自动化概论论文

doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 自动化概论论文 09 自动化 1 班，张进 自动化，即通过传感器对被控对象各状态信息的获取并由处理器对这些信息进行分析 与计算，使机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或运行。 在 18 世纪以前，古代的人们在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用 自然界的动力代替人力、 畜力， 以及用自动装置代替人的部分繁杂的脑力劳动和对自然界的 控制，这也就是早期自动装置的出现和应用。到了 18 世纪末至 20 世纪初，伴随着英国的工 业革命，促成了控制理论逐步发展，自动调节得到了广泛的应用，同时也产生了大量的应用 于自动控制的算法和规则。 在第二次世界大战期间， 为了防空火力控制系统和飞机自动导轨 系统等军事技术的问题， 各国科学家设计出各种精密的自动调节装置， 开创了防空火力系统 和控制这一新的学科， 将控制理论推向了一个局部自动化的时期， 经典控制理论有了新的发 展。 公元 1956 年， 前苏联数学家 JI.庞特里亚金提出极大值原理。 同年美国数学家 R.贝尔曼 创立动态规划。两者为解决最优控制问题提出了理论工具。1960 年美国数学家 R.卡尔曼提 出能控性和能动性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有 二次型性能指标的线性状态反馈率， 为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。 以上这 些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。 现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支，如，系统辨识、建模与仿真；自适 应控制和自校正控制器；遥测、遥控和遥感；综合自动化；模式识别和人工智能；智能控制 等。 按照给定环节给出的输入信号的性质可以将自动控制系统的类型分为，以克服各种对 被测量的扰动而保持被调节量为恒值的恒值自动调节系统； 给定环节给出的给定作用为一个 预定的程序的程序自动控制系统； 以及给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的 函数的随动系统。虽然给定环节的输入信号饿性质不同但它们均由以下几部分所组成。 （1）给的环节 产生给定的输入信号； （2）反馈环节 对系统输出进行测量，将它转换为反馈信号； （3）比较缓解 将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生误差信号； （4）控制器 根据误差信号，按一定规律产生相应的控制信号，控制器是控制系 统实现控制的核心部分； （5）执行环节 将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化； （6）被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量； （7）扰动 除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系统 内外的物理量； （8）校正环节 在有些不采用工业标准化控制器的伺服系统中，误差信号处理由校 正环节来完成。 许多工业自动控制系统，都采用制成工业产品的自动化仪表进行测量、信号变换、放 大和控制。这些产用的自动化仪表是： （1）传感器 实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量； （2）变送器 与传感器配套，使输出成为标准信号； （3）控制器 采用模拟信号的控制器使用较多，它接受来自被控对象的测量值和给 定值或它们的误差，并根据一定的控制规律产生输出信号以推动执行机构； （4）放大器 用以增加信号的幅度或功率； （5）执行机构 接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用。 在自动控制系统中进行着不断地检测被控制量，并反馈、比较，不断地得到误差信号 的过程；而且进行着：借助于此误差信号不断地通过变换、放大使执行机构动作，力图使被 控制量回复的给定值并消除误差的过程。 （1）反馈控制和扰动补偿 由反馈控制的基本结构可以看出，控制器由误差引起了动作，因此在反馈系统的 调节过程中误差的产生不可避免， 而误差的产生是用来力图消灭误差。 有时这会导致在调节 过程中出现较大的误差甚至引起震荡。 另一种消除被控制对象由于外界扰动引起误差的方法， 称为扰动补偿。 扰动补偿的原理在于 扰动进入被控对象的同时也进入控制对象前部的控制器。 两个通道的作用是相反的， 结果可 使得对象的输出方向维持近似不变。 （2）比例微分积分控制 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能

