自动化技术的发展趋势

彭小彬

摘要 自动化最普遍的定义是在较少人或无人直接参与工作的情况下，根据人们的日常生产生活需求，首先通过自动检测技术采集信息，然后再对信息输出与信息处理，最后通过自动操纵控制，以此最终实现人们的目标期望值的过程。自动控制是自动化技术的核心，PID控制是自动控制的基本控制方法。目前自动化技术正向着当今前沿的人工智能化、数字化和绿色化方向等飞速发展。在“中国制造2025'中机器人是自动化领域发展的一大趋势。 关键词 自动控制；PID；人工智能；机器人

中图分类号TP3 文献标识码A 文章编号209 5—6363（2017）03—0042—02

1自动化技术概论

在科学技术快速发展的今天，各种高端技术不断被发明创造，可谓是百花齐放，而自动化技术就是这姹紫嫣红的科技万花筒中一朵璀璨的奇葩。说起自动化技术它与人们生活密切相关，生活中处处都有着自动化技术，并大大改善了人们的生活质量、工作和生产方式，而且影响正日益增大。自动化技术在各行各业中被广泛的运用，如生活中的全自动洗衣机、智能控温空调等，人们只需提前设定好最优期望值，剩下的工作由机器自动完成。

2自动化的核心

2.1最简单的控制——开环控制

在自动控制中，开环控制是自动控制中最简单的控制方式，日常生活中开环控制方式的应用随处可见，其中电磁炉就是一个常见的例子。如图1，是一个以开环控制方式的电磁炉加热系统框图。

图1所示的控制方式之所以称为开环控制，是因为输出变量（炉温）没有反馈到系统的输入端，输入信号（控制电压）仅通过系统单向传递到输出信号（炉温）就终止了，没有闭合回路使输出、输入变量有反向联系。这种控制系统的特点在于不论输出量有多大变化都不会对系统的控制作用产生任何影响。开环控制系统难以克服的缺陷是抗干扰能力差（含外部干扰和内部干扰），但同时也具有许多优点，主要为是成本低廉，结构简单，调整方便等。适用于扰动影响小和对控制精度要求不高的场合，开环控制系统的组成可分为按系统的扰动控制方式组成和按系统的给定量控制方式组成，开环控制有经常被称为前馈控制或顺馈控制。

2.2自动控制的精髓——反馈控制

在前面提到的开环控制方式的基础上，当把系统的输出变量（炉温）通过反馈回路反馈到系统的输入端，并根据输出量的波动调整输入量就形成了反馈控制，如图2是一个以反馈控制方式的电磁炉加热系统框图。

在反馈控制系统中，通过检测炉温反馈回输入端不断调整控制电压就能使炉温基本稳定，达到稳定的期望值。反馈控制方式的本质是按偏差（给定电压与反馈电压之差）进行的一种特殊控制方式，与开环控制相比明显的特点是当被控量偏离期望值而波动产生一个相应的误差时，系统便相应的产生一个反馈量去减小或消除这个偏差，使被控量与其期望值逐步靠近，并最终达到相对稳定。该种控制方式的特点是控制精确度较高，但系统结构复杂，且系统的性能分析和设计也较困难，反馈方式可分为正反馈之和负反馈，但在实际的控制系统中很少采用正反馈。在反馈控制系统的基础上增加一个补偿控制，这种将开环控制与闭环控制二者相结合形成的自动控制方式称为复合控制，复合控制对波动较大的扰动幅度能够更迅速、更灵敏地进行补偿和抑制，抗干扰和控制精度性能与反馈控制相比更优良。

2.3最简单的控制方法——PID控制

HD控制的历史久远，比例控制是最早采用的控制方式，这种控制方式较为简单，后来通过实际生产生活中遇到的问题逐步针对性的引入了积分控制和微分控制，即形成了著名的PID控制。

HD其工作的本质是对系统的误差进行比例放大、积分、微分后通过一定的方式合成为新的控制量，以e（t）表示系统的误差，以u（t）表示系统的控制量，HD的控制规律可以表达为：

在控制系统中积分控制一般不单独使用，而是和比例控制相互组合成PI调节器；由于微分控制作用反映的是系统的变化率，因此微分控制只在系统的动态变化过程中起作用，微分控制不独立使用，而是和比例积分控制一起组成PID调节器，有时也和比例控制组合成PD调节器。PID控制应用广泛，通用性强，但也有它的缺点和局限性。

3自动化技术的发展

自动化技术的发展凝聚了无数科学家的经验、智慧与汗水。在“蒸汽时代”过后，随着电磁感应、发电机、电磁波等的发明和应用，人类进入“电气纪元”，在生产设备中，广泛的采用各种接触器、断路器、放大器、电磁调速器等各种的电子和电气控制装置，大大改善了工厂的自动化水平。19世纪末至20世纪中叶是自动化技术和理论发展的顶峰时期，一些被沿用至今的经典方法在这一时期被提出来，如李雅谱诺夫（Lyapunov）提出关于运动稳定性的分析方法，奈奎斯特（Nyquist）的基于系统频率响应特性的分析方法，伊万思（Evans）分析系统性能如何随增益变化而变化的根轨迹法等。以单输入、输出系统为核心的经典控制理论逐步被运用到自动化技术中。

计算机的出现加速了自动化技术的发展，自动化技术发生了根本的转变。如在不改变硬件设施的前提下，仅需改变事先设定好的程序，即可实现简单自动控制，也能够实现很复杂的最优控制和模仿人类智能的高级控制，使控制系统到达最佳的状态，正因如此，计算机被广泛运用于自动化系统的控制调节装置中，这被称为自动化技术的数字化、计算机化。在中国制造2025中，机器人领域的发展是自动化技术发展中的一个重大发展趋势，中国已成全球最大的机器人市场，但缺乏核心技术仍是制约中国机器人发展的桎梏。

4结论

自动化的发展始终是和社会需求密切联系的，并推动着人类社會的发展，目前，自动化技术正向着“智能化、工业化、数字化、网络化、综合化、集成化和绿色化”方向的飞速发展，随着自动化技术和理论的发展自动化将在更大的程度上模仿人的智能，自动化技术将更加趋向于智能化，更多采用智能化机器人，在未来人类文明的进步和科学技术发展起着更加重要的作用。