自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展趨勢

彭小彬

摘要 自動(dòng)化最普遍的定義是在較少人或無人直接參與工作的情況下，根據(jù)人們的日常生產(chǎn)生活需求，首先通過自動(dòng)檢測技術(shù)采集信息，然后再對(duì)信息輸出與信息處理，最后通過自動(dòng)操縱控制，以此最終實(shí)現(xiàn)人們的目標(biāo)期望值的過程。自動(dòng)控制是自動(dòng)化技術(shù)的核心，PID控制是自動(dòng)控制的基本控制方法。目前自動(dòng)化技術(shù)正向著當(dāng)今前沿的人工智能化、數(shù)字化和綠色化方向等飛速發(fā)展。在“中國制造2025'中機(jī)器人是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢。 關(guān)鍵詞 自動(dòng)控制；PID；人工智能；機(jī)器人

中圖分類號(hào)TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)209 5—6363（2017）03—0042—02

1自動(dòng)化技術(shù)概論

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，各種高端技術(shù)不斷被發(fā)明創(chuàng)造，可謂是百花齊放，而自動(dòng)化技術(shù)就是這姹紫嫣紅的科技萬花筒中一朵璀璨的奇葩。說起自動(dòng)化技術(shù)它與人們生活密切相關(guān)，生活中處處都有著自動(dòng)化技術(shù)，并大大改善了人們的生活質(zhì)量、工作和生產(chǎn)方式，而且影響正日益增大。自動(dòng)化技術(shù)在各行各業(yè)中被廣泛的運(yùn)用，如生活中的全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能控溫空調(diào)等，人們只需提前設(shè)定好最優(yōu)期望值，剩下的工作由機(jī)器自動(dòng)完成。

2自動(dòng)化的核心

2.1最簡單的控制——開環(huán)控制

在自動(dòng)控制中，開環(huán)控制是自動(dòng)控制中最簡單的控制方式，日常生活中開環(huán)控制方式的應(yīng)用隨處可見，其中電磁爐就是一個(gè)常見的例子。如圖1，是一個(gè)以開環(huán)控制方式的電磁爐加熱系統(tǒng)框圖。

圖1所示的控制方式之所以稱為開環(huán)控制，是因?yàn)檩敵鲎兞浚t溫）沒有反饋到系統(tǒng)的輸入端，輸入信號(hào)（控制電壓）僅通過系統(tǒng)單向傳遞到輸出信號(hào)（爐溫）就終止了，沒有閉合回路使輸出、輸入變量有反向聯(lián)系。這種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在于不論輸出量有多大變化都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生任何影響。開環(huán)控制系統(tǒng)難以克服的缺陷是抗干擾能力差（含外部干擾和內(nèi)部干擾），但同時(shí)也具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要為是成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便等。適用于擾動(dòng)影響小和對(duì)控制精度要求不高的場合，開環(huán)控制系統(tǒng)的組成可分為按系統(tǒng)的擾動(dòng)控制方式組成和按系統(tǒng)的給定量控制方式組成，開環(huán)控制有經(jīng)常被稱為前饋控制或順饋控制。

2.2自動(dòng)控制的精髓——反饋控制

在前面提到的開環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，當(dāng)把系統(tǒng)的輸出變量（爐溫）通過反饋回路反饋到系統(tǒng)的輸入端，并根據(jù)輸出量的波動(dòng)調(diào)整輸入量就形成了反饋控制，如圖2是一個(gè)以反饋控制方式的電磁爐加熱系統(tǒng)框圖。

在反饋控制系統(tǒng)中，通過檢測爐溫反饋回輸入端不斷調(diào)整控制電壓就能使?fàn)t溫基本穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定的期望值。反饋控制方式的本質(zhì)是按偏差（給定電壓與反饋電壓之差）進(jìn)行的一種特殊控制方式，與開環(huán)控制相比明顯的特點(diǎn)是當(dāng)被控量偏離期望值而波動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的誤差時(shí)，系統(tǒng)便相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)反饋量去減小或消除這個(gè)偏差，使被控量與其期望值逐步靠近，并最終達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。該種控制方式的特點(diǎn)是控制精確度較高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)也較困難，反饋方式可分為正反饋之和負(fù)反饋，但在實(shí)際的控制系統(tǒng)中很少采用正反饋。在反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)補(bǔ)償控制，這種將開環(huán)控制與閉環(huán)控制二者相結(jié)合形成的自動(dòng)控制方式稱為復(fù)合控制，復(fù)合控制對(duì)波動(dòng)較大的擾動(dòng)幅度能夠更迅速、更靈敏地進(jìn)行補(bǔ)償和抑制，抗干擾和控制精度性能與反饋控制相比更優(yōu)良。

