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自動化是如何起源和發展的?為什麼科技發展離不開自動化?

自動化顧名思義,就是自動化技術在工農業生產、交通運輸、國防建設和航空、航天等方面的應用。自動化技術自上世紀30年代以來,取得了驚人的成就,已在工農業生產和國民經濟各行業中起著關鍵的作用,自動化水平的高低已成為衡量各行各業和各國家現代化水平的一個重要標誌,自動化專業就是要學習自動化技術,並把它應用到實際的系統中去。

我國高等院校自動化專業的培養目標:培養適合社會主義現代化建設需要,德智體全面發展,在控制理論、控制系統、生產過程自動化、人工智慧與機器人控制等領域具有寬廣理論基礎和相關專門知識,具有創新和開拓精神的高階工程技術人才。畢業生能在國民經濟及國防各部門和行業從事控制系統的研究、設計、整合、開發、製造和應用等工作。

一、自動化專業介紹

自動化專業是面向系統、軟硬兼顧、注重應用的寬口徑專業。培養具備電工技術、電子技術、自動控制理論、自動檢測與儀表、資訊處理、系統工程、計算機技術與應用和計算機網路技術等較寬領域的工程技術基礎和專業知識的高階技術人員。學生畢業後,可在各行各業的運動控制、過程控制、電力電子技術、檢測與自動化儀表、計算機控制等領域從事系統分析、系統設計、系統執行、科技開發及研究等方面的工作。

大家將在四年裡,除了學習一些基礎課(如高等數學、大學英語、大學物理)等,還將主要學習電路原理、電子技術基礎、微機原理、自動控制原理、訊號與系統、微控制器及介面技術、PLC,儀表與過程控制、電機控制、計算機控制等課程。

二、自動化的發展簡史

控制和自動化技術的發展經歷了四個歷史時期。

1. 自動裝置的出現和應用(18世紀以前)

古代人類在長期的生產和生活中,為了減輕自己的勞動,逐漸利用自然界的動力(風力、水力等)代替人力、畜力,以及用自動裝置代替人的部分繁重的腦力活動和體力活動。

例如:古代,公元前14至公元前11世紀,中國和巴比倫出現了自動計時裝置—刻漏等,近代,俄國機械師波爾祖諾夫於公元1765年發明了蒸汽鍋爐水位保持恆定,用的浮子式閥門水位調節器。

2. 自動化技術形成時期(18世紀末至20世紀30年代)

公元1788年英國機械師J. Watt(瓦特)發明離心式調速器,並把它與蒸汽機的閥門連線起來,構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統,這項發明對第一次工業革命和控制理論後來的發展有重要影響。

(1)自動調節的廣泛應用:由於第一次工業革命的需要,人們開始採用自動調節器或裝置,使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J。法爾科發明反饋調節器,並把它與蒸汽閥連線起來,操作蒸汽船的舵,他稱之為伺服機構。到了20世紀20~30年代,美國開始採用PID調節器,這是一種模擬式調節器,現在還在許多工廠中使用。

(2)自動調節系統的穩定性問題:自動調節器和被控制物件組成自動調節系統,當時人們發現系統的被控制量忽高忽低,即發生振盪(不穩定),這使得一些科學家從理論上來加以研究,公元1877年英國數學家E。勞斯、1895年德國數學家A。胡爾維茨提出代數穩定判據,沿用到現在。公元1892年俄國數學家A。李雅普諾夫提出穩定性的嚴格數學定義並發表了專著。他的穩定性理論至今還是研究分析線性和非線性系統穩定性的重要方法。

(3)反饋控制和頻率法:進入20世紀以後,工業生產中廣泛應用各種自動調節裝置,促進了對調節系統的分析和綜合的研究。通過在解決電子管放大器失真問題上的研究,1927年美國電氣工程師H。布萊克(Black)引入的反饋概念,使人們對自動調節系統中反饋控制的結構有了更深刻的認識。此後在拉普拉斯變換的基礎上,傳遞函式的觀念被引入到分析自動調節系統或元件上,成為重要工具。1932年美國電信工程師N。奈奎斯特提出著名的穩定判據,可以根據開環傳遞函式判定閉環反饋系統的穩定性。以上標誌著經典控制理論的誕生。

