自动化导论(第3版普通高等学校自动化类一流本科专业建设系列教材)

第1章绪论 1.1常见的控制现象和自动化技术 1.1.1控制的“身影”和作用 2022年4月16日凌晨0时44分，神舟十三号航天员乘组在空间站组合体（图1.1）工作生活了183天后，乘坐返回舱，与空间站天和核心舱成功分离，历经三个阶段从距离地面300多公里的太空穿越大气，浴火凯旋。在此次飞行任务中，神舟十三号载人飞船实现了多个首次：首次实施径向交会对接；首次执行应急救援发射待命任务；首次实施快速返回流程；刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录等，充分展现了中国航天科技的新高度。 图1.1神舟十三号空间站组合体全景 在本次任务中，为适应空间站组合体不同构型及来访航天器的不同停靠状态，实现与空间站前向、后向、径向交会对接和分离，首次利用舱外机械臂辅助转位对接技术于径向交会对接任务中，实现了与天和核心舱径向对接口的对接（图1.2）。机械臂辅助转位对接时，利用多轴机械臂将对接在正前方的重量几十吨无动力航天器抓取后，根据传感器观测数据，机械臂对其姿态角度的调整，并精准控制对接在需要对接的指定舱口上。这个关键任务的完成，对机械臂的承载力量、承载自由度和抓取控制精度等提出多种苛刻的要求，利用七自由度的活动能力，通过旋转结构，能在周围任何角度和部位抓取物体，精准地将指定物体运送至空间站外部的任何位置，该技术还可以为航天员出舱时的空间转移和舱外设备的安装提供辅助作用。 图1.2神舟十三号进行径向交会对接 2021年11月8日，经过约6.5小时的出舱活动（图1.3），航天员乘组密切协作、天地间大力协同、舱内外密切配合，先后完成了机械臂悬挂装置与转接件安装、舱外典型动作测试等任务，全过程顺利圆满，进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能和性能，检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。 图1.3神舟十三号航天员圆满完成首次出舱活动全部既定任务 返回地面首次采用了快速返回方案，是为了减少航天员在飞船内的停留时间，主要是通过减少绕地飞行的圈数实现。在减少绕地飞行进入返回模式过程中，北斗卫星导航系统担任了重要角色，帮助飞船快速精准确定自身位置。飞船上的计算机根据北斗卫星导航系统提供的位置和自身传感器姿态数据来实时预测自己的落点，如果发生偏差，就会进行纠正，进而制定*合适的加速度和变轨方案，实现在指定位置完成精准制动控制，之后将飞船变轨到一个能够返回地球的轨道。进入大气层后，通过一系列姿态调整，巧妙利用空气动力产生的升力（图1.4），进行航向和横向运动的控制。同时，通过发射伽马光子，测量反射回来的这些光子的数量，就能精准算出当前的高度，在落地前大约一米的高度，启动反推火箭，控制下降速度为（1～2）m/s，以保证航天员安全着陆。 从功能、结构、设计以及实现的角度来看，以神舟十三号载人飞船等为代表的我国“飞天工程”是一个极为复杂的大系统，而它又由发射场系统、运载火箭系统、航天员系统、载人飞船系统、交会对接系统、飞船应用系统、测控通信系统和着陆场系统等子系统组成。这些子系统还有各自相应的子系统组成，它们有机地组合在一起就形成了展现在世人面前的具有特定功能的“飞天系统”。 2019年12月30日8时30分，由北京北站开往张家口方向的智能动车组G8811次列车驶出北京北站，标志着世界**条时速350公里智能化高速铁路——京张高速铁路正式开通运营（图1.5），张家口至北京*快运行时间由3小时7分钟压缩至56分钟。这条穿越万里长城、横跨官厅水库的智能铁路开启了中国智能高铁服务的新篇章，为助力京津冀一体化协同发展、北京冬奥会交通运营服务提供了充分保障。 京张高铁采用的动车组是“复兴号”的智能型升级版，以现有“复兴号”CR400BF型动车组为基础，在智能化、安全舒适、绿色环保、综合节能等方面实现升级。智能动车组的运行调度指挥系统首次采用了中国自主研发的北斗卫星导航系统，实现了有人值守、无人驾驶。列车司机只需轻轻按下一个按钮，就能实现到点自动发车、区间自动运行、到站自动停车、开门和站台联动。同时，列车全车装有数千个传感器，能实时监测列车运行的所有状态，面对复杂的户外环境，列车的调度指挥系统能够根据不同的天气、地形自动地做出调节、做到精确控制，实现高速且平稳的自动驾驶，如遇故障也能自行诊断，以安全为导向作决策。 作为中国首条智能高速铁路，京张高速铁路每一条钢轨的质