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標題: 自動控制的理解及自動控制技術的發展現狀 [打印本頁]
作者: wangshuli    時間: 2017-9-28 18:55
標題: 自動控制的理解及自動控制技術的發展現狀
一篇關于對自動控制技術的個人理解論文。
自動控制的理解及自動控制技術的發展現狀

摘要：隨著現代人類社會的進步與科學技術的發展，自動控制技術在人類生活的各個領域發揮著越來越重要的作用。在軍事方面，雷達，導彈等先進技術都用到了自動控制的原理和技術。在日常生活中，洗衣機，電梯，太陽能熱水器，馬桶水箱水位控制等等。總之，自動控制技術滲透了人類生活的各個領域，對人類社會的進步與發展起著日益重要的作用。

引言：隨著科技的進步與發展，自動控制技術也日益成熟。自控技術經過數十年世界性的發展，極大地提高了勞動生產率和產品質量。世界各地自動控制技術正在往微型化、網絡化、開放性的方向發展。本文將從自動控制的發展歷程與發展現狀展開討論對自動控制技術的認識與理解。

一、        什么是自動控制技術
定義：自動控制技術是能夠在沒有人直接參與的情況下，利用附加裝置(自動控制裝置)使生產過程或生產機械(被控對象)自動地按照某種規律(控制目標)運行，使被控對象的一個或幾個物理量(如溫度、壓力、流量、位移和轉速等)或加工工藝按照預定要求變化的技術。
內容：自動控制技術包含了自動控制系統中所有元器件的構造原理和性能，以及控制對象或被控過程的特性等方面的知識；自動控制系統的分析與綜合；控制用計算機(能作數字運算和邏輯運算的控制機)的構造原理和實現方法。
原理及方法：自動控制的原理和方法，自動化單元技術和集成技術及其在各類控制系統中的應用。它以自動控制理論為基礎，以電子技術、電力電子技術、傳感器技術、計算機技術、網絡與通信技術為主要工具，面向工業生產過程自動控制及各行業、各部門的自動化。它具有“控(制)管(理)結合，強(電)弱(電)并重，軟(件)硬(件)兼施”鮮明的特點，是理、工、文、管多學科交叉的寬口徑工科專業。　自動控制技術領域為廣大用戶提供的科學數據主要包括自動控制理論和方法、自動控制系統、控制軟件技術、自動控制設備、可靠性技術、功能安全技術等6個數據集。
自動控制技術領域：（1）自動控制理論與方法數據集：主要包括自動控制的基本理論，其中包含決策分析和博弈、多級遞階和分散控制、穩定性和魯棒性、決策支持系統、自適應、自學習、自校正等數據。系統的建模與仿真、圖像處理與模式識別、智能計算與控制均有大量基礎數據。并且提供了自動控制最新理論與方法，其中包含基于網絡的控制、對象模型不確定系統和魯棒性、協調控制相關數據。（2）自動控制系統數據集：主要包括自動控制系統體系結構，技術規范，系統集成及典型系統——分布式控制系統(DCS)、基于現場總線的控制系統(FCS)、可編程自動化系統(PAC)、數據采集和監督控制系統(SCADA)相關數據，在典型系統中我們采集了每個系統的應用實例及一些國際知名廠商的典型產品，為用戶提供最新、優質、全面、可靠的技術規范。（3）控制軟件技術數據集：包括了常規PID控制和先進控制軟件：多變量模型預測控制、專家系統、模糊控制及人工神經網絡控制組態軟件相關基礎數據。詳細介紹了制造執行系統MES，包含制造執行系統概述、制造執行系統有關的國際標準、實用的制造執行系統軟件等數據。
（4）自動控制設備數據集：包括可編程序控制器、嵌入式控制器、工業控制計算機、分布式I/O、變頻驅動器以及運動控制和伺服控制設備的體系結構、性能參數、技術參數及工業控制用編程語言，并且提供典型產品的基礎數據。（5）可靠性技術數據集：包括可靠性概述、可靠性有關國際標準、故障診斷、可靠性設計數據，為技術人員進行產品設計提供重要參考數據。（6）功能安全技術數據集：包括其基本概念、電氣/電子/可編程電子安全以及行業適用的功能安全國際標準及風險評價、安全性設計、網絡通信安全等數據。