3. 區域性自動化時期(20世紀40~50年代)

(1)經典控制理論的形成和發展:在前述代數穩定判據和傳遞函式、依據頻率響應的頻率法判據的基礎上加上W。埃文斯1948年的根軌跡法,奠定了經典控制理論的基礎。第二次世界大戰後工業迅速發展,隨著高速飛行、核反應堆、大電力網和大化工廠提出的新控制問題:非線性系統、時滯系統、脈衝及取樣控制系統、時變系統、分佈引數系統和有隨機訊號輸入的系統的控制問題等的深入研究,經典控制理論在20世紀50年代有了新的發展。

(2)區域性自動化的廣泛應用:第二次世界大戰後,在工業上已廣泛應用PID調節器,並用電子模擬計算機來設計自動控制系統。當時在工業上實現區域性自動化,即單個過程或單個機器的自動化。當時的PID調節器是電動的或氣動的、液壓的。在20世紀30~40年代出現了統一訊號的、通用的、標準的氣動單元組合儀表。20世紀50年代研製出了電動單元組合儀表。這些為工業自動化提供了必不可少的技術工具,並使得構成和設計自動控制系統更簡便、更工程化了。

(3)電子數字計算機的發明:電子數字計算機的發明,為20世紀60~70年代開始的在控制系統廣泛應用程式控制和邏輯控制以及應用數字計算機直接控制生產過程,奠定了基礎。目前小型計算機或單片計算機已成為複雜自動控制系統的一個組成部分,以實現複雜的控制和演算法。

4. 綜合自動化時期(20世紀50年代末起至今)

複雜工業、複雜工業過程和航天技術的自動控制問題,都是多變數控制系統的分析和綜合問題,迫切需要加以解決。但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。20世紀70年代微處理機的出現對實現各種複雜的控制任務起了重大的推動作用。

現代控制理論的形成和發展:1956年,前蘇聯數學家龐特里亞金提出極大值原理,同年美國數學家R、貝爾曼創立動態規劃。兩者為解決最優控制問題提供了理論工具。1960年美國數學家R、卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念,揭示了系統的內在屬性。以上標誌著現代控制理論的誕生,並得以迅速發展,形成了多個重要分支:系統辯識、自適應控制和自校正控制器、遙測、遙控和遙感、綜合自動化、大系統理論、模式識別和人工智慧、智慧控制。

三、自動控制與自動化技術的應用範疇

控制與自動化是不斷髮展的高、新科學技術,對人類生產、生活和科學研究有著非常重要的影響。控制與自動化技術發展至今,可以說是已從“人類手腳的延伸”擴充套件到“人類大腦的延伸”。控制與自動化技術時時在為人類“謀”福利,可謂無處不在、無處沒有。

控制與自動化技術正在迅速地滲入家庭生活中。比如全自動洗衣機,不用人動手就能把衣服洗得乾乾淨淨。電腦控制的微波爐,不但能按時自動進行烹調,做出美味可口的飯菜,而且安全節電。電腦控制的電冰箱,不但能自動控溫,保持食物鮮美,而且能告訴食物儲存的數量和時間,還能為烹飪美味佳餚提供建議。還有空調機能提供溫暖如春的環境,清掃機器人能打掃房間等。

在工廠,人們使用各種自動化裝置或系統,如機器人、自動化小車、數控機床、柔性生產線和計算機整合製造系統等,完成產品的加工、裝配、包裝、運輸、儲存等工作。在鋼鐵、石油、化工、農業、漁業和畜牧業等生產和管理過程中,人們用自動化儀表和自動化裝置來控制生產引數,實現生產裝置、生產過程的自動化。

