自动控制的理解及自动控制技术的发展现状 -

标题: 自动控制的理解及自动控制技术的发展现状 [打印本页]

作者: wangshuli 时间: 2017-9-28 18:55
标题: 自动控制的理解及自动控制技术的发展现状
一篇关于对自动控制技术的个人理解论文。

自动控制的理解及自动控制技术的发展现状

摘要：随着现代人类社会的进步与科学技术的发展，自动控制技术在人类生活的各个领域发挥着越来越重要的作用。在军事方面，雷达，导弹等先进技术都用到了自动控制的原理和技术。在日常生活中，洗衣机，电梯，太阳能热水器，马桶水箱水位控制等等。总之，自动控制技术渗透了人类生活的各个领域，对人类社会的进步与发展起着日益重要的作用。

引言：随着科技的进步与发展，自动控制技术也日益成熟。自控技术经过数十年世界性的发展，极大地提高了劳动生产率和产品质量。世界各地自动控制技术正在往微型化、网络化、开放性的方向发展。本文将从自动控制的发展历程与发展现状展开讨论对自动控制技术的认识与理解。

一、 什么是自动控制技术

定义：自动控制技术是能够在没有人直接参与的情况下，利用附加装置(自动控制装置)使生产过程或生产机械(被控对象)自动地按照某种规律(控制目标)运行，使被控对象的一个或几个物理量(如温度、压力、流量、位移和转速等)或加工工艺按照预定要求变化的技术。
内容：自动控制技术包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识；自动控制系统的分析与综合；控制用计算机(能作数字运算和逻辑运算的控制机)的构造原理和实现方法。
原理及方法：自动控制的原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有“控(制)管(理)结合，强(电)弱(电)并重，软(件)硬(件)兼施”鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。　自动控制技术领域为广大用户提供的科学数据主要包括自动控制理论和方法、自动控制系统、控制软件技术、自动控制设备、可靠性技术、功能安全技术等6个数据集。
自动控制技术领域：（1）自动控制理论与方法数据集：主要包括自动控制的基本理论，其中包含决策分析和博弈、多级递阶和分散控制、稳定性和鲁棒性、决策支持系统、自适应、自学习、自校正等数据。系统的建模与仿真、图像处理与模式识别、智能计算与控制均有大量基础数据。并且提供了自动控制最新理论与方法，其中包含基于网络的控制、对象模型不确定系统和鲁棒性、协调控制相关数据。（2）自动控制系统数据集：主要包括自动控制系统体系结构，技术规范，系统集成及典型系统——分布式控制系统(DCS)、基于现场总线的控制系统(FCS)、可编程自动化系统(PAC)、数据采集和监督控制系统(SCADA)相关数据，在典型系统中我们采集了每个系统的应用实例及一些国际知名厂商的典型产品，为用户提供最新、优质、全面、可靠的技术规范。（3）控制软件技术数据集：包括了常规PID控制和先进控制软件：多变量模型预测控制、专家系统、模糊控制及人工神经网络控制组态软件相关基础数据。详细介绍了制造执行系统MES，包含制造执行系统概述、制造执行系统有关的国际标准、实用的制造执行系统软件等数据。
（4）自动控制设备数据集：包括可编程序控制器、嵌入式控制器、工业控制计算机、分布式I/O、变频驱动器以及运动控制和伺服控制设备的体系结构、性能参数、技术参数及工业控制用编程语言，并且提供典型产品的基础数据。（5）可靠性技术数据集：包括可靠性概述、可靠性有关国际标准、故障诊断、可靠性设计数据，为技术人员进行产品设计提供重要参考数据。（6）功能安全技术数据集：包括其基本概念、电气/电子/可编程电子安全以及行业适用的功能安全国际标准及风险评价、安全性设计、网络通信安全等数据。

二、自动控制技术的发展历程
　自动控制领域从古典控制理论、现代控制理论到现在的智能控制理论，经历了很长时间的发展。随着自动化技术的发展，它也面临着许多难题，如传统控制系统的设计和分析是建立在精确系统数学模型基础上的，而实际系统由于在复杂性、非线性、时变性、不确定性等情况，一般都无法获得精确的数学模型；当研究这些系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不相吻合；对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题；为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初投资，降低了系统的可靠性。为了解决这些问题，就出现了智能控制理论。随着人工智能、机器人、计算机和空间技术的迅速发展，智能控制也取得了重大进展。各种智能咨询与决策系统、专家控制系统、学习控制系统、模糊控制系统和智能故障检测与诊断等已在工业过程控制、智能机器人控制、智能化生产系统和家用电气设备中都得到了成功的应用。
近年来自动控制技术发展迅猛，特别是计算机技术、网络和通信技术发展的突飞猛进，使人们籍助于许多使能技术的进步和一些开发工具的扩大，将人们构思的自动操作得以付诸实现。如网络控制技术、可编程控制器等均属于自动化控制技术中的使能技术。自动控制技术正向着网络化、集成化、分布化、节点节能化的方向发展。

