电气自动控制系统应用及其展望

摘 要 随着自动控制技术的不断发展，它为人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了产品的质量、降低了生产成本、扩大了劳动生产率，同时使人们从繁重的体力劳动和重复的手工操作中解放出来。所以大多数工程技术人员和科学工作者，都必须具备一定的自动控制知识。本文就电气自动控制系统发展及其应用进行叙述。

关键词 电气自动；控制系统；应用

中图分类号TM92 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）97-0053-02

0 引言

工程技术通过理解并控制自然而造福于人类，控制系统工程师通过理解和控制我们环境的一部分，即所谓的系统，为社会提供经济实用的产品。为了达到对系统的控制目的就要理解系统，但是，控制工程也常常对尚未充分理解的系统实施控制，例如对化工过程的控制。控制工程最显著的特点就是对各类机器、工业生产过程及经济活动过程实施控制，以造福于社会。除了在航空航天、导弹制导、机器人技术等领域中，自动控制系统具有特别重要的作用之外，在现代机器制造业、化工过程、交通管制系统等实用工业自动化和复杂的现代系统中都是不可缺少的组成部分。

1自动控制简述

在科学技术发展过程中，自动控制技术扮演了十分重要的角色。在飞行器制导、机器人控制、现代机器制造业生产流水线和工业过程控制方面，到处能看到自动控制的影子。没有自动控制技术的应用就没有现代工业的成果。日常生活中也有许多自动控制的应用实例，如市场上常见的高压锅上的安全阀就是一个简单的控制系统，当锅内因过热导致压力过高时，安全阀会自动打开从而减压。即使是一个生物体，我们也能看到自动控制的实例，当我们感到热的时候，我们就会出汗，当体温下降后，汗腺又会自动收缩，这是身体的控制器官、感知器官、执行器官协调工作的结果，它们形成了一个闭环控制系统。控制系统有多种多样的结构，闭环控制系统是其中重要的一种。

2 闭环控制系统和开环控制系统

2.1 闭环控制系统

凡是系统输出信号对控制作用能有直接影响的系统，都叫做闭环系统。闭环系统也就是反馈控制系统。输入信号和反馈信号(反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数或导数)之差，称为误差信号。误差信号加到控制器上，以减小系统的误差，并使系统的输出量趋于所希望的值。换句话说，“闭环”的涵义就是应用反馈作用来减小系统的误差。

在工业生产和日常生活中，广泛应用着闭环控制系统。例如：位移跟踪系统(又称随动系统)、大多数的机床数控系统、冷藏设备、热水器、空调器等，都是闭环系统。

2.2 开环控制系统

如果系统的输出量对系统的控制作用没有影响，则叫做开环控制系统。在开环控制系统中，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较。图1表示开环控制系统输入量与输出量之间的关系。目前的洗衣机就是开环系统的例子。洗涤、漂洗、脱水过程，依次进行，无需对其输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。类似的开环系统例子还有采用时基信号控制的交通管制系统，这种系统并不测量车的实际流量，完全由时间来控制。

图l开环控制系统

在任何开环控制系统中，系统的输出量都不被用来与参考输入进行比较。因此，对应于每一个参考输入量，都有一个相应的固定工作状态与之对应。这样，系统的精度便决定于校准的精度。为了满足实际应用的需要，开环控制系统必须事先精确校准，并且在工作过程中保持这种校准值不发生变化。

当出现扰动时，开环控制系统就不能完成既定的任务了。因此，只有输入量与输出量之间的关系已知，并且不存在内扰与外扰的情况下，才可以采用开环控制。应当指出，沿时间坐标轴单向运行的任何系统，都是开环系统。

3 自动控制系统举例

3.1 汽车驾驶控制系统

如图2所示，汽车的行驶路线由方向盘控制，驾车人控制方向盘。驾车人通过眼睛观查汽车是否偏离预计的路线，当汽车偏离路线，即产生误差信号时，驾车人调整方向盘，减小误差，直到回归正确路线，这是人工闭环系统。当用自动驾驶仪替代驾车人，由导航仪根据事先确定的路线驱动汽车行驶，则这样的控制系统就是自动驾驶控制系统了，当然，对于汽车来说，除了方向控制之外还有其他控制系统。

3.2 汽轮发电机控制系统

图3是汽轮发电机控制系统图，为了对能耗进行有效的自动化管理，发电厂采用计算机对发电过程进行自动化管理，使耗能负荷平稳均匀，以便节省燃料消耗。在这个系统中，计算机是控制器，它将预期的氧气含量、温度、压力、发电量与实际测定的值进行比较，产生控制信号，以控制锅炉的给水、燃料、空气阀门的开度，使之达到预期的性能指标。

