同盟國(guó)軍隊(duì)的主要作戰(zhàn)武器是火炮。當(dāng)時(shí)的火炮威力大、射程遠(yuǎn)，但是命中精度比較差。如果沒(méi)有“二戰(zhàn)”這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，自動(dòng)化技術(shù)也不會(huì)有如此大的發(fā)展?？梢哉f(shuō)“軍事裝備是自動(dòng)化之父，二戰(zhàn)是自動(dòng)化誕生的產(chǎn)房”。

自動(dòng)化在炮火中發(fā)展

如果說(shuō)軍事設(shè)備是自動(dòng)化之父，那么工業(yè)生產(chǎn)就是自動(dòng)化之母。福特的汽車生產(chǎn)線是最成功的早期生產(chǎn)線，1913年福特創(chuàng)建了由專用機(jī)床組成的“運(yùn)動(dòng)中的組裝線”，要組裝的部件由傳送帶運(yùn)到工人面前，每個(gè)工人只完成一種操作。

自動(dòng)化技術(shù)為生產(chǎn)力的發(fā)展起了巨大作用，實(shí)現(xiàn)了人們擺脫繁重的勞動(dòng)的愿望。自動(dòng)化原理下面我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，來(lái)說(shuō)明自動(dòng)化的原理。

自動(dòng)化設(shè)備的關(guān)鍵就在于反饋的存在，正是有了他的存在，才使自動(dòng)化成為可能。反饋就是自動(dòng)化的奧妙所在。所以自動(dòng)控自原理也叫反饋控制原理。一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都是由下面幾部分組成：第一，檢測(cè)比較裝置。第二，控制器。第三，執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第四，控制量。

控制器——系統(tǒng)的大腦

傳感器——系統(tǒng)的耳目

執(zhí)行器——系統(tǒng)的手腳

受控對(duì)象——溫柔的羔羊

穩(wěn)定性——不可或缺

魯棒性——健康的系統(tǒng)

極點(diǎn)——控制系統(tǒng)的精靈

自動(dòng)化的前沿技術(shù)模糊控制——其實(shí)我很清楚最優(yōu)控制---“沒(méi)有更好只有最好”自適應(yīng)控制——以變制變魯棒控制——以靜制動(dòng)線性控制理論縱橫非線性控制理論的發(fā)展PID控制——簡(jiǎn)而優(yōu)秀預(yù)測(cè)控制——未卜先知故障診斷——神醫(yī)妙手人工智能——智慧之巔專家系統(tǒng)——身邊的專家推理控制——經(jīng)驗(yàn)的作用集散控制系統(tǒng)（DCS）

模糊控制

模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

1965年美國(guó)Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合論，從而為描述，研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了一種新的工具。一種利用模糊集合的理論來(lái)建立系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)控制器的新型方法——模糊控制也隨之問(wèn)世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對(duì)一些無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。

模糊控制作為智能領(lǐng)域中最具有實(shí)際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域解決了傳統(tǒng)控制方法無(wú)法或者難以解決的問(wèn)題，取得了明顯的成效。最優(yōu)控制

最優(yōu)控制問(wèn)題研究的主要內(nèi)容是：怎樣選擇控制規(guī)律才能使控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)在某種意義下為最優(yōu)。用這些方法已經(jīng)成功的解決了許多動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題，如最小時(shí)間控制，最少燃料控制和最佳調(diào)節(jié)器等，最優(yōu)控制已經(jīng)在航天，航海，導(dǎo)彈，電力系統(tǒng)，控制裝置，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程中得到了比較成功的應(yīng)用，而且在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。最優(yōu)控制問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（受控對(duì)象）從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某種要求的終端狀態(tài)，并且保證某種要求的性能指標(biāo)達(dá)到最小值或者是最大值。

自適應(yīng)控制

所謂自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。直觀地講，自適應(yīng)控制器能修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化。