在辦公室,人們廣泛地引入微型電腦及資訊網路、文書處理機、電子傳真機、專用交換機、多功能影印機和祕書機器人等技術和裝置,不斷實現辦公自動化。利用自動化的辦公裝置,可自動完成檔案的起草、翻譯、修改、稽核、分發、歸檔等工作,並利用資訊高速公路、多媒體等技術進一步提高資訊加工與傳遞的效率,實現辦公的全面自動化。辦公自動化的主要目標是企業管理自動化。

在交通運輸中,採用自動化裝置實現交通工具自動化及管理自動化,包括車輛運輸管理、海上及空中交通管理、城市交通控制、客票預定及出售等。在醫療保健事業及圖書館、商業服務行業中,在農作物種植、養殖業生產過程中,都可以實現自動化管理及自動化生產。

在生態、環境和社會等複雜系統中,控制科學和技術為人類開闢了嶄新的研究途徑,為決策和管理的科學化提供了可能。在現代的和未來的戰場上,飛機、艦艇、戰車、火炮、導彈、軍用衛星、以及後勤保障、軍事指揮等,更是時時處處離不開控制與自動化技術。

1、機械製造自動化

機械製造是現代工業重要的組成部分,對國民經濟建設有非常巨大的影響。

(1)數控技術和數控系統:數控技術是一門以數字的形式實現控制的技術,計算機數字控制系統是由程式、輸入輸出裝置、計算機數字控制裝置、可編程式控制器、主軸驅動裝置和進給驅動裝置等組成。數控技術是美國從數控機床的研製開始的。幾十年來,數控裝置和數控機床經歷了研究、試製(1948~1955年)、在工業上應用(1956~1959年)和高速度發展(1960年到現在)三個發展階段。實踐經驗證明,數控裝置和數控機床在提高生產效率、節省人力、提高加工精度、降低加工費用等方面都具有很大的優越性。數控技術在近幾年來獲得了極為迅速的發展,它不僅在機械加工中越來越普遍得到應用,而且在其他裝置中也廣泛應用。例如:數控精密火焰切割機和電火花切割機、數控彎扳機、數控彎管機、數控壓力機、數控繪圖機、數控電焊機等。特別是高效自動化機床,是機床自動化方面一個新的、重要發展方向。數字控制機床的出現,標誌著機床工業進入了一個新的發展階段,也是當前工業自動化的主要發展方向之一。

(2)柔性製造系統:是在計算機直接數控基礎上發展起來的一種高度自動化加工形式。它是由統一的控制系統和輸送系統連線起來的一組加工裝置,包括數控機床、材料和工具自動運輸裝置、產品零件自動傳輸裝置自動檢測和試驗裝置等,不僅能進行自動化生產,而且還能在一定範圍內完成不同工件的加工任務。柔性製造系統由加工系統(多臺製造裝置)、物流系統(裝置間自動傳輸材料、工具和產品零件)、中央管理系統(執行整個系統的生產計劃與作業排程、集中監控以及加工程式管理等工作)組成。

(3)計算機整合製造系統:是在自動化技術、計算機技術及製造技術的基礎上,通過計算機及其軟體,將製造工廠全部生產活動(設計、製造及經營管理,包括市場調研、生產決策、生產計劃、生產管理、產品開發、產品設計、加工製造以及銷售經營等)與整個生產過程有關的物料流與資訊流實現高度統一的綜合化管理,把各種分散的自動化系統有機地整合起來,構成一個優化的完整的生產系統,從而獲得更高的整體效益,縮短產品開發製造週期、提高產品質量、提高生產率、提高企業的應變能力和競爭能力。

2、過程工業自動化

過程工業包括電力、石油化工、化工、造紙、冶金、製藥、輕工等國民經濟中舉足輕重的許多工業,主要對系統的溫度、壓力、流量、液位(料位)、成分和物性等六大引數進行控制。研究這些工業的控制和管理成為人們十分關注的領域,是本學科非常重要的應用領域之一。

