自動控制

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自動化控制(英語:automation control)屬於自動化技術的一門,廣義來說,通常是指不需藉著人力親自操作機器或機構,而能利用動物以外的其他裝置元件或能源,來達成人類所期盼執行的工作。更狹義地說即是以生化、機電、電腦、通訊、水力、蒸汽等科學知識與應用工具,進行設計來代替人力或減輕人力或簡化人類工作程序的機構機制,皆可稱之[1]

自動控制是相對人工控制概念而言的。指的是在沒人參與的情況下,利用控制裝置使被控對象或過程自動地按預定規律運行。自動控制技術的研究有利於將人類從複雜、危險、繁瑣的勞動環境中解放出來並大大提高控制效率。

自動控制系統的理論主要是反饋論,包括從功能的觀點對機器和物體中(神經系統、內分泌及其他系統)的調節和控制的一般規律的研究。離散控制理論在計算中也有很廣泛的應用。

自動控制是工程科學的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態系統的自動影響,以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看,它以數學的系統理論為基礎。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產生的控制論的一個分支。基礎的結論是由諾伯特·維納魯道夫·卡爾曼提出的。

室內溫度的調節是一個簡明易懂的例子。目的是把室內溫度保持在一個定值θ,儘管開窗等因素使得室內熱量散發出室外(干擾d)。為了達到這個目的,加熱必須被適當的影響。通過閥門的調節,溫度就會保持恆定。除此之外,在人們有感覺之前,暖器熱水的溫度也會受外界溫度的干擾。

歷史

自動控制有著一段引人入勝的歷史。最初的控制器在公元前300年的古希臘就被發明了出來。來自埃及的古希臘工程師科泰西比奧斯水鐘就是通過浮子控制的。比贊茲在公元前250年發明了油燈,通過浮子來控制油面的高度。

第一個帶有反饋的控制系統來自於水面高度控制。第一個帶有反饋的溫度控制器是荷蘭人德雷貝爾發明的。來自法國的帕潘在1681年第一個發明了蒸汽鍋爐的壓力調節裝置。

第一個在工業領域使用的帶有反饋的調節裝置當屬瓦特發明的離心力控制器,這是他在1769年為紐卡門的蒸汽機量身定做的。與此同時,俄羅斯人波爾祖諾夫發明了帶有反饋的水面高度控制器,也屬世界首創。水面高度的信息傳遞到浮子上,然後再反作用於蒸汽閥門上。

從1868年起,自動控制被許多新的發明推動著不斷前進。但是,人們如果想要提高控制的精準性,就必須發展出自動控制領域一套完整的理論。這方面最早的數學理論是由馬克士威提出的,他為離心力控制器用微分方程構造了一個模型。

直到二戰,自動控制系統的理論和實踐在美國,西歐和在俄國,東歐沿著不同的方向發展。在西方,系統一般都在頻域描述,問題都用伯德,尼奎斯特和布萊克的方法解決,而前蘇聯的數學家和工程師們一般在時域用微分方程解決問題。

自動控制技術的重大突破發生在二戰時期,因為製造武器裝備,必須處理複雜的系統。雷達,無人駕駛和自動瞄準系統只是幾個帶有反饋系統的例子。對新的控制系統的需求導致了新的數學方法的改善,從而控制技術有了自己的一套準則。

1980年代,由於電子技術的出現,控制技術有了新的動因。工程師們可以更快更好地進行計算,高度複雜和精準的控制系統成為可能

目標和任務

自動控制的目的是有目標的改變系統行為,使之達到預想的特性。這些特性可能是各種各樣的,如:

  • 公稱值控制:控制系統的輸出值準確的符合公稱值。這是通過定值控制實現的,而公稱值是會改變的。公稱值必須保持不變。
  • 軌跡結果:輸出值遵循一定的動態公稱值軌跡,這可以通過某些用於特定信號的控制器解決。
  • 干擾排除:輸出值應該排除干擾因素的影響。
  • 活力:就算實際情況不能滿足模型,以上三條也必須存在,這叫做系統的活力。

根據不同的目標,決定控制器是需要不同的方法的。自動控制的任務已經超出了控制的範疇之外。常見的有:

  • 不穩定系統的穩定化
  • 定值調節
  • 帶有或不帶有動態傳遞的軌跡結果
  • 干擾反饋,用以排除干擾
  • 設備監測,用以防止和排除故障

為了解決這些問題,數學中的系統理論是必需的。這些方法有可分為,控制器,補償器,和檢測裝置的設計,以及控制環節及整個系統的分析。

控制迴路效果分析

  • 穩定性:控制環路的穩定性是系統的一項重要特性,因為非穩定性常常導致系統的損傷(比如飛機的墜毀和鍋爐的爆炸)。穩定性理論方面的重要貢獻者有馬克士威赫爾維茨等。有很多概念和分析方法來評判控制環路的穩定性,這些構成了穩定性理論的基礎。
  • 標稱值:可以通過傳遞函數來檢驗。當頻率為零時,放大值應該為一。

控制方法

以下的內容是介紹一些可以實現上面控制要求的控制方法:

  • 線性控制設計:所謂的設計方法,一個重要的特性是對於可達到的質量的保證(在LTI系統中)。這些在實踐中只是局部有效的,因為線性系統只是一種抽象和簡化,實際的系統與之多少有些偏差。在擾動模型當中,模型和實際系統的特性頗為一致,前提是偏差離工作點不太大。
  • 線性時不變控制器的統一設計方法:即無論何種控制方法或結構,LTI系統都能根據所需性能指標和被控對象模型,應用計算機智能一次性設計[2]

應用範圍

而自動化控制的主要內容,一般可再細分為以下列幾類:

工廠自動化控制

生產自動化控制,即是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,我們稱之為工廠自動化控制。例如:

設計自動化控制[編輯]

設計自動化控制,即利用電腦軟體技術及應用,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,來表示或執行製造過程的自動化控制的運作。[1]

實驗室自動化控制[編輯]

實驗室自動化控制,即利用自動化設備與電腦軟體技術及應用,或可程式控制器等設備,結合溫度、濕度、壓力、流量等感測器,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。[1]

檢測自動化控制[編輯]

檢測自動化控制,即利用自動化的檢測設備與電腦軟體技術及程式應用,結合溫度濕度壓力流量感測器設備,能自動地檢測樣品,並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。[1]

辦公室自動化控制

主條目:無紙化

辦公室自動化控制,即利用軟體程式技術及應用,將辦公室的文書資料或文書檔案,做有效率的管理,並結合傳真機電話機影印機電腦等迅速地處理文書資料或文書檔案,以提供承辦人或決策主管參考。[1]

家庭自動化控制[編輯]

家庭自動化控制,即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用,藉由共同的通訊協定,結合有線網路、無線網路系統將家庭用設備,如電視機、電鍋、冷氣機、電冰箱、洗衣機、瓦斯開關、與警報系統、保全系統、遠端監視系統結合,讓用戶可以透過網際網路在遠端監控住家的安全,是否有人侵入,是否有任何異常狀況,可以在遠端控制電器的操作以提高家庭舒適度與居家安全。[1]

服務自動化控制[編輯]

服務自動化控制,即利用自動化的設備與電腦軟體技術及程式應用,結合各式各樣的自動化設備或感測器,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。諸如銀行轉帳自動化服務、旅館訂房自動化服務、飛機、客運、火車訂票自動化服務等。[1]