二、自動控制技術的發展歷程
　自動控制領域從古典控制理論、現代控制理論到現在的智能控制理論，經歷了很長時間的發展。隨著自動化技術的發展，它也面臨著許多難題，如傳統控制系統的設計和分析是建立在精確系統數學模型基礎上的，而實際系統由于在復雜性、非線性、時變性、不確定性等情況，一般都無法獲得精確的數學模型；當研究這些系統時，必須提出并遵循一些比較苛刻的假設，而這些假設在應用中往往與實際不相吻合；對于某些復雜的和包含不確定性的控制過程，根本無法用傳統數學模型來表示，即無法解決建模問題；為了提高控制性能，傳統控制系統可能變得很復雜，從而增加了設備的初投資，降低了系統的可靠性。為了解決這些問題，就出現了智能控制理論。隨著人工智能、機器人、計算機和空間技術的迅速發展，智能控制也取得了重大進展。各種智能咨詢與決策系統、專家控制系統、學習控制系統、模糊控制系統和智能故障檢測與診斷等已在工業過程控制、智能機器人控制、智能化生產系統和家用電氣設備中都得到了成功的應用。
近年來自動控制技術發展迅猛，特別是計算機技術、網絡和通信技術發展的突飛猛進，使人們籍助于許多使能技術的進步和一些開發工具的擴大，將人們構思的自動操作得以付諸實現。如網絡控制技術、可編程控制器等均屬于自動化控制技術中的使能技術。自動控制技術正向著網絡化、集成化、分布化、節點節能化的方向發展。

三、自動控制技術的應用
自動化控制系統的研究，幾乎涵蓋所有應用科學知識與技術的結合，領域范圍及牽涉的科學知識與應用工具相當廣泛，作為交叉學科，自動控制與其他很多學科有關聯，尤其是數學和信息學，在制造，醫藥，交通。機器人，以及經濟學，社會學中的應用也都非常廣泛。自動化控制的應用領域一般可分為下列幾類：
l、工廠自動化控制，又稱為生產自動化控制，即利用自動化的生產設備，一貫作業的生產方式，從事有效率的產品生產。
2、設計自動化控制，即利用電腦軟件技術及應用，將所需設計的資料，轉成控制程序或生產流程，而且以簡單的圖或語言，來表示或執行制造過程的自動化控制的運作。
3、實驗室自動化控制，即利用自動化設備與電腦軟件技術及應用，或可編程控制器等設備，結合溫度、濕度、壓力、流量等傳感器，將實驗室的控制程序或生產流程，及所需實驗結果的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示或執行實驗室的自動化控制作。
4、檢測自動化控制，即利用自動化的檢測設備與電腦軟件技術及程式應用，結合溫度，濕度、壓力、流量等傳感器設備，能自動地檢測樣品，并將檢測的物理量的資料，轉成簡單的圖或語言，來表示檢測結果。
5、辦公室自動化控制，即利用軟件程式技術及應用，將辦公室的文書資料或文書檔案，做有效率的管理。
6、家庭自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟件技術及程式應用，結合家庭用設備，提高家庭舒適度與居家安全。
7．服務自動化控制，即利用自動化的設備與電腦軟件技術及程式應用，結合各式各樣的自動化設備或傳感器，監測、紀錄、轉接、通知、執行運作等，以供顧客或使用者，能快速處理相關作業或快速處理所遭遇的問題。
8.農業自動化，隨著科技的發展，農業也邁進了自動化的行列，播種機，收割機等大型農業用具已經走進農民的生活，為農民的種植收割等工作節省了人力與物力，也大大節省了勞動時間，于此同時，由于自動化灌溉系統技術的發展，大大提高了農作物的生產率。
此外，自動控制在給水排水中也有重要的應用。隨著我國經濟發展的不斷加速,無論工業用水，還是居民用水量越來越大，進而污水的排放量日益增大,其中污水對水體的污染日趨嚴重,國家政府不斷加大治理污水的力度,提高水體的再利用價值。為了滿足人們生活工作的用水需求，給水排水方面的工作量是相當艱巨的，于是各種大型的自來水廠和污水處理廠紛紛建成,而且在規模加大的同時，對自動化要求越來越高遠程控制、數字化、智能化的控制方式提高了給水排水系統的可靠性,保證了各種用水的效果。
  在正常供水方面：變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，充分利用變頻器內置的各種功能對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。
在污水排放方面：智能的污水排放系統減少了城市污染，凈化了城市環境。