三、自动控制技术的应用
自动化控制系统的研究，几乎涵盖所有应用科学知识与技术的结合，领域范围及牵涉的科学知识与应用工具相当广泛，作为交叉学科，自动控制与其他很多学科有关联，尤其是数学和信息学，在制造，医药，交通。机器人，以及经济学，社会学中的应用也都非常广泛。自动化控制的应用领域一般可分为下列几类：
l、工厂自动化控制，又称为生产自动化控制，即利用自动化的生产设备，一贯作业的生产方式，从事有效率的产品生产。
2、设计自动化控制，即利用电脑软件技术及应用，将所需设计的资料，转成控制程序或生产流程，而且以简单的图或语言，来表示或执行制造过程的自动化控制的运作。
3、实验室自动化控制，即利用自动化设备与电脑软件技术及应用，或可编程控制器等设备，结合温度、湿度、压力、流量等传感器，将实验室的控制程序或生产流程，及所需实验结果的资料，转成简单的图或语言，来表示或执行实验室的自动化控制作。
4、检测自动化控制，即利用自动化的检测设备与电脑软件技术及程式应用，结合温度，湿度、压力、流量等传感器设备，能自动地检测样品，并将检测的物理量的资料，转成简单的图或语言，来表示检测结果。
5、办公室自动化控制，即利用软件程式技术及应用，将办公室的文书资料或文书档案，做有效率的管理。
6、家庭自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，结合家庭用设备，提高家庭舒适度与居家安全。
7．服务自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，结合各式各样的自动化设备或传感器，监测、纪录、转接、通知、执行运作等，以供顾客或使用者，能快速处理相关作业或快速处理所遭遇的问题。
8.农业自动化，随着科技的发展，农业也迈进了自动化的行列，播种机，收割机等大型农业用具已经走进农民的生活，为农民的种植收割等工作节省了人力与物力，也大大节省了劳动时间，于此同时，由于自动化灌溉系统技术的发展，大大提高了农作物的生产率。
此外，自动控制在给水排水中也有重要的应用。随着我国经济发展的不断加速,无论工业用水，还是居民用水量越来越大，进而污水的排放量日益增大,其中污水对水体的污染日趋严重,国家政府不断加大治理污水的力度,提高水体的再利用价值。为了满足人们生活工作的用水需求，给水排水方面的工作量是相当艰巨的，于是各种大型的自来水厂和污水处理厂纷纷建成,而且在规模加大的同时，对自动化要求越来越高远程控制、数字化、智能化的控制方式提高了给水排水系统的可靠性,保证了各种用水的效果。
  在正常供水方面：变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，充分利用变频器内置的各种功能对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
在污水排放方面：智能的污水排放系统减少了城市污染，净化了城市环境。

四、对自动控制的认识与理解
自动控制技术是一门渗透到人类生活各个领域的一中重要技术，对人类社会的发展与进步起着至关重要的作用。自控控制技术的每一步前进与发展都引领者人类社会的发展，在现代这个智能化、网络化的信息大时代，自动控制的应用已经是大势所趋。作为人类社会中的一员，我们要适应时代发展的潮流，紧跟社会的步伐，一方面我们要充分利用自动控制技术给我们生活带来的便利。另一方面，我们要不断的学习与发展，为自动控制技术的进步做贡献，为人类社会的发展与进步做贡献。

