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自动化技术和理论的产生、发展及展望

课程：自动化（专业）概论

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自动化技术和理论的产生、发展及展望

【内容提要】：自动化的发展简史﹑演变和展望。以及扩展到自动控制﹑智能控制等一系列的控制问题，还对未来的拓展及展望。

【关键字】：自动化﹑自动化技术﹑自动控制﹑智能控制，理论知识和发展及展望。

【英文】：A utomation ﹑ Automation Cortrol﹑Science ﹑Technology ﹑Regulation Management and Control Methord„

Automation is a dynamic concept with abroad and profound meaning. Now the research on the manufacturing automation technology is very active. Automation is a widely applied comprehensive science and technology with many subjects involved. Automation technology is widely applied in industry, agricture, military affairs, scientific research, transportation, commerce, medical care and service. Automation can relieve the labour work of people and greatly increase the production efficiency, so it is the important condition and notable symbol for modernization of industry, agriculture, national defense, science and technology.

•引言

“自动化(Automation ) ”是美国人D.S.Harder 于1936年提出的他认为在一个生产过程中，机器之间的零件转移不用人去搬运就是“自动化”。1946年，美国福特公司的机械工程师D.S. 哈德最先提出“自动化”一词，并用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程。自动化的概念是一个动态发展过程。 自动化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进行操作或控制的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。自动化的广义内涵至少包括以下几点：在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：代替人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，制造系统中人机及整个系统的协调、管理、控制和优化。在功能方面，自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是自动化功能目标体系的一部分。自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。在此过程中出现另一个相关的专业术语是自动控制（Automation Cortrol ）。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。

自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于将人类

从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。 自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。 基础的结论是由诺伯特·维纳，鲁道夫·卡尔曼提出的。150多年前第一代过程控制体系是基于5－13psi 的气动信号标准（气动控制系统PCS ，Pneumatic Control System ）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。（举例：室内温度的调节 室内温度的调节是一个简明易懂的例子。目的是把室内温度保持在一个定值θ，尽管开窗等因素使得室内热量散发出室外（干扰d ）。为了达到这个目的，加热必须被适当的影响。通过阀门的调节，温度就会保持恒定。除此之外，在人们有感觉之前，暖器热水的温度也会受外界温度的干扰。其余的例子还有三油桶系统。）随之而来的第一至第五代就越来越成熟化，技术内容十分广尤其是第五代过程控制体系（FCS ，Fieldbus Control System 现场总线控制系统）：FCS 是从DCS 发展而来，就象DCS 从CCS 发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS 与DCS 的真正的区别在于FCS 有更广阔的发展空间。。自动化主要是研究的人造系统的控制问题，而自动控制除了上述研究外，还研究社会﹑经济﹑生物﹑环境等非人在系统的控制问题。例如生物控制，经济控制，社会控制等，显然这些都不能列入自动化研究的范围。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近的。

采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用，自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。

·自动化技术的产生及发展

自动装置的出现和应用（18世纪以前） 在当时古代人类在长期的生产和生活中，为减轻自己的劳动，开始接触一些简单的自动化装置，也就是古代自动装置。像中国和巴比伦出现了自动计时装置—刻漏、指南车 、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。慢慢的随着时间的发展科技也在不断发展，于是出现了近代自动化装置， 17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：法国物理学家B. 帕斯卡（Pascal ）在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C. 惠更斯（Huygens ）于公元1657年发明钟表；英国机械师E. 李（Lee ）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师И.. 波尔祖诺夫（Ползунов）于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。如下图所示

图1.1对象和调节器形成调节系统

自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）在当时公元1788年以 J. 瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统为代表标志着自动化技术的形成。于是一些列的调节的出现和统一。由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator ）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。公元1868年法国工程师J. 法尔科（Farcot ）发明反馈调节器，20世纪20-30年代，美国开始采用PID 模拟式调节器（比例-积分-微分调节器）。随之出现反馈和自动调节系统的稳定性，反馈控制和频率法等。在稳定判据加上公元1922年N. 米诺尔斯基《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.L. 黑曾（Hazen ）发表的《关于伺服机构理论》的论文标志着经典控制理论的诞生。

局部自动化时期 (20世纪40-50年代) 在第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部自动化起了重要的促进作用。在问题的过程中形成了经典控制理论﹐设计出各种精密的自动调节装置﹐开创了系统和控制这一新的科学领域。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论﹐在苏联称为自动调整理论﹐主要是解决单变量的控制问题。经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联合自动控制会议上提出来的。1945年后由于战时出版禁令的解除﹐出现了系统阐述经典控制理论的著作。1945年美国数学家维纳﹐N. 把反馈的概念推广到一切控制系统。50年代以后﹐经典控制理论有了许多新的发展。。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后工业发展上的需要。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错误的结论。经典控制理论的方法有其局限性。这一时期空间技术迅速发展迫切需要解决多变量系统的最优控制问题。于是诞生了现代控制理论。

