自動控制

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自動控制是太空探索中最重要的學門,因為人類很難到達外太空和其他星球進行現場操作

自動化控制(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[編輯]

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麥克斯韋提出的,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[編輯]

透過自動控制可以極少人員就完成諸多工作(甚至不須人員)

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。

自動控制的基礎-數學[編輯]

控制系統的研究非常需要依賴應用數學的使用,在理論分析過程中,數學扮演了一個相當重要的角色。實際上在自動控制系統在發展過程中,必須先作理論的分析與研究,然後才作最後的設計,如此才能夠獲得合理的預期及可靠的結果。因此,在學習自動控制系統之前,必須需要具備相當的數學基礎,方能獲得學習上的突破。

在控制系統的研究中,所需具備的數學基礎包括有微分方程式線性代數拉普拉斯變換複變函數z變換等等。另一方面,由過去的單輸入單輸出(SISO)簡單系統,發展至多輸入多輸出(MIMO)複雜系統,因此,現代控制的發展則需要更精深的數學基礎,除了上述的數學外,現代控制理論是建立在矩陣理論、集合理論等等的高等數學基礎。

系統模型[編輯]

屬於電機工業中典型的控制系統

在控制系統的分析與設計中,建立模型是首要的步驟。模型可以是一個物理模型,也可以是一個數學模型,或是一個圖示模型。

通常一般只有在工程實務系統中才可能使用物理模型,例如,風動實驗室中的縮小比率之汽車或飛機模型均屬於靜態物理模型,而飛行模擬實驗室中的六自由度飛行模擬器則屬於動態物理模型。至於數學模型或是圖示模型則是建立於系統的理論基礎上,以方便系統的分析與設計。

線性常微分方程時域內的基礎的連續模型。通過引入一些變數,我們可以得到狀態空間模型(只含有一階求導),狀態空間模型描述了系統的所有動力學特性,包括其內部無法測得,而且也不是輸出值的量。

對開始的常微分方程和狀態空間模型進行拉普拉斯變換,我們可以得到傳遞函數。這是一個頻域內的表述,只給出了輸出和輸入的關係,但沒有描述系統內部的量。通過拉普拉斯變換,我們有了處理系統的一般方法,這比解微分方程要容易。在自動控制中傳遞函數通常用G(s)表示。在多值系統中它是一個矩陣

開環系統的傳遞函數有所有器件的傳遞函數組成(區間G(s),控制器K(s))。

G_o(s) = G(s) \cdot K(s)

導向傳遞函數G_w(s)來自於輸出通過測量器(G_m(s))對控制器的反饋。

G_w(s) =  \frac{G_o(s)}{1+G_o(s) \cdot G_m(s)}

若我們考察小頻率時的G_w(s),這時存在控制差。如果G_w(s=0) = 1,則控制差e為零。

伯德圖可使傳遞函數顯而易見。

控制迴路效果分析[編輯]

  • 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麥克斯韋赫爾維茨等。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[編輯]

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]

與其他學科的關係[編輯]

自動化控制系統的研究,幾乎涵蓋所有應用科學知識與技術的結合,領域範圍及牽涉的科學知識與應用工具相當廣泛,作為交叉學科,自動控制與其他很多學科有關聯,尤其是數學信息學,在製造醫藥交通機器人,以及經濟學社會學中的應用也都非常廣泛。飛機船舶中的自動駕駛,汽車中的防抱死和速度控制器也都是典型的應用。

應用範圍[編輯]

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[編輯]

工廠自動化

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[編輯]

辦公室自動化

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,結合家庭用設備,如電視機、電鍋、冷氣機、電冰箱、瓦斯開關、警報系統、保全系統、監視系統等設備,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]

參考文獻[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 江昭皚,〈第六章 ——自動控制原理〉,《農業自動化叢書12機電整合》
  2. ^ Tan, K.C. and Li, Y. (2001) Performance-based control system design automation via evolutionary computing. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 14 (4). pp. 473-486. ISSN 0952-1976, http://eprints.gla.ac.uk/3807/
  3. ^ Li, Y., et al. (2004). CAutoCSD - Evolutionary search and optimisation enabled computer automated control system design. International Journal of Automation and Computing, 1(1). pp.76-88. ISSN 1751-8520, http://eprints.gla.ac.uk/3818/

其他參考書籍[編輯]

  • 王台有,江榮傑等編譯。1999。自動控制。全威圖書有限公司。
  • 汪永文編著。2002。自動控制。全華科技圖書股份有限公司。
  • 張充鑫,賴連康等編著。2003。自動化概論。全華科技圖書股份有限公司。
  • 廖國清,蕭志清,陳曦照等編譯。1999。機電整合。全華科技圖書股份有限公司。
  • Gene F. Franklin, J. D. Powell, and AbbasEmani-Naeini, Feedback Control of DynamicSystems, 4th ed., 2002.