2.3最簡單的控制方法——PID控制

HD控制的歷史久遠(yuǎn)，比例控制是最早采用的控制方式，這種控制方式較為簡單，后來通過實(shí)際生產(chǎn)生活中遇到的問題逐步針對(duì)性的引入了積分控制和微分控制，即形成了著名的PID控制。

HD其工作的本質(zhì)是對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行比例放大、積分、微分后通過一定的方式合成為新的控制量，以e（t）表示系統(tǒng)的誤差，以u(píng)（t）表示系統(tǒng)的控制量，HD的控制規(guī)律可以表達(dá)為：

在控制系統(tǒng)中積分控制一般不單獨(dú)使用，而是和比例控制相互組合成PI調(diào)節(jié)器；由于微分控制作用反映的是系統(tǒng)的變化率，因此微分控制只在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程中起作用，微分控制不獨(dú)立使用，而是和比例積分控制一起組成PID調(diào)節(jié)器，有時(shí)也和比例控制組合成PD調(diào)節(jié)器。PID控制應(yīng)用廣泛，通用性強(qiáng)，但也有它的缺點(diǎn)和局限性。

3自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展

自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展凝聚了無數(shù)科學(xué)家的經(jīng)驗(yàn)、智慧與汗水。在“蒸汽時(shí)代”過后，隨著電磁感應(yīng)、發(fā)電機(jī)、電磁波等的發(fā)明和應(yīng)用，人類進(jìn)入“電氣紀(jì)元”，在生產(chǎn)設(shè)備中，廣泛的采用各種接觸器、斷路器、放大器、電磁調(diào)速器等各種的電子和電氣控制裝置，大大改善了工廠的自動(dòng)化水平。19世紀(jì)末至20世紀(jì)中葉是自動(dòng)化技術(shù)和理論發(fā)展的頂峰時(shí)期，一些被沿用至今的經(jīng)典方法在這一時(shí)期被提出來，如李雅譜諾夫（Lyapunov）提出關(guān)于運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的分析方法，奈奎斯特（Nyquist）的基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的分析方法，伊萬思（Evans）分析系統(tǒng)性能如何隨增益變化而變化的根軌跡法等。以單輸入、輸出系統(tǒng)為核心的經(jīng)典控制理論逐步被運(yùn)用到自動(dòng)化技術(shù)中。

計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)加速了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。如在不改變硬件設(shè)施的前提下，僅需改變事先設(shè)定好的程序，即可實(shí)現(xiàn)簡單自動(dòng)控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)很復(fù)雜的最優(yōu)控制和模仿人類智能的高級(jí)控制，使控制系統(tǒng)到達(dá)最佳的狀態(tài)，正因如此，計(jì)算機(jī)被廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)裝置中，這被稱為自動(dòng)化技術(shù)的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化。在中國制造2025中，機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重大發(fā)展趨勢，中國已成全球最大的機(jī)器人市場，但缺乏核心技術(shù)仍是制約中國機(jī)器人發(fā)展的桎梏。

4結(jié)論

自動(dòng)化的發(fā)展始終是和社會(huì)需求密切聯(lián)系的，并推動(dòng)著人類社會(huì)的發(fā)展，目前，自動(dòng)化技術(shù)正向著“智能化、工業(yè)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、集成化和綠色化”方向的飛速發(fā)展，隨著自動(dòng)化技術(shù)和理論的發(fā)展自動(dòng)化將在更大的程度上模仿人的智能，自動(dòng)化技術(shù)將更加趨向于智能化，更多采用智能化機(jī)器人，在未來人類文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展起著更加重要的作用。