五、自动控制技术的发展现状及未来的发展趋势
目前，全球的自动控制技术正在日益走向成熟，目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国的工业计算机系统行业已经形成。目前，工业自动化技术正在向智能化、网络化、集成化的方向发展。
　　1、以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流
　　工业控制自动化主要包含三个层次,从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化,其核心是基础自动化和过程自动化
　　近年来,工业PC在我国得到了异常迅速的发展.从世界范围来看,工业PC主要包含两种类型：IPC工控机和CompactPCI工控机以及它们的变形机,如AT96总线工控机等.由于基础自动化和过程自动化对工业PC的运行稳定性、热插拔和冗余配置要求很高,现有的IPC已经不能完全满足要求,将逐渐退出该领域,取而代之的将是 CompactPCI-based工控机,而IPC将占据管理自动化层.国家于2001年设立了“以工业控制计算机为基础的开放式控制系统产业化”工业自动化重大专项,目标就是发展具有自主知识产权的PC-based控制系统,在3(5年内,占领30%(50%的国内市场,并实现产业化.
　　几年前,当“软PLC”出现时,业界曾认为工业PC将会取代PLC.然而,时至今日工业PC并没有代替PLC,主要有两个原因：一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统Windows NT的原因.一个成功的PC-based控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西.可以预见,工业PC与PLC的竞争将主要在高端应用上,其数据复杂且设备集成度高.工业PC不可能与低价的微型PLC竞争,这也是PLC市场增长最快的一部分.从发展趋势看,控制系统的将来很可能存在于工业PC 和 PLC之间,这些融合的迹象已经出现.
　　和PLC一样,工业PC市场在过去的两年里保持平稳.与PLC相比,工业PC软件很便宜.据Frost & Sullivan公司估计,全世界每年7亿美元工业PC市场里,大约8500万美元为控制软件,一亿美元为操作系统.到2007年会翻一番,工业PC市场变得非常可观.
　　2、 PLC在向微型化、网络化、PC化和开放性方向发展
　　目前,全世界PLC生产厂家约200家,生产300多种产品.国内PLC市场仍以国外产品为主,如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产品.经过多年的发展,国内PLC生产厂家约有三十家,但都没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品,可以说PLC在我国尚未形成制造产业化.在PLC应用方面,我国是很活跃的,应用的行业也很广.专家估计,2000年PLC的国内市场销量为15(20万套（其中进口占90%左右）,约25(35亿元人民币,年增长率约为12%.预计到2005年全国PLC需求量将达到25万套左右,约35(45亿元人民币.
　　微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向.在基于PLC自动化的早期,PLC体积大而且价格昂贵.但在最近几年,微型PLC（小于32 I/O）已经出现,价格只有几百欧元.随着软PLC（Soft PLC）控制组态软件的进一步完善和发展,安装有软PLC组态软件和PC-based控制的市场份额将逐步得到增长.
　　当前,过程控制领域最大的发展趋势之一就是Ethernet技术的扩展,PLC也不例外.现在越来越多的PLC供应商开始提供Ethernet接口.可以相信,PLC将继续向开放式控制系统方向转移,尤其是基于工业PC的控制系统.
　　3、面向测控管一体化设计的DCS系统
　　集散控制系统DCS（Distributed Control System）问世于1975年,生产厂家主要集中在美、日、德等国.我国从70年代中后期起,首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS,首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目.当时,我国主要行业（如电力、石化、建材和冶金等）的DCS基本全部进口.80年代初期在引进、消化和吸收的同时,开始了研制国产化DCS的技术攻关.
　　小型化、多样化、PC化和开放性是未来DCS发展的主要方向.目前小型DCS所占有的市场,已逐步与PLC、工业PC、FCS共享.今后小型DCS可能首先与这三种系统融合,而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展.PC-based控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控制,各DCS厂商也将纷纷推出基于工业PC的小型DCS系统.开放性的DCS系统将同时向上和向下双向延伸,使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动,实现信息技术与控制技术的无缝连接,向测控管一体化方向发展.
　　4、控制系统正在向现场总线（FCS）方向发展
　　由于3C（Computer、Control、Communication）技术的发展,过程控制系统将由DCS发展到FCS（Fieldbus Control System）.FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（Field Device）中.基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统,它将取代现场一对一的4(20mA模拟信号线,给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化.
　　根据IEC61158的定义,现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络.现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力,提高了信号的测量、传输和控制精度,提高了系统与设备的功能、性能.IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作,走过了16年的艰难历程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的标准制定就陷于混乱.2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种,分别为：