過程控制研究過程工業生產過程的描述、模擬、模擬、設計、控制和管理,旨在進一步改善工藝操作,提高自動化水平,優化生產過程(提高產品的產量和質量,降低原材料和能源的損耗),加強生產管理,最終顯著地增加經濟效益。

早期的過程控制系統主要採用基地式儀表、氣動單元組合式儀表、電動單元組合式儀表等傳統技術工具,儘管這些儀表、工具在過程工業的多數工廠中還在應用,但隨著微處理器和工業計算機技術的發展,目前廣泛採用可程式設計單迴路、多回路調節器以及分散式計算機控制系統。近年來迅速發展起來的現場匯流排網路控制系統,更是控制技術和計算機技術高度結合的產物。與機械製造系統中的計算機整合製造系統類似,計算機整合生產系統將計劃優化、生產排程、經營管理和決策引入計算機控制系統,計算機整合生產系統是過程工業自動化的最新成就和發展方向,是自動控制與自動化技術非常重要的應用領域。

3、電力系統自動化

不管是何種形式的電力系統,對其都有三個方面的基本要求:安全性、經濟性和必要的供電質量。為了滿足這些基本要求,電力系統自動化是必不可少的。

首先,安全供電離不開自動化。即使對於單個的火力發電系統,為了保障發電機的安全,需要採用自動裝置進行過電壓保護、過電流保護、接地保護、功率反向保護或差動保護。對汽溫、汽壓、真空度、水位、爐膛壓力、燃燒情況以及汽輪發電機的電流、電壓、軸承溫度等引數需要進行檢測和監控。這些都是電力系統基礎自動化的基本內容。目前單個的電力系統已經很少見,由不同規模、不同性質的電力系統形成複雜的聯網已經成為電力系統發展的必然趨勢。此時,簡單的單項自動裝置已經不能解決問題,要檢測和識別更多的引數,並及時地做出正確的綜合判斷。

其次 ,經濟執行需要自動化。若干聯網電廠總的經濟性和單個機組經濟性的考慮出發點不同,不能只考慮單個機組的經濟性。對於火力發電廠,不但要考慮每個電廠煤耗率、煤耗微增率(即增加單位負荷所需的煤耗量),還要考慮不同電廠在輸電過程中的不同線路損耗。電力系統形成複雜的聯網時,有多個電廠向電網輸入電力,由於環網之間的出力分配相互影響,人們將面臨一個多輸入、多輸出的大系統,它有大量、複雜的資訊處理,還需要進行負荷預測。這些必須藉助基於計算機的自動化管理與控制系統才能達到希望的效果。

再次,供電質量的自動化要求。供電質量主要指電壓質量和頻率質量。例如頻率下降時,鼓風機出力減少,鍋爐給水泵打不上水,火力發電廠的鍋爐將不能執行;油泵不能供應軸承潤滑油,汽輪發電機的軸瓦將被燒壞。頻率變化對電子裝置的影響更大。電壓質量直接影響到使用者的用電質量。電壓過高會損害用電電器,或影響其壽命;電壓過低則電燈不亮,熒光燈不能啟動,甚至會由於轉矩不夠而燒壞電動機。自動調節發電機的端電壓、保護使用者電壓穩定、自動調節頻率是電力系統自動化的主要任務之一。

4.飛行器控制

飛行器是人類征服自然、改造自然過程中發明的重要工具。現代飛行器有很多種類,例如有飛機、導彈、人造衛星、直升機、運載火箭、宇宙飛船、太空梭等。不管是何種飛行器均離不開自動控制系統。而且不同的飛行器其控制系統也各不相同,系統的效能、功能和結構可能截然不同。因此飛行器是自動控制最重要的應用領域,許多先進的、新型控制理論和技術正是為了適應飛行器工程的高要求而發展起來的。