20世纪40年代中发明的电子数字计算机开创了数字程序控制的新纪元﹐虽然当时还局限于自动计算方面，但ENIAC 和EDVAC 的制造成功﹐开创了电子数字程序控制的新纪元。电子数字计算机的发明为60～70年代在控制系统中广泛应用程序控制和逻辑控制以及广泛应用电子数字计算机直接控制生产过程奠定了基础。子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。电子数字计算机的发明，为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。现代控制理论的形成和发展为综合自动化奠定了理论基础同时微电子技术有了新的突破。

综合自动化时期（20世纪50年代末起至今) 这一时期复杂工业、复杂工业过程和航天技术的自动控制问题，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。1956年前苏联数学家Л. 庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R. 贝尔曼创立动态规划。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。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈律，为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。

1958年出现晶体管计算机﹐1965年出现集成电路计算机﹐1971年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响﹐控制工程师可以很方便地利用微处理机来实现各种复杂的控制﹐使综合自动化成为现实。

20世纪60-70年代，英国学者H. 罗森布罗克、D. 梅恩和A.G. 麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法。这些理论是现代控制理论形成而迅速发展，是大规模自动智能装置的广泛运用的前提和基础。

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定常数系统的分析和设计问题。

自动控制系统的形式是多种多样的，用不同的标准划分，就有不同的分类方法。常见的有如下几种：

按给定信号的形式不同，可将系统划分为以下几个系统：

（1）恒值控制系统

恒值控制系统（也称为镇定系统或调节系统或恒值系统）的特点是，给定输入一经设定就维持不变，希望输出量维持在某一特定值上。例如前面提到的液位控制系统，直流电动机调速系统等。如下图1。2 。

图1.2炉温自动控制系统

（2）. 程序控制系统。

当自动控制系统的给定信号是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统（Programmed Control System）

（3）．随动控制系统程序控制系统的功能，就是要按照预定的程序来控制被控制量。

在随动控制系统（也称随动系统）中，若给定信号的变化规律是事先不能确定的随时间变化的信号，例如，函数记录仪、自动火炮系统和飞机-自动驾驶仪系统等，则称该系统为自动跟踪系统；若给定输入是预先设定的、按预定规律变化的信号（如数控机床的输入信号），则称相应系统为程序控制系统。上述两种系统统称为随动控制系统。

此外还有常见的如下：

(1) 定常系统和时变系统

按系统参数是否随时间变化，可以将系统分为定常系统和时变系统。

如果控制系统的参数在系统运行过程中不随时间变化，则称之为定常系统或者时不变系统，否则，称为时变系统。实际系统中的零漂、温度变化、元件老化等影响均属时变因素。严格的定常系统是不存在的，在所考察的时间间隔内，若系统参数的变化相对于系统的运动缓慢得多，则可将其近似作为定常系统来处理。

（2）线性系统和非线性系统

按系统是否满足叠加原理，可将系统分成线性系统和非线性系统。 如果一个系统在输入r 1(t ) 作用下产生输出c 1(t ) ，在输入r 2(t ) 作用下产生输出c 2(t ) ；若在输入a 1r 1(t ) +a 2r 2(t ) 作用下系统输出为a 1c 1(t ) +a 2c 2(t ) （其中r 1(t ) r 2(t ) 是任意的输入信号；a 1, a 2是任意的常数），则该系统满足叠加原理，是线性系统，否则是非线性系统。

·自动控制理论的创和发展

在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。它伴随着自动化的产生和发展，和自动化紧密相连。到战后，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输

出，线形定常数系统的分析和设计问题。

20世纪60年代初期，随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段——现代控制理论。他主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。于是诞生了智能控制（intelligent controls）指在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。对许多复杂的系统，难以建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析，而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。定量方法与定性方法相结合的目的是，要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支（如系统工程、系统学、运筹学、信息论）结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。智能控制的核心在高层控制，即组织控制。高层控制是对实际环境或过程进行组织、决策和规划，以实现问题求解。为了完成这些任务，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示、自动推理和决策等有关技术。这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”. 。智能控制与传统的或常规的控制有密切的关系, 不是相互排斥的. ，常规控制往往包含在智能控制之中, 智能控制也利用常规控制的方法来解决“低级”的控制问题, 力图扩充常规控制方法并建立一系列新的理论与方法来解决更具有挑战性的复杂控制问题。智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础, 扩展了相关的理论和技术, 其中应用较多的智能控制的主要技术方法有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。智能控制的相关技术与控制方式结合或综合交叉结合, 构成风格和功能各异的智能控制系统和智能控制器是智能控制技术方法的一个主要特点。由此可见智能控制是一个适用十分广泛现代控制，而且是非常有前途的研究，也是现当代比较热的话题。 ·控制的基本原理

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任

务，这就是反馈控制的原理。可想而之则有前馈控制，是指通过观察情况、收集整理信息、掌握规律、预测趋势，正确预计未来可能出现的问题，提前采取措施，将可能发生的偏差消除在萌芽状态中，为避免在未来不同发展阶段可能出现的问题而事先采取的措施。前馈控制发生在实际工作开始之前，是未来导向的。质量控制培训项目、预测、预算、实时的计算机系统都属于前馈控制。前馈控制是管理层最渴望采取的控制类型，因为它能避免预期出现的问题，而不比当问题出现时再补救。

