制造自动化技术发展展望

新乡学院2012-2013学年第一学期期终考试

《先进制造技术》考核试题

姓名：学号：班级：机制本4

制造自动化技术发展展望

摘要：自动化的应用普遍存在与日常的生活与工作中，所谓自动化（Automation），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的进行操作或运行。广义上讲，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。另外，与自动化相关的一个术语就是自动控制（Automatic Control）,自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。一般的说，自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。

关键字：自动化自动控制发展现状展望

0引言

所谓自动化（Automation），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的进行操作或运行。广义上讲，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。

另外，与自动化相关的一个术语就是自动控制（Automatic Control）,自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。一般的说，自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相似的。

1.机械自动化技术的产生及发展

关于控制和自动化技术发展但是其上可以分为四个历史时期：

（1）自动化装置的出现和应用（18世纪以前）

古代人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用自然界的动力(水力、风力等)代替人力、畜力，以及用自动装置代替人的部分繁杂的脑力劳动和对自然界动力的控制。

（2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）

（3）局部自动化时期（20世纪40~50年代）

在1943~1946年，美国电气工程师J.埃克脱(Eckert)核物理学家J.莫奇利（Mauchly）为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管和数字管的计算机（Electronic Digit Computer）——电子书子积分和自动计数器（ENIAC）。随后人们对计算机进行了多次改良，使之更加实用。同时，电子计算机的发明，为20世纪60~70年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。目前，小型电子数字计算机或单片机已成为复杂自动控制系统的一组成部分，以实现复杂的控制和算法。

（4）综合自动化时期（20世纪50年代起末至今）

在这个时期，经典控制理论已不能满足复杂工业化的需求，现代控制理论应运而生，得到了迅速的发展，并形成了许多各分支。

另一方面，自动控制系统的类型大致可分为三种：恒指自动控制系统、程序自动控制系统和随机系统(伺服系统)。但各种系统的组成部分基本相同：

①给定环节产生给定的输入信号；

②反馈环节对系统输入（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号（Feedback Loop）；

③比较环节将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生误差（error）信号；

④控制器（调节器）根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号，控制器是自动控制系统实现控制的核心部分；

⑤执行环节（执行机构）将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化；

⑥被控对象（Controlled Object）控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量;

⑦扰动（Disturbance）除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系统内、外的物理量；

⑧校正环节（Correcting Device）在有些不采用工业标准化控制器的伺服系统中，误差信号处理由校正环节来完成。它代替控制器的作用和位置。伺服系统是以电信号作为输入和以被控对象为电动机轴的位置作为输出的自动控制系统.

2.机械自动化技术理论的产生、发展现状

在第二次世界大战期间，为了防御火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的领域，经典控制理论应运而生。

在前述代数稳定判据和传递函数、依据频率响应的频率法判据的基础上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根轨迹法（Root Locus Method），奠定了适宜用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。

从20世纪40年代末，开始在美国、西欧和苏联为大学生和研究生开设了自动控制课程。在20世纪50年代，前苏联还在大学里设置了自动化方面的专业，专门培养控制方面的人才。1950年张钟俊教授在上海交通大学为大学生和研究生开设了“伺服机构原理”课程。

1945年美国数学家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。1948年他出版的《控制论》一书为控制论奠定了基础。[1]1954年，中国科学家钱学森全面的总结了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的《工程控制论》（《Engineering Cybernetics》）一书。

第二次世界大战后工业迅速发展，随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代又有了新的发展。

由于复杂工业、复杂工业过程和航天系统的自动控制问题都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决，但经典控制理论的直接应用于到了困难，在20世纪70年代微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。此时，一种新的控制理论含苞待放。

公元1956年，前苏联科学家庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R.贝尔曼（Bellman）创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。1960年美国数学家R.卡尔曼（kalman）提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入了状态空间法（State Space Method），提出具有二次型性能指标的线性状态反馈率，为线性自动控制系统给出了自动调节器的概念。这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。

现代控制理论的迅速发展，形成了许多重要分支：

（1）系统辨识（system identification）、建模（Modelling）与仿真（Simulation）。系统辨识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。因为只有被控对象的数学模型已经精确知道，才能采用经典控制理论的一些分析和设计方法以及现代控制理论的状态空间法和最优调节器的设计方法。此外，建立数学模型还可以采用解析发和实验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修改、浮现系统的模型，这称为系统仿真。