自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。

任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。魯棒控制

魯棒控制（RobustControl）的研究始于20世紀(jì)50年代。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動(dòng)下，維持某些性能的特性。

魯棒控制方法，是對(duì)時(shí)間域或頻率域來(lái)說(shuō)，一般要假設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的信息和它的變化范圍。一些算法不需要精確的過(guò)程模型，但需要一些離線辨識(shí)。

一般魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以一些最差的情況為基礎(chǔ)，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。

魯棒控制適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)用，同時(shí)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估。飛機(jī)和空間飛行器的控制是這類系統(tǒng)的例子。線性控制理論

線性控制理論是系統(tǒng)與控制理論中最為成熟和最為基礎(chǔ)的一個(gè)組成分支，是現(xiàn)代控制理論的基石。

嚴(yán)格地說(shuō)，一切實(shí)際的系統(tǒng)都是非線性的，真正的線性系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界是不存在的。但是，很大一部分實(shí)際系統(tǒng)，它們的某些主要關(guān)系特性，在一定的范圍內(nèi)，可以充分精確地用線性系統(tǒng)來(lái)加以近似地代表。

簡(jiǎn)單說(shuō)，線性系統(tǒng)理論主要研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關(guān)系。非線性控制理論

對(duì)非線性控制系統(tǒng)的研究，到20世紀(jì)40年代已取得一些明顯的進(jìn)展。主要的分析方法有：相平面法、李亞普諾夫法和描述函數(shù)法等。這些方法都已經(jīng)被廣泛用來(lái)解決實(shí)際的非線性系統(tǒng)問(wèn)題。但是這些方法都有一定的局限性，都不能成為分析非線性系統(tǒng)的通用方法。但總的來(lái)說(shuō)，非線性控制系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展階段，遠(yuǎn)非完善，很多問(wèn)題都還有待研究解決，領(lǐng)域十分寬。

非線性控制理論作為很有前途的控制理論，將成為21世紀(jì)的控制理論的主旋律，將為我們?nèi)祟惿鐣?huì)提供更先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使自動(dòng)化水平有更大的飛越。PID控制—簡(jiǎn)而優(yōu)秀

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:

因此它的傳遞函數(shù)為：

它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。

PID控制器是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的控制器預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類新型的計(jì)算機(jī)控制算法。由于它采用多步測(cè)試、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，所以它一出現(xiàn)就受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、冶金、機(jī)械等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)得到了成功的應(yīng)用。

故障診斷

由于制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，價(jià)格越來(lái)越昂貴，因此因?yàn)楦鞣N故障而導(dǎo)致的停機(jī)都是不可忍受的負(fù)擔(dān)。故障診斷系統(tǒng)能夠在這個(gè)情況下滿足需要，也就是能夠合理制定維修計(jì)劃，最大限度減少停機(jī)維修的時(shí)間，以及在故障發(fā)生之后能夠迅速做出反應(yīng)。因此，故障診斷系統(tǒng)在現(xiàn)在得到了迅速的發(fā)展。

故障診斷是隨著生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化而產(chǎn)生的一種技術(shù)，由于和現(xiàn)代傳感器技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)展現(xiàn)出了很強(qiáng)的生命力，必將為提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性提供越來(lái)越強(qiáng)大的支持。人工智能

人工智能是一門邊緣學(xué)科，用來(lái)模擬人的思維，已經(jīng)引起了許多學(xué)科的日益重視，并且有越來(lái)越多的實(shí)用意義。

人工智能的主要領(lǐng)域包括問(wèn)題求解、語(yǔ)言處理、自動(dòng)定理證明、智能數(shù)據(jù)檢索等領(lǐng)域。人工智能的第一個(gè)大成就是發(fā)展了能夠求解難題的下棋程序。