会出现震荡甚至失稳，其原因是由于 存在有较大惯性的环节或有滞后的远近， 使力图克服误差的作用， 其变化总是落后于误差的 变化。这自然让人想到：解决的方法是使克服误差的作用的变化要有些“超前” ，即在误差 接近零时，克服误差的作用就应该是零，这就是说，在控制器中引入比例+微分+积分的三 项作用。而且，各项作用有相应的系数可分别加以设置和调整，以保证能调到使自动控制系 统具有好的动态品质。 （3）最优控制 最优控制有开环和闭环两种结构形式。在开环最优控制中控制信号被设计成与控 制系统的状态无关的时间函数； 在闭环最优控制中则把控制信号设计成被控制系统状态的函 数。 （4）自适应控制 有些被控对象的数学描述受到无法测量 外界扰动的影响， 因而也无法采用扰动补 偿来改善系统的动态品质。对于这类过程，应该采用自适应控制。 （5）智能控制 智能控制具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相 结合的分析方法特点，是运用人工智能的概念和方法来解决被控对象的建模和系统的控制、 优化等问题， 具体说来就是运用神经网络、 迭代学习算法、 模糊控制以及由知识库、 数据库、 学习机、 推理机组成的智能决策单元来解决实际问题。 它包括专家控制系统、 模糊控制系统、 神经控制系统、学习控制等智能控制系统。 （6）优化控制 优化控制一般用于大系统、工业过程的控制，特别是大型工业过程的控制。这里 的“过程”是指一类被控工业对象，其中工业过程各子过程的 PID 控制器用来决定工业过 程的工况， 即决定过程运行的一些重要被控参数值，如被控过程的温度、 压力、流量、 液位、 成分、物性等等。 优化控制与最优控制不同。后者经常是将自动控制系统的控制器设计成，使它的 与动态调节过程有关的品种指标为极值。 控制与自动化是不断发展高新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要 的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸” 。控制与自动化技 术时时在为人类谋福利，可谓无处不在、无处不有。 在家庭生活中，比如全自动洗衣机，不用人动手就能把衣服洗得干干净净；电脑控制 的微波炉，不但能按时自动进行烹调，做出美味可口的饭菜，而且安全节电；电脑控制的电 冰箱，不但能自动控温，保持食物鲜美，而且能告诉食物存储的数量和时间，还能为烹饪美

味佳肴提出建议。 在工厂，人们使用各种自动化装置或系统，如机器人、自动化小车、数控机床、柔性 生产线和计算机集成制造系统等，完成产品的加工、装配、包装、运输、存储等工作。 在办公室，人们广泛的引入微型电脑及信息网络、文字处理机、电子传真机、专用交 换机、多功能复印机和秘书机器人等技术和设备，不断实现办公自动化。 在交通运输中，采用交通工具自动化及管理自动化，包括车辆运输管理、海上及空中 交通管理、 城市交通控制、 客票预订及出售等。 在医疗保健事业及图书馆、 商务服务行业中， 在农作物种植、养殖业生产过程中，都可以实现自动化管理及自动化生产。 在生态、环境和社会等复杂系统中，控制科学和技术为人类开辟了暂新的研究途径， 为决策和管理的科学化提供了可能。在现代的和未来的战场上，飞机、舰艇、战车、火炮、 导弹、军用卫星以及后勤保障、军事指挥等，更是时时处处离不开控制与自动化技术。 在今后的学习中我将理论与实践相结合，广泛阅读教材和参考书籍，深刻理解理论体 系。比如，在单片机入门的时候我会通过汇编语言来加强理解 C51 的内部结构，在学 C 语 言的时候自己尽可能多的编制各种程序， 完成大量的练习并与同学积极讨论在实践中所发现 的各种问题。 1本文由浪头Kiss博贡献

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东北电力大学自动化工程学院-自动吉林 吉林 132012 摘要:为了使制造系统达到效率最大化,经济最优化,我们发展适度的自动化制造系统,具体研究了自动 化制造系统的人机一体化设计.该系统是在三个层面上实现一体化,即感知和信息交互层面,控制层面和 执行层面,这三个层面有机的结合,就构成了人机一体化制造系统的总体结构.在设计过程中,我们解决

人机一体化的运行机制以及相关安全预防,即可实现最优化的自动化制造系统. 关键词:自动化制造系统,人机一体化,感知,控制,执行,人机一体化运行机制,预防 中图分类号:TH-165 文献识别码:A 1. 引言

自动化制造系统,尤其是柔性自动化 制造系统的出现和大量使用, 导致使用者与 制造系统之间的关系发生了根本的变化. 早 期许多自动化制造系统的设计者片面追求 系统的自动化和无人化, 反而降低了系统运 行的可靠性和经济性, 最终导致系统的运行 失败. 沉痛的训迫使人们重新认识人在自动 化制造系统中的重要地位和使用, 而且提出 发展适度自动化的制造系统——人机一体 化的制造系统的概念. 近年来随着全球制造 业的快速发展和向中国的转移, 我国制造业 迎来难得的发展机遇. 然而如何根据中国国 情,快速发展人机一体化的制造系统,是摆 在我们面前的一个新课题. 社会经济效益.