(1)導彈控制系統:其主要任務是:控制導彈有效載荷的投擲精度(命中精度),對飛行器實施姿態控制,保證在各種條件下的飛行穩定性;在發射前對飛行器進行可靠、準確的檢測和操縱發射。由於飛行時間一般較短,但卻經受著內外干擾、多種環境條件的惡劣影響,因而往往偏離預計軌道和預計飛行狀態。控制系統的作用就是消除或減小這些干擾和影響的後果,控制導彈準確、可靠地完成飛行動作,最後飛向目標。

(2)導航系統:導航是指利用敏感器件測量飛行器的運動引數,並將測量的資訊直接或經過變換、計算來表徵飛行器在某種座標系的角度、速度和位置等狀態量。而由測量、傳遞、變換、計算幾個環節組成並給出飛行器初始狀態和飛行運動引數的系統則稱為導航系統。例如近幾年發展和完善起來的全球衛星定位系統。不僅飛行器需要導航系統,車輛、艦船也不同程度地離不開導航系統。

(3)制導系統:其主要功能是利用導航系統提供的飛行器運動引數,對飛行器運動進行控制,使飛行器從某一飛行狀態達到期望的終端條件,保證飛行器以足夠的精度命中目標。對於打擊遠距離固定目標的地對地導彈,一般是將導彈自身的實時運動引數與事先設計好的標準彈道相比較,由此獲得誤差訊號,根據一定的制導規律(控制演算法)來控制導彈的運動,最終使導彈沿標準彈道飛行直到命中目標。隨著控制理論的不斷髮展,許多新的制導規律正在不斷髮展完善。

飛行器控制系統還有:姿態控制系統、飛行控制電子綜合系統、測試與發射控制系統等。

5.智慧建築

一般認為智慧建築包括三大基本要素,即樓宇自動化系統,通訊自動化系統和辦公自動化系統,三者是有機結合在一起的。樓宇自動化系統實現對大樓供電、照明、報警、消防、電梯、空調等裝置子系統的監控和管理,對裝置執行引數進行實時控制與監視,對動力裝置進行節能控制,對裝置非正常執行狀態報警,從而實現對裝置的優化管理與控制,保障裝置執行的安全性和可靠性。通訊自動化系統是大廈智慧化的“中樞神經”。它由各種通訊裝置、通訊線路以及相關計算機軟體組成。它主要包括傳送話音、資料和圖象的基本通訊網路;實現樓層間各種終端、微機、工作站之間通訊的樓層區域網;溝通樓群或樓內計算機與樓內各個區域網間通訊聯絡的高速主幹網以及與公共資訊資源(如Internet)相通的遠端資料通訊網。智慧大廈的辦公自動化系統具有文書處理、資料管理、行政管理、圖象或圖形處理、聲音處理、網路通訊等多種功能,可以對智慧大廈內的資料網路控制中心提供動態資訊資源分配、故障診斷及恢復、資訊處理及網路效能等進行監控。

6.智慧交通系統

交通運輸是國民經濟支柱性產業,對人類的生產、生活有著非常重要的影響。每個國家都面臨道路交通日益擁擠、路網通行能力不能滿足交通量增長需要的問題。智慧交通系統正是為了改變現在的交通狀況、減輕交通擁擠、減少交通事故、制止交通環境的惡化,使現代化的交通更好的為經濟建設服務而出現和發展起來的一個綜合領域,自動控制和自動化技術在其中扮演著十分重要的角色。該系統將採集到的各種道路交通及服務資訊經交通管理中心集中處理後,傳輸到公路運輸系統的各種使用者(駕駛員、居民、警察局、停車場、運輸公司、醫院、救護排障等部門),出行者可實時選擇交通方式和交通路線;交通管理部門可自動進行合理的交通疏導、控制和事故處理;運輸部門可隨時掌握車輛的執行情況,進行合理排程。最終,使路網上的交通流執行處於最佳狀態,從而改善交通擁擠和阻塞,最大限度地提高路網的通行能力,提高整個公路運輸系統的機動性、安全性和生產效率。

Reference:科技日報

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