四、對自動控制的認識與理解
自動控制技術是一門滲透到人類生活各個領域的一中重要技術，對人類社會的發展與進步起著至關重要的作用。自控控制技術的每一步前進與發展都引領者人類社會的發展，在現代這個智能化、網絡化的信息大時代，自動控制的應用已經是大勢所趨。作為人類社會中的一員，我們要適應時代發展的潮流，緊跟社會的步伐，一方面我們要充分利用自動控制技術給我們生活帶來的便利。另一方面，我們要不斷的學習與發展，為自動控制技術的進步做貢獻，為人類社會的發展與進步做貢獻。

五、自動控制技術的發展現狀及未來的發展趨勢
目前，全球的自動控制技術正在日益走向成熟，目前我國工業控制自動化技術、產業和應用都有了很大的發展，我國的工業計算機系統行業已經形成。目前，工業自動化技術正在向智能化、網絡化、集成化的方向發展。
　　1、以工業PC為基礎的低成本工業控制自動化將成為主流
　　工業控制自動化主要包含三個層次,從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化,其核心是基礎自動化和過程自動化
　　近年來,工業PC在我國得到了異常迅速的發展.從世界范圍來看,工業PC主要包含兩種類型：IPC工控機和CompactPCI工控機以及它們的變形機,如AT96總線工控機等.由于基礎自動化和過程自動化對工業PC的運行穩定性、熱插拔和冗余配置要求很高,現有的IPC已經不能完全滿足要求,將逐漸退出該領域,取而代之的將是 CompactPCI-based工控機,而IPC將占據管理自動化層.國家于2001年設立了“以工業控制計算機為基礎的開放式控制系統產業化”工業自動化重大專項,目標就是發展具有自主知識產權的PC-based控制系統,在3(5年內,占領30%(50%的國內市場,并實現產業化.
　　幾年前,當“軟PLC”出現時,業界曾認為工業PC將會取代PLC.然而,時至今日工業PC并沒有代替PLC,主要有兩個原因：一個是系統集成原因；另一個是軟件操作系統Windows NT的原因.一個成功的PC-based控制系統要具備兩點：一是所有工作要由一個平臺上的軟件完成；二是向客戶提供所需要的所有東西.可以預見,工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上,其數據復雜且設備集成度高.工業PC不可能與低價的微型PLC競爭,這也是PLC市場增長最快的一部分.從發展趨勢看,控制系統的將來很可能存在于工業PC 和 PLC之間,這些融合的跡象已經出現.
　　和PLC一樣,工業PC市場在過去的兩年里保持平穩.與PLC相比,工業PC軟件很便宜.據Frost & Sullivan公司估計,全世界每年7億美元工業PC市場里,大約8500萬美元為控制軟件,一億美元為操作系統.到2007年會翻一番,工業PC市場變得非常可觀.
　　2、 PLC在向微型化、網絡化、PC化和開放性方向發展
　　目前,全世界PLC生產廠家約200家,生產300多種產品.國內PLC市場仍以國外產品為主,如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產品.經過多年的發展,國內PLC生產廠家約有三十家,但都沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品,可以說PLC在我國尚未形成制造產業化.在PLC應用方面,我國是很活躍的,應用的行業也很廣.專家估計,2000年PLC的國內市場銷量為15(20萬套（其中進口占90%左右）,約25(35億元人民幣,年增長率約為12%.預計到2005年全國PLC需求量將達到25萬套左右,約35(45億元人民幣.
　　微型化、網絡化、PC化和開放性是PLC未來發展的主要方向.在基于PLC自動化的早期,PLC體積大而且價格昂貴.但在最近幾年,微型PLC（小于32 I/O）已經出現,價格只有幾百歐元.隨著軟PLC（Soft PLC）控制組態軟件的進一步完善和發展,安裝有軟PLC組態軟件和PC-based控制的市場份額將逐步得到增長.
　　當前,過程控制領域最大的發展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展,PLC也不例外.現在越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口.可以相信,PLC將繼續向開放式控制系統方向轉移,尤其是基于工業PC的控制系統.
　　3、面向測控管一體化設計的DCS系統