3.自动化制造系统的人机一体化总体 结构

3.1 感知层面上的人机联合作用 人机一体化制造系统感知层面人的五 官感知系统和机器的信息显示系统共同组 成,一方面由人感知外界对系统的输入信 息,如被加工零件的工艺文件,毛坯信息, 作业计划指令和机床参数等, 另一方面由机 器通过传感器感知制造系统内外部的物理 信息,如机床工作状态,排屑状态,加工精 度,环境温度,照明,在制品暂存等,并由 数据转换系统把这些信息转化为人能感知 的形式,由显示形式传达给人,达到信息交 互的目的, 用于人机间信息交互的载体有文 字,数码,图形,语音,声光信号等. 人机感知的联合作用体现在: 自动化制 造系统中机器系统可精确感知系统输入信 息,环境信息,人及机器本身的定量信息, 并可通过拓宽感知范围感知人类不能感知 的信息(如微波,红外,超声波等) ;而人 类则利用自身创造性思维与模糊综合判断 决策能力的优势, 对机器感知和决策出来的 信息作一次综合感知,正确识别,判断自动 化制造系统所需要的正确输入信息与反馈 信息. (人类感知与机器感知的比较:表 1) 因此,通过人机联合感知多维综合信 息,充分利用计算机视野广阔,定量感知精 确, 人对复杂现象模糊定性感知和创造性思 维,预判能力强的特点,提高自动化制造系 统信息感制的全面性,可靠性和准确性,为 系统智能定量控制提供支持, 从而提高整体 系统的可控性,改善系统的综合性能. 3.2 控制层面上采用人机共同决策

2. 自动化制造系统的人机一体化的概 述

自从有了制造系统,就有了人与制造 系统的关系, 无论制造系统的自动化程度如 何,它终究是一种生产工具,而掌握生产工 具的是人而不是机器.因此,任何制造系统 必定是一个人机一体化的系统.为此,我们 给出了人机一体化制造系统如下定义: \"所 谓人机一体化制造系统, 就是人与具有适度 自动化水平的制造装备和控制系统共同组 成的一个完善系统, 各自执行自己最擅长的 工作,人与机器(制造装备)共同决策,共 同作业, 从而突破传统自动化制造系统将人 排除在外的旧格局, 形成新一代人机有机结 合的适度自动化制造系统. \"在此处,主要 强调人在制造系统中的重要地位, 人机功能 的最优匹配,以实现制造系统经济高效,安 全可靠的运行, 使整个制造系统取得最优的

在制造系统中,人主要从事形象思维, 这是\"机主人辅\"的控制策略就起着减少这 灵感思维等创造性思维活动, 人的中枢神经 种代价的作用. 系统通过对人,机,环境所感知信息的综合 第二种为\"人主机辅\"控制策略.即由 处理,判断和决策,向人的肢体运动系统下 机器的智能决策系统来辅助人进行控制, 机 达执行指令或向机器智能决策系统提供必 器完成人类感知范围以外的信息处理, 大规 要信息;机器的智能决策系统根据机器对 模数据定量处理及严密的快速逻辑推理等 人,机,环境感知的综合信息进行复杂数据 工作.如工艺仿真系统,将辅助人完成被加 的快速计算和严密的逻辑推理, 向人显示运 工零件的工艺方案的可视化,