（2）自适应控制（Self-adaptive Control）和自校正控制器（Self-turing Regulator）

（3）遥测（Telemetry）、遥控（Remote Control）和遥感（Remote Sensing）

（4）综合自动化

（5）大系统（Large-scale system）理论的诞生

（6）模式识别（Pattern Recognition）和人工智能（Artificial Intelligence）

（7）智能控制（Intelligent Control）的诞生随着人工智能研究的发展，人们开始将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。只是新一代的自动控制系统。它的特点是：具有智能，能解决一些以往的自动控制技术解决得不好或者不能解决得控制问题。他将人工智能中的专家系统、学习系统、模糊逻辑控制和多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统。例如智能机器人。[2]

3.机械自动化技术的基本原理

控制的基本原理主要可归结为两个词: 反馈控制和前馈控制。反馈控制是基于被控量的偏差控制，只要被控量有变化，控制器就有输出，就产生控制作用，即先有变化，再有控制。[5]而前馈控制是基于干扰量的变化，在没有对被控量产生作用之前，就施加一个作用，抵消由于干扰量变化而引起的控制量变化，即控制在变化之前。但干扰量必须可见或可测。其实这两者都是为了保证被控量达到给定的性能指标，只不过是控制与被控量的变化谁先谁后不同罢了。[3] 例如，在显像管的制造过程中，两个主要扰动即香炉内的投料量和昼夜温差都是可测的，前馈

回路中先测这两个扰动，经过变送器和扰动补偿从而在扰动之前控制系统，这是个典型的前馈控制。再如炉温控制系统通过传感器测量变换输出量，使之与输入量对比后才实现下一步控制，因此只要输入量有变量，就产生控制作用，控制在变化之后，是反馈控制。

其实在实际的生产过程中，往往都是两种调节同时存在，如在电炉温度自动控制系统中，除了冷工件的加进炉膛这个主要扰动外，还有其他次要扰动：调压器的贡品电源的波动、昼夜温差引起的炉温散热情况的变动等。所以对于一个完整的自动控制系统，除了对主要扰动得补偿外，反馈回路仍是必不可少的，他就用来克服其他扰动，这就形成了负荷控制系统。

4机械自动化技术的应用

防空火力控制现在再一个报道，就是1925年到1940年之间斯佩雷（Sperry）的那个工作，这里谈的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是这样的。它这个火力控制，这里一大堆人的地方，这是它主要的核心部分，叫火控指挥仪。火控指挥仪是指什么意思呢？根据飞机的方位角、高低角，飞机在飞还有一个前置角，打前置角，把这个呢，控制火炮，告诉火炮。就是这个地方是它的指挥仪，等到火力控制的地方，这里站了三个人，当时的术语叫人工伺服，三个人，为什么三个人呢，一个方位角，一个高低角，还有一个引信。因为他那时候还要算出来，就是要指挥仪算，算出来我炮弹飞到你飞机的时候，需要多少时间。引信就是指一个定时器，它拨到可能几秒钟以后爆炸，所以需要这三方面的高低角、方位角，再加上定时爆炸，才能把飞机打掉。这是1940年前的，这个是美国的火力控制的情况。但是到真正我们核心搞控制的人来说，火炮控制部分是人工伺服，

指挥仪这个就是当时的斯佩雷（Sperry）公司搞的，主要它的工作就是这个指挥仪。这个指挥仪怎么工作，大家可以看到，这个火炮上站着的，围着指挥仪是一帮人。当时是1940年前后，所以这个人站在上面都是很危险的，因为上面敌人飞机过来，是这么一个情况。到了1940年以后，火力控制系统发生很大的变化，你看这上面人已经很少了。这个变化是谁搞的呢？这里有一个贝尔实验室里边的一个年轻的工程师帕金森（Parkinson），只有29岁。就是一个一般的技术员，当时是一般技术员，他做了一个梦，他这个梦在所有的正式文件里边都承认，他是一个什么情况呢？这个帕金森（Parkinson），他就是一个低职位的工程师，让他承担的任务是绕电位计，就是1940年那天晚上他做了一个梦。他梦到用电位计控制的记录笔也可以控制火炮的发射，他这个梦就促进了自动控制技术的发展。

