自动化控制与物理的联系.doc

自动化控制与力学总体来说，自动化控制与力学及相关运动有着密不可分的联系。自动化控制是指以复变函数为工具，以数字电路为载体，利用反馈机制使被控对象在无人参与下自动按照预定规律运行的一种计算机技术。1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的原理。1939年世界上第一批系统与控制的专业研究机构成立，为20世纪40年代形成经典控制理论和发展局部自动化作了理论上和组织上的准备。 1946年，美国福特公司的机械工程师D.S.Harder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。50年代，自动调节器和经典控制理论的发展，使自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。60年代，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。70年代，自动化的对象变为大规模、复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题。这些问题的研究，促进了自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制和复杂系统的智能控制，出现了综合利用计算机、通信技术、系统工程和人工智能等成果的高级自动化系统，如柔性制造系统、办公自动化、智能机器人、专家系统、决策支持系统、计算机集成制造系统等。 自动化的概念是一个动态发展过程。最初的控制器在公元前300年的古希腊就被发明了出来。来自埃及的古希腊工程师科泰西比奥斯的水钟就是通过浮子控制的。比赞兹在公元前250年发明了油灯，通过浮子来控制油面的高度。这都是浮力在自动化控制中的应用。第一个在工业领域使用的带有反馈的调节装置当属瓦特发明的离心力控制器，这是他在1769年为纽卡门的蒸汽机量身定做的；与此同时，俄罗斯人波尔祖诺夫发明了带有反馈的水面高度控制器，也属世界首创。水面高度的信息传递到浮子上，然后再反作用于蒸汽阀门上。从1868年起，自动控制被许多新的发明推动着不断前进。但是，人们如果想要提高控制的精准性，就必须发展出自动控制领域一套完整的理论。这方面最早的数学理论是由麦克斯韦提出的，他为离心力控制器用微分方程构造了一个模型。直到二战，自动控制系统的理论和实践在美国，西欧和在俄国，东欧沿着不同的方向发展。在西方，系统一般都在频域描述，问题都用伯德，尼奎斯特和布莱克的方法解决，而前苏联的数学家和工程师们一般在时域用微分方程解决问题。自动控制技术的重大突破发生在二战时期，因为制造武器装备，必须处理复杂的系统。雷达，无人驾驶和自动瞄准系统只是几个带有反馈系统的例子。对新的控制系统的需求导致了新的数学方法的改善，从而控制技术有了自己的一套准则。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。力与运动密切相关，是自动化控制的重要研究对象。由此产生了运动控制（MC）。运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和速度。运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。运动控制是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。同步运动控制是由伺服驱动技术延伸发展而来的。伺服驱动器驱动伺服电动机并采集反馈信号到驱动器的核心控制单元，实现高动态响应的运动控制。在数控加工中心和机器人的多个伺服轴依靠控制单元的插补运算，实现两个轴以上的插补运动轨迹曲线，而在一些对运动控制要求更高的设备上，要求各个运动轴之间实现主从的同步关系，从而进一步发展出了同步运动控制技术。同步运动控制可以实现两个机器人之间的协同运动。在冲压自动化设备中，同步控制可以实现压机之间的同步，压机与快速送料机构之间的同步，使整个冲压生产线达到最大生产效率。目前工业上应用较多的是西门子的SIMOTION运动控制系统和力士乐的INDRAWORKS运动控制。前者在食品加工、印刷、汽车制造等领域有广泛应用，后者在汽车制造和轮胎方面有较多应用。在冲压自动化行业，能够提供同步控制解决方案的有德国西门子、力士乐和日本的瑞恩。目前，在国际上，能够使用同步控制集成技术在高档冲压生产线上的厂家有德国的舒勒万家顿、日本的小松、瑞士的古德等。在国际上，这些设备制造商制造的已经投产的同步快速冲压线有很多，主要集中在日本和欧美。在中国也有一些已经投产或正在安装调试，其中比较具有代表性的是用于一汽轿车的舒勒冲压线、上海通用的万家顿冲压线、北京现代的GUDEL冲压线和起亚汽车的GUDEL冲压线等，他们都是使用了同步技术并于近几年投产的冲压线。从电气控制上讲，舒勒万家顿和古德都是使用带有同步控制功能的工控机作为控制核心，使用力士乐的伺服驱动器作为驱动元件，使用力士乐的伺服电动机作为执行元件实现运动控制的。而压机是作为主轴，信号来源于安装在压机凸轮上的编码器，在整个同步控制中这个编码器就作为主轴，其他从轴随这个主轴按照编辑的同步曲线运动。在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。一般情况下，这种数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件（如：光栅尺、光电编码器等），即实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成（大多数全闭环的机床数控系统就是这样）。这样大大增加了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统，使得高精度自动化设备的实现更为容易。伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件(如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等)，作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间