动态工程显示 算结果,等候人的进一步指令;或在特殊情 和工艺方案的优化. 况下自动做出必要决策, 驱动控制系统或执 第三种为\"人机耦合\"控制策略.在人 行系统去执行必要的操作任务. (人类思维 机联合控制的系统中, 由于这样或那样的原 和机器思维的比较:表 2)自动化制造系统 因,人或机器的单独决策都可能出现失误, 能根据加工任务信息进行制造过程的动态 因此,人机耦合控制,可在人或机器出现失 仿真,并将加工仿真结果显示给人,由人判 误时,系统自动切换到另一种控制方式,两 断该加工方法是否能达到加工要求, 若能达 者有机配合, 从而保证系统的稳定性和可靠 到, 则可按此方法加工直至达到要求为止这 性. 如客运飞机的有人驾驶和无人自动驾驶 一过程就充分体现了人机联合决策控制制 系统的配合就属于这种情况. 造系统工作的执行效果. 3.3 执行层面上人机交互协作,取长补短, 控制层面上的人机联合控制有三种控 充分发挥各自优势 制策略如下: 人在制造系统种主要从事灵巧性, 协调 第一种为\"机主人辅\"控制策略.人在 性,创造性强的操作活动(如发出指令,操 信息综合分析,定性问题处理,模糊控制以 作控制台,编写加工程序,机器系统监测, 及灵巧动作的执行等方面有远远高于机器 维修以及意外时间的应急处理等) ,而机器 的能力.所以,制造系统在处理较复杂的加 系统则主要完成功率大,定位精度高,动作 工活动时,特别是有机器处理非结构化,非 频率高或一些超出人能力范围的操作活动, 线性化,模糊性及随机性强的事件时,往往 如数控机床的操作.但是,人在系统中应该 都要得到人的帮助.另外,在有些情况下, 始终处于主导地位, 应当充分发挥人在系统 让机器完成复杂控制活动需付出巨大代价, 中的主导作用. 表 1 人类感知与机器感知的比较 人类感知 多样性(视,听,嗅„„) 多维性(空间,多义性„„) 自适应性 综合性 感知与思维的一致性 感知与执行的一致性 本能(或特殊)感知的能力 生理的局限性 环境承受的局限性 个体间的差异性 分布方式的自然局限性 心理因素的影响 自然老化 不准确性和模糊性 机器感知 单一参数的灵敏性 对环境的高度承受能力 性能的一致性 分布方式的任意性 准确性 快速性 感知的单一性 多维性的局限性 综合感知实现的复杂性 自适应能力弱 特殊感知无法实现 与思维的不一致性 与执行得不一致性 优点 缺点

表 2 人类思维和机器思维的比较 人类控制 具有创造力,有决策力 有自主力,有主动性 记忆空间中的快速检索功能 多种媒介方式获取信息 处理问题的柔性(应变能力) 抽象思维能力强 丰富的形象思维能力 语言能力强 有责任心,道德观,法制观 自学能力强 体能的局限性 信息存储的局限性 心理因素的存在 对生存环境的高要求 信息交互的单向性 拥有知识的局限性 决策得不严密性 思维存在盲点 记忆存在时效性和不可靠性 个体间的差异性 机器控制 存储能力的无限性 知识获取的多元性 交互的平行能力 多媒体技术所带来的能力 处理问题的严密性 记忆的永久性,不变性 决策的逻辑性 无心理,生理因素的影响 处理问题快速性 有限的自学习功能 被动性 自主力的局限性 无创造性 不能或很难具备语言能力 应变能力差 无形象思维能力 无灵感思维能力 智能实现的高代价 无责任心 无道德观,无法制观

优点 缺点

表 3 人与机器执行能力的比较 人类执行能力 机器执行能力 优点 灵巧性,协调性 自适应性 自我保护能力 执行与思维的一致性 执行与感知的一致性 本能执行能力 易实现多种执行方式的综合 执行的多样性 能力的自然局限性 环境的生理局限性 个体间的差异性 低精度 心理因素的影响 自然老化 执行的不一致性 能力的可扩展性 环境极限的可拓展性 高精度,可靠性 执行点分布的随意性 优秀的动力学特性 优秀的运动学特性 执行的一致性 无心里局限性 执行的单调性 功能合成的复杂性 无自我保护能力 与思维的不一致性 与感

知的不一致性 应变能力差 有机配合,通过人机界面的设计,协调一致 地工作.因此,自动化制造系统的运行机制 是人体一体化的集成模式.以 FMS 为例. 其运行机制特点体现在:切削加工,生产调 度,工件及刀具贮运,换刀,托盘交换,排 缺点