3.3机器人

机器人是一种与自动化技术密切相关、由计算机控制的机器。工业机器人是自动化的一个特定分支，它是指专门用于替代人工劳动的自动化机器，因而具有某些拟人化特征。机械手是常见的机器人，它能在一定程度上模拟人的手臂和手腕，协助人类完成一些特定的工作。

3.4 控制工程实践

工业过程(加工、制造等)中若采用自动控制而非人工控制，常称之为自动化。在化工、造纸、电力、汽车、钢铁等工业行业中，自动化已经非常普遍。自动化成了工业社会的主旋律，工厂普遍应用自动化机器设备来提高生产产量，以便弥补由于工人加薪和通货膨胀所带来的成本增加。

此外，现代工业还致力于提供越来越精密、可靠和性能好的产品。例如，精密可靠的控制在过去的几十年中显著地提高了汽车性能。自动化最早在汽车工业中得到普及。传送带与自动化机床相结合，形成了很长的自动化生产线，可以在几乎没有操作人员干预的情况下，生产汽缸之类的引擎零部件。在车身生产中，使用自动给料机和高速冲压机，可提高板材成型的效率。在设计和生产都相对成熟的其他领域，如汽车水箱生产中，自动化生产线已经完全取代了人工操作。

在现代应用中，自动化可以定义为利用程控指令对指定对象进行操纵，并通过信息反馈确认指令是否被正确执行的一项工程技术。自动化通常应用于过去由人工操作的场合，一旦实现了自动化，系统就可以不要人工干预或协助，而且还能比人工操作运行得更准确、更快捷。一个半自动化的系统则同时需要人工操作和机器操作。例如，许多汽车自动装配线需要操作人员与机器人的密切配合。

冶金工业是另一个在自动控制方面取得相当成就的行业。事实上，在很多场合，控制应用甚至超前于控制理论，如热轧厂对温度、板材的宽度、厚度和产品质量等都实施了控制。

飞速增长的能源消耗和所面临的能源枯竭的威胁促使人们努力采取新的节能措施，对能源进行有效的自动化管理。工业部门采用计算机进行能源管理，统筹安排生产，以减少能源消耗。近来，在自动仓储和库存管理中，也采用了反馈控制的概念，而且农业对自动控制的需求也日益高涨，人们开发了自动控制的保鲜饲料室和自动拖拉机，此外，对风力发电机、太阳能取暖和制冷装置、汽车发动机性能的自动控制也都是重要的现代控制系统实例。

控制系统理论还在生物医学试验、病理诊断、康复医学和生物控制系统中有了众多应用，所研究的控制系统从细胞层次直到中枢神经系统，涉及温度调节和神经系统、呼吸系统、心血管系统等。大多数生物控制系统都是闭环系统，但控制回路中并不只有单个控制器，而是包含着另外的控制回路，从而形成了一种多层次的系统结构。

反馈控制系统在工业生产中应用极为广泛。一些实验室和工业生产线上还使用机器人，这些机器人能提起重达几百磅的重物，并能以极高的精度将重物放置在指定的位置，在工业生产中发挥着巨大的作用。

4 控制系统展望

控制系统不懈努力的目标是使系统具有更好的柔性和更高的自主性。柔性和自主性这两个系统概念和特性从不同的途径要求系统趋向同一个目标。现在的工业机器人已具备了相当大的自主性，一旦确定了控制程序，机器人通常不需要人的进一步干预。但由于传感技术的局限，机器人适应工作环境变化的柔性却十分有限，这也是开展计算机视觉研究的原因之一。一般意义下的控制系统具有很强的环境适应性，但它依赖于人的及时指导。展望未来，先进的机器人系统将通过改进传感反馈机制，变得具有更强的任务自适应能力；有关人工智能、传感器集成、计算机视觉和离线CAD／CAM编程等技术的研究，将使机器人系统变得更加通用和更加经济；一般意义下的控制系统将朝着增强自主运行能力的方向发展，成为人工控制的延伸；在监督控制、人机交互等方面的研究将减轻操作手的负担；计算机数据库管理也将提高操作手的工作效率。此外，还有许多研究工作，如通信方法的改进和高级编程语言的开发等，对机器人和控制系统的发展同样起着推动作用，并且有利于降低工程实现的费用和扩展控制工程的应用领域。

参考文献

[1]徐鹏.电气自动化控制方式的研究[J].科技广场，2009(7).

[2]刘海龙.浅谈电气自动化的现状与发展方向[J].黑龙江科技信息，2010(06).

[3]刘永强.浅谈我国电气自动化的现状及发展前景[J].黑龙江科技信息，2011(2).

[4]张广清.我国工业电气自动化的发展现状与趋势分析[J].中国新技术新产品，2011(11).

[5]王术贺，李广东.浅析电气自动化控制系统的应用及发展趋势[J].黑龙江科技信息，2011(20).