　　类型1 IEC技术报告（FFH1）；
　　类型2 Control-NET（美国Rockwell公司支持）；
　　类型3 Profibus（德国Siemens公司支持）；
　　类型4 P-NET（丹麦Process Data公司支持）；
　　类型5 FFHSE（原FFH2）高速以太网（美国Fisher Rosemount公司支持）；
　　类型6 Swift-Net（美国波音公司支持）；
　　类型7 WorldFIP（法国Alsto公司支持）；
　　类型8 Interbus（美国Phoenix Contact公司支持）.
　　采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统,促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化,符合工业控制系统的技术发展趋势.国家在“九五”期间为了加快现场总线技术在我国的发展,重点放在智能化仪表和现场总线技术的开发和工程化上,补充和完善工艺设备、开发装置和测试装置,建立智能化仪表和开发自动化系统的生产基地,形成适度规模经济.2000年,“九五”国家科技攻关计划“新一代全分布式控制系统研究与开发”和“现场总线智能仪表研究开发”两个项目相继完成.这两个项目以及先期完成的“现场总线控制系统的开发”项目,针对国际上已经出现的多种现场总线协议并存的局面,重点选择了HART协议和FF协议现场总线技术攻关.
　　总之,计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后,将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展.虽然以现场总线为基础的FCS发展很快,但FCS发展还有很多工作要做,如统一标准、仪表智能化等.另外,传统控制系统的维护和改造还需要DCS,因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个较长的过程,同时DCS本身也在不断的发展与完善.可以肯定的是,结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力.工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式,在工业现场得到了越来越多的应用,并将在控制领域中占有更加重要的地位.
　　5、仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展
　　经过五十年的发展,我国仪器仪表工业已有相当基础,初步形成了门类比较齐全的生产、科研、营销体系.现有各类仪器仪表企业6000余家,年销售额约1000亿元,成为亚洲除日本之外第二大仪器仪表生产国.据海关统计,除去随成套工程项目配套引进的仪器仪表不计,去年进口各类仪器仪表近60亿美元,约占我国仪器仪表工业总产值的50%.但目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低档水平,随着国际上数字化、智能化、网络化、微型化的产品逐渐成为主流,差距还将进一步加大.目前,我国高档、大型仪器设备大多依赖进口.中档产品以及许多关键零部件,国外产品占有我国市场60%以上的份额,而国产分析仪器占全球市场不到千分之二的份额.
　　2001年3月,第九届全国人大四次会议批准的“十五”计划纲要首次提出“把发展数控机床,仪器仪表和基础零部件放到重要位置,努力提高质量和技术水平”.2001年8月,国家计委把仪器仪表明确列为国民经济重要技术装备,国家经贸委制定并公布的仪器仪表行业 “十五”规划,确立了6项高技术产业化项目：
　（1）基于现场总线技术的全开放分散控制系统及智能仪表；
　（2）新型传感器；
　（3）智能化工业控制部件与执行机构；
　（4）环境与污染源监测仪器及自动监测系统；
　（5）城市污水处理利用成套工艺设备中的仪表自动化控制系统；
　（6）炼钢转炉煤气净化回转成套装置中的仪表自动化控制系统.
　　6、数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展
　　国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：
　　* 新一代数控系统向PC化和开放式体系结构方向发展；
　　* 驱动装置向交流、数字化方向发展；
　　* 增强通信功能,向网络化发展；
　　* 数控系统在控制性能上向智能化发展.
　　进入21世纪,人类社会将逐步进入知识经济时代,知识将成为科技和生产发展的资本与动力,而机床工业,作为机器制造业、工业以至整个国民经济发展的装备部门,毫无疑问,其战略性重要地位、受重视程度,也将更加鲜明突出.
　　近年来,我国数控机床一直保持两位数增长.2001年,我国机床工业产值已进入世界第5名,机床消费额在世界排名上升到第3位,达47.39亿美元,仅次于美国的53.67亿美元.2002年产值达260亿元,产量居世界第4.但与发达国家相比,我国机床数控化率还不高,目前生产产值数控化率还不到30%；消费值数控化率还不到50%,而发达国家大多在70%左右.由于国产数控机床不能满足市场的需求,高档次的数控机床及配套部件只能靠进口,使我国机床的进口额呈逐年上升态势,2001年进口机床跃升至世界第2位,达24.06亿美元,比上年增长27.3%.
　　智能化、开放性、网络化、信息化成为未来数控系统和数控机床发展的主要趋势：
　　* 向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展；
　　* 向模块化、智能化、柔性化、网络化和集成化方向发展；
　　* 出现新一代数控加工工艺与装备,机械加工向虚拟制造的方向发展.
　　* 信息技术（IT）与机床的结合,机电一体化先进机床将得到发展.
　　* 纳米技术将形成新发展潮流,并将有新的突破.
　　* 节能环保机床将加速发展,占领广大市场.
总之，自控技术在人类社会中的作用是不可忽略的，而且，自动控制技术的发展前景是无限光明的，随着技术水平的发展，自动控制技术将逐渐向智能化、网络化的方向发展。

         自动控制论文中文标题对自动控制的理解及自动控制技术的发展现状
         学生姓名郑*珍
         校园卡号 320140939750
         学院信息科学与工程学院
         专业通信工程2班
         年级 2014级

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