4. 自动化制造系统的人机一体化运行 与维护

4.1 自动化制造系统的人机一体化运行机制 在人机一体化制造系统中, 特别强调人 在系统中的主导作用, 以及人与机器系统的

屑等工作都由加工中心,机械手,托盘贮运 装置,计算机控制系统等完成,人负责对系 统进行监控管理,意外事故处理,维修,工 件及刀具进出站装卸, 预调及安全巡视等工 作.整个 FMS 的运行处在人的监控状态下 进行.因此,在自动化制造系统的运行过程 中, 人的监控能力是设计自动化制造系统时 必须考虑的重要因素.所谓人的监控能力, 是指一个人通过计算机能监控多少台加工 中心和物流设备.一个经典的人机一体化 FMS 运行模式如图 1 所示. 4.2 自动化制造系统中的作业安全要求 人 机器人

自动化制造系统的安全性可采用以下 措施来保障: ①系统管理软件中应有安全防 护的控制部分;②采用电子,电气和机械装 置连锁防护;③在机器人,自动装夹设备, 自动更换工件和道具设备的工作区外, 设置 安全防护围栏,钢丝罩等;④机器人和其它 自动运送设备的控制系统中, 应设计有安全 互锁装置, 防止停机检修时的意外启动和运 转; ⑤在有危险的设备和运动部件上⑥安全 培训, 对作业员工进行安全作业的技术教育 和防护措施培训, 使他们严格按照安全规程 作业. 刀具预调仪 人

系统控制 管理计算机 指令 数字控制数据 监控计算机 人 机床控制器 MC MC MC MHS

工件装卸 人 ATC

MC——加工中心 MHS——自动工件存放和运送系统 ATC——自动刀具存放系统和更换装置 图1 人机一体化 FMS 运行模式

4.3 自动化制造系统中的疲劳及事故预防 4.3.1 监控作业中的疲劳预防 在自动化制造系统中, 随着自动化程度 的不断提高,人的作业变得单调,乏味,监 控任务减少.单调作业和低负荷,使人的监 控警觉性降低,产生信号脱漏,并导致脑力 疲劳产生.处于这种状态的人,在自动化制

造系统的监控活动中, 极易出现操作错误或 失误,甚至引起严重事故.可采取以下措施 来避免:①使操作内容相当复杂化;②定期 变化工作内容或作业岗位; ③良好的作业环 境. 4.3.2 系统中的事故预防 (一)事故的物理条件因素:1.作业者与机

器功能分配不适当;2.工具,作业场所等设 计失误; 3.缺少必要的安全装置与防护装置; 4.物理环境对人造成的生理和心理压力. (二)事故的人为因素:1.一方面是人的主 观行为因素 2.另一方面是人的生理与心里 客观因素. (三)导致事故的人的行为因素:1.训练和 技巧,训练的标准不安全;2.记忆疏忽,全 部忘记或记忆错误导致操作无效. (四)导致事故的人的生理与心理因素:1. 性格;2.生理和生物节律;3.作业疲劳.

更大范围的匹配, 使自动化制造系统的运行 取得最佳的综合效益.

参考文献 [1]张根宝. 自动化制造系统[M]. 北京: 机械工业出 版社,2006 Zhang Genbao.Automation of manufacture systems. [M]. Beijing:Mechanical Industry Press,2006 [2]蔡自兴. 机器人学[M]. 北京:清华大学出版社, 2000 Cai Zixing. Rrobotics[M]. Beijing: Tsinghua University Press ,2000 [3]姚永刚. 机电传动与控制技术[M]. 北京: 中国轻 工业出版社,2005 Yao Yonggang. Electricaldrive and control 5.结论

在新的时代来临之际, 人机一体化这一 模式强调人与机器系统的最佳匹配, 充分发 挥人在制造系统中的控制和管理作用, 并考 虑制造系统与社会, 经济环境和人力资源等 technique[M]. Beijing:China Light Industry Press , 2005

Design of man-machine all-in-one on Automation of manufacture systems

Automation Engineering Institute of the Northeast Dianli University-automation class 3 from 2007-Tan Bo,Jilin 132012

Abstract:In order to make munufacture systems efficiency and economically,we develop automamation of manufacture systems within measure.And detailed study man-machine all-in-one. The system is at three levels on the integration of Interaction sensing and information level, control level and implementation level. Under their combination appropriately, they constitute a man-machine integration of the overall structure of manufacturing systems . In the design process, we address the human-machine integration of the operating mechanism and the relevant safety precautions, you can optimize the implementation of automated manufacturing systems. Key word: Automation of manufacture systems, man-machine all-in-one, Sensing, control, implementation, integration human-computer operating mechanism, prevention 1