自动控制系统的组成部分有以下：给定环节 、反馈环节 、控制器（调节器） 、 执行环节（执行机构）、被控对象、 扰动等 。反馈（Feedback ）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。反馈控制是一种基本的控制方式，是使系统输出的误差进行控制，有负反馈和正反馈。反馈控制又称为闭环控制，与之相对的还有开环控制。如下图所示的反馈和前馈控制相结合的复合型图。

在自动控制系统进行着不断地检测被控制量，并反馈、比较，不断地得到误差信号的过程；而且进行着：借助于此误差信号，不断地通过变换、放大使执行机构动作，力图使被控制量回复到给定值并消除误差的过程。这是一个动态过程。由于被控对象，例如图3.1中的电炉和执行机构电动机及相附的降速齿轮系都有惯性，甚至较大的惯性。这就是说：假如电炉的供电电压突然降为零，电炉炉膛和工件的温度不是突然降为室温，而是慢慢下降；电动机供电电压突然降为零，电动机也要从原来的转速，逐步降为零。只不过后者的降速过程较电炉的降温过程要快得多，即电炉的惯性较电动机大得多。由此可知，电炉、电动机等惯性的存在，是自动控制系统产生动态调节过程的根本原因。电炉炉膛温度Uf 在t=0冷工件进入后，稍后温度开始下降，接着就开始产生力图校正误差的控制作用与下图所示的稳定性和不稳定性

图1.3复合自动控制系统框图

图1.4a 稳定性简易图 图 1.4b 稳态误差简易图

·展望

今天看来自动化的上述概念也还不完善。把自动化的功能目标看成是用机器代替人的体力劳动或脑力劳动是比较狭窄的理解。这种理解甚至在某种程度上阻碍了自动化技术的发展，例如，有人就认为，中国人多，搞自动化没有很大的必要。

今天，自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵。自动化的广义内涵至少包括以下几点：在形式方面，制造自动化有三个方面的含义：代替人的体力劳动，代替或辅助人的脑力劳动，制造系统中人机及整个系统的协调、管理、控制和优化。在功能方面，自动化代替人的体力劳动或脑力劳动仅仅是自动化功能目标体系的一部分。自动化的功能目标是多方面的，已形成一个有机体系。在范围方面，制造自动化不仅涉及到具体生产制造过程，而是涉及产品生命周期所有过程。自动化是一个动态概念，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等自动化的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面，包括理论、方法、硬件和软件等，从应 用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、管理自动化、实验室自动化和家庭自动化等。像智能自动化得到广泛的应用，智能控制的关键问题不是设计常规控制器，而是研制智能机器的模型。此外，智能控制的核心在高层控制，即组织控制。高控制是对实际环境或过程进行组织。决策和规划，以实现问题求解。为了完成这些任务，需要采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示、自动推理和决策等有关技术。这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。

随着人工智能和计算机技术的发展，已经有可能把自动控制和人工智能以及系统科学中一些有关学科分支（如系统工程、系统学、运筹学、信息论）结合起来，建立一种适用于复杂系统的控制理论和技术。出现了大批的智能装置，如智能机器人，智能建筑，智能通信等等。但随着时间的推移，一定会出现更多的自动化现代装置，我也畅想，能设计一个能抵制和维护全球气候变暖的装置，是人们不再为气候因素而烦劳；还有再发明一个具有自动装置的纳米材料制成的机器探测仪，把它置于人体中来定期自动反馈出相应的数据，来判断人的生理情况。还有……我认为在不久的将来一定会实现的，同时我们也会不但努力的，向未来进军！

·结论

没有自动化就没有现代化，这句话的确很对！今天，自动化已远远突破了上述传统的概念，具有更加宽广和深刻的内涵，自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。自动化的应用正从工程领域向非工程领域扩展，如医疗自动化、人口控制、经济管理自动化等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得

到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。

自动化类专业课程的是一个有机整体 ，数理知识是学习后续课程的理论基础，其中尤以高等数学和工程数学占的比例最大。技术基础课程可分为三大类，即电类、计算机类和控制类。自动化类专业的理论和技术发展特别快速，自动化类专业还特别注重学生的动手能力、解决实际问题能力的培养 。自动化对社会的影响 自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类的生产、生活等方式将产生深远影响。

因此我们要坚实基础理论，再通过实践的磨练，然后加上自己的一点灵感和创意，将自动化学牢固，掌握全面，做一个现代化的高级智能人才！

参考文献:

1 高国燊，余文烋 ．自动控制原理．华南理工大学出版社，1999

2戴忠达．自动控制理论基础．清华大学出版社，1991

3胡寿松．自动控制原理．第4版．科学出版社，2001

4万百五．自动化（专业）概论. 第2版 武汉理工大学出版社2005