防侧滑系统还有一个就是日常遇上的汽车的防侧滑的那个系统。这个左边的那个图，就是相当于仿真计算。仿真计算往上翘的就是一般常规的汽车，这种工作不是在纸面上做的；右边的就是照片了，就是实际上它还是做实验的，这些都是目前，就是跟我们生活都有关系的一些控制系统。

蒸汽机的离心调速器，刚出来的时候，大家不知道有反馈的概念，所有的问题都集中在调节器本身，一会儿说你是调节器重量太小了，应该大一点；一会儿说这里要有个弹簧，一会儿又说这有弹簧也不好；一会儿说里边因为摩擦力影响，就一直没有从反馈系统来考虑，就是单个孤立的一个控制器。麦克斯维尔把这个系统看作调节器，跟调节对象合在一起，用微分方程来进行研究，这是麦克斯维尔的功劳。

5机械自动化技术的展望

控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可以说无所不在、无处没有。

控制与自动化技术正在迅速的渗入家庭生活中。如全自动洗衣机，不用人手就可以把衣服洗干净；电脑控制的微波炉，不但能按时自动进行烹调，能做出美味的饭菜。[4]而且安全省电；电脑控制的电冰箱，不但能自动控温，保持食物鲜美，而且能告诉食物存储的数量和时间，还能为烹饪美食佳肴提供建议……还有许许多多运用控制与自动化技术的例子存在我们的生活中。

在工厂，人们使用各种自动化装置或系统，如机器人、自动化小车、数控机床、柔性生产线和

计算机集成制造系统等，完成产品的加工、装配、运输、存储等工作。在钢铁、石化、农业、渔业和畜牧业等生产和管理过程中，人们用自动化仪表和自动化装置来控制生产参数，实现生产设备、生产过程和管理过程的自动化。

在办公室，人们广泛地引入微型电脑及信息网络、文字处理机、电子传真机、专用交换机、多功能复印机和秘书机器人等技术和设备，不断实现办公自动化。

在交通运输行业、医疗机构、科研机构等行业也普遍的运用了控制与自动化技术和设备。

在我看来，自动化下一步可能趋向于生物自动化，把生物体的一些功能赋予机器，使其智能化有一个质的提高；另一个趋势是家用机器人的研制，可以是人类得到更大的解放；再就是可以盖建筑物的大型自动化装置和机器人；还有一个在科幻电视里看到的，可大幅度压缩的便携式自动化装置，如皮包压缩成黄豆大小。

6.结论

在这个自动化设施遍地都是的社会，没有自动化方面的知识是万万不行的，只有学会如何使用这些自动化设备，才能使这些自动化设备真正的为人类“谋”福利，才能真正的解放人。同时，自动化设备大都是一些机械设备，有一些可能有一定的危险性，如果在使用时不明白其原理，很有可能造成事故，因此，自动化方面的理论知识是每一个人都不可缺少的，只有如此才能使我们处在一个安全、舒适、便捷的环境里。

对于我们专业的学生，不仅在日常生活中会遇到自动化设备，在我们将来的工作中，也是每天都与自动化设备打交道，因此我们只有把自动化方面的理论知识学好并且学精，才能在工作中不出事故，才能在工作中有所作为。自动化课程不同于其他课程，他需要我们多注意我们身边的自动化设备，在思维理由一个大致的模型，在学习的过程中，多联系一下实际设备，只有这样，我们才能真正的学好自动化，才有机会成为一名优秀的自动化工作者。

参考文献：

[1]朱学峰．过程控制技术的发展、现状与展望．测控技术，西安：西安交通大学出版社，1999：45～46。

[2]王平洋．电力系统自动化与智能技术，电力系统自动化，北京：中国人民大学出版社，1998：22～24。

[3]吴蕴章．自动控制理论基础．西安：西安交通大学出版社，1999：67～68。

[4]王雨田．控制论、信息论、系统科学与哲学，北京：中国人民大学出版社，1986：90～92。

[5]中国大百科全书总编辑委员会[自动控制与系统工程]编辑委员会．中国大百科全书——自动控制与系统工程卷．北京：中国大百科全书出版社，1991：67～68。

[6]朱学峰．过程控制技术的发展、现状与展望．测控技术，北京：中国大百科全书出版社，1999：89～91。