　　集散控制系統DCS（Distributed Control System）問世于1975年,生產廠家主要集中在美、日、德等國.我國從70年代中后期起,首先由大型進口設備成套中引入國外的DCS,首批有化纖、乙烯、化肥等進口項目.當時,我國主要行業（如電力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部進口.80年代初期在引進、消化和吸收的同時,開始了研制國產化DCS的技術攻關.
　　小型化、多樣化、PC化和開放性是未來DCS發展的主要方向.目前小型DCS所占有的市場,已逐步與PLC、工業PC、FCS共享.今后小型DCS可能首先與這三種系統融合,而且“軟DCS”技術將首先在小型DCS中得到發展.PC-based控制將更加廣泛地應用于中小規模的過程控制,各DCS廠商也將紛紛推出基于工業PC的小型DCS系統.開放性的DCS系統將同時向上和向下雙向延伸,使來自生產過程的現場數據在整個企業內部自由流動,實現信息技術與控制技術的無縫連接,向測控管一體化方向發展.
　　4、控制系統正在向現場總線（FCS）方向發展
　　由于3C（Computer、Control、Communication）技術的發展,過程控制系統將由DCS發展到FCS（Fieldbus Control System）.FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備（Field Device）中.基于現場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統,它將取代現場一對一的4(20mA模擬信號線,給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化.
　　根據IEC61158的定義,現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡.現場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力,提高了信號的測量、傳輸和控制精度,提高了系統與設備的功能、性能.IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現場總線標準工作,走過了16年的艱難歷程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的標準制定就陷于混亂.2000年初公布的IEC61158現場總線國際標準子集有八種,分別為：
　　類型1 IEC技術報告（FFH1）；
　　類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；
　　類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；
　　類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；
　　類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網（美國Fisher Rosemount公司支持）；
　　類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；
　　類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；
　　類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）.
　　采用現場總線技術構造低成本的現場總線控制系統,促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化,符合工業控制系統的技術發展趨勢.國家在“九五”期間為了加快現場總線技術在我國的發展,重點放在智能化儀表和現場總線技術的開發和工程化上,補充和完善工藝設備、開發裝置和測試裝置,建立智能化儀表和開發自動化系統的生產基地,形成適度規模經濟.2000年,“九五”國家科技攻關計劃“新一代全分布式控制系統研究與開發”和“現場總線智能儀表研究開發”兩個項目相繼完成.這兩個項目以及先期完成的“現場總線控制系統的開發”項目,針對國際上已經出現的多種現場總線協議并存的局面,重點選擇了HART協議和FF協議現場總線技術攻關.