專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)(ExpertSystem)是一個(gè)基于知識(shí)的智能推理系統(tǒng)，它涉及到對(duì)知識(shí)獲取、知識(shí)庫(kù)、推理控制機(jī)制以及智能人機(jī)接口的研究，是集人工智能和領(lǐng)域知識(shí)于一體的系統(tǒng)。近些年，專家系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用大大推進(jìn)了各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域向智能化方向發(fā)展，成為人工智能從實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域的一個(gè)里程碑?？傊?，人工智能系統(tǒng)的特殊性，決定了它是一個(gè)跨越多學(xué)科、充滿活力、對(duì)基礎(chǔ)研究的依賴性很強(qiáng)的一個(gè)領(lǐng)域，它的發(fā)展，必將向我們展示科學(xué)技術(shù)王國(guó)的更多魅力，也會(huì)令我們的生活更為美好。集散控制系統(tǒng)(DCS)

DCS，即分布式控制系統(tǒng)，在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方法上卻完全不同。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對(duì)順序邏輯控制發(fā)展起來(lái)的電子設(shè)備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在進(jìn)入九十年代中期以后發(fā)展十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測(cè)：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。集散控制系統(tǒng)(DCS)自動(dòng)化技術(shù)的十八般兵器物理傳感器光纖傳感器仿生傳感器紅外傳感器電磁傳感器磁光效應(yīng)傳感器壓力傳感器溫度傳感器超聲波傳感器虛擬儀表步進(jìn)電機(jī)變頻器電磁閥液壓裝備繼電器控制設(shè)備單片機(jī)可編程控制器（PLC）工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用1、自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

自動(dòng)化的制造業(yè)

電力系統(tǒng)自動(dòng)化

建筑自動(dòng)化

交通運(yùn)輸自動(dòng)化

信息自動(dòng)化

自動(dòng)無(wú)極限2、自動(dòng)化技術(shù)在軍事中的應(yīng)用新型自動(dòng)化武器軍事指揮自動(dòng)化3、自動(dòng)化技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用自動(dòng)累計(jì)，無(wú)需勞神；溫度控制，冷熱不紊；定時(shí)控制，歲月有情；定時(shí)控制，歲月有情；防災(zāi)報(bào)警，守護(hù)生命；自動(dòng)電器，化繁為簡(jiǎn)自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)自動(dòng)化自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備間的通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。

自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

虛擬制造在一個(gè)統(tǒng)一模型之下對(duì)設(shè)計(jì)和制造等過(guò)程進(jìn)行集成，將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過(guò)程集成在三維的、動(dòng)態(tài)的仿真真實(shí)過(guò)程的實(shí)體數(shù)字模型之上。

虛擬制造電力系統(tǒng)自動(dòng)化電力調(diào)度自動(dòng)化

電力系統(tǒng)自動(dòng)化無(wú)人職守變電站

建筑自動(dòng)化交通運(yùn)輸自動(dòng)化交通運(yùn)輸自動(dòng)化無(wú)人駕駛車無(wú)人機(jī)信息自動(dòng)化電子會(huì)議系統(tǒng)信息高速公路信息自動(dòng)化生物芯片網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化自動(dòng)化技術(shù)在軍事中的應(yīng)用制導(dǎo)導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭(zhēng)無(wú)人機(jī)自動(dòng)化技術(shù)在軍事中的應(yīng)用無(wú)人炮塔坦克戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)在軍事中的應(yīng)用指揮自動(dòng)化系統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)模擬仿真自動(dòng)無(wú)極限

農(nóng)業(yè)新紀(jì)元醫(yī)學(xué)界新寵讓學(xué)習(xí)輕松簡(jiǎn)單使你的消費(fèi)準(zhǔn)確便利化工生產(chǎn)自動(dòng)化新世紀(jì)的鋼鐵生產(chǎn)圖書管理自動(dòng)化水庫(kù)管理自動(dòng)化銀行自動(dòng)化煤礦自動(dòng)化電視轉(zhuǎn)播自動(dòng)化冶金自動(dòng)化城市供熱自動(dòng)化石油化工自動(dòng)化