　　總之,計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（DCS）后,將朝著現場總線控制系統（FCS）的方向發展.雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快,但FCS發展還有很多工作要做,如統一標準、儀表智能化等.另外,傳統控制系統的維護和改造還需要DCS,因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個較長的過程,同時DCS本身也在不斷的發展與完善.可以肯定的是,結合DCS、工業以太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力.工業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式,在工業現場得到了越來越多的應用,并將在控制領域中占有更加重要的地位.
　　5、儀器儀表技術在向數字化、智能化、網絡化、微型化方向發展
　　經過五十年的發展,我國儀器儀表工業已有相當基礎,初步形成了門類比較齊全的生產、科研、營銷體系.現有各類儀器儀表企業6000余家,年銷售額約1000億元,成為亞洲除日本之外第二大儀器儀表生產國.據海關統計,除去隨成套工程項目配套引進的儀器儀表不計,去年進口各類儀器儀表近60億美元,約占我國儀器儀表工業總產值的50%.但目前我國儀器儀表行業產品大多屬于中低檔水平,隨著國際上數字化、智能化、網絡化、微型化的產品逐漸成為主流,差距還將進一步加大.目前,我國高檔、大型儀器設備大多依賴進口.中檔產品以及許多關鍵零部件,國外產品占有我國市場60%以上的份額,而國產分析儀器占全球市場不到千分之二的份額.
　　2001年3月,第九屆全國人大四次會議批準的“十五”計劃綱要首次提出“把發展數控機床,儀器儀表和基礎零部件放到重要位置,努力提高質量和技術水平”.2001年8月,國家計委把儀器儀表明確列為國民經濟重要技術裝備,國家經貿委制定并公布的儀器儀表行業 “十五”規劃,確立了6項高技術產業化項目：
　（1）基于現場總線技術的全開放分散控制系統及智能儀表；
　（2）新型傳感器；
　（3）智能化工業控制部件與執行機構；
　（4）環境與污染源監測儀器及自動監測系統；
　（5）城市污水處理利用成套工藝設備中的儀表自動化控制系統；
　（6）煉鋼轉爐煤氣凈化回轉成套裝置中的儀表自動化控制系統.
　　6、數控技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發展
　　國外數控系統技術發展的總體發展趨勢是：
　　* 新一代數控系統向PC化和開放式體系結構方向發展；
　　* 驅動裝置向交流、數字化方向發展；
　　* 增強通信功能,向網絡化發展；
　　* 數控系統在控制性能上向智能化發展.
　　進入21世紀,人類社會將逐步進入知識經濟時代,知識將成為科技和生產發展的資本與動力,而機床工業,作為機器制造業、工業以至整個國民經濟發展的裝備部門,毫無疑問,其戰略性重要地位、受重視程度,也將更加鮮明突出.
　　近年來,我國數控機床一直保持兩位數增長.2001年,我國機床工業產值已進入世界第5名,機床消費額在世界排名上升到第3位,達47.39億美元,僅次于美國的53.67億美元.2002年產值達260億元,產量居世界第4.但與發達國家相比,我國機床數控化率還不高,目前生產產值數控化率還不到30%；消費值數控化率還不到50%,而發達國家大多在70%左右.由于國產數控機床不能滿足市場的需求,高檔次的數控機床及配套部件只能靠進口,使我國機床的進口額呈逐年上升態勢,2001年進口機床躍升至世界第2位,達24.06億美元,比上年增長27.3%.
　　智能化、開放性、網絡化、信息化成為未來數控系統和數控機床發展的主要趨勢：
　　* 向高速、高效、高精度、高可靠性方向發展；
　　* 向模塊化、智能化、柔性化、網絡化和集成化方向發展；
　　* 出現新一代數控加工工藝與裝備,機械加工向虛擬制造的方向發展.
　　* 信息技術（IT）與機床的結合,機電一體化先進機床將得到發展.
　　* 納米技術將形成新發展潮流,并將有新的突破.
　　* 節能環保機床將加速發展,占領廣大市場.
總之，自控技術在人類社會中的作用是不可忽略的，而且，自動控制技術的發展前景是無限光明的，隨著技術水平的發展，自動控制技術將逐漸向智能化、網絡化的方向發展。

           自動控制論文中文標題    對自動控制的理解及自動控制技術的發展現狀
            學生姓名   鄭*珍      
            校園卡號 320140939750   
            學    院 信息科學與工程學院
            專    業 通信工程2班
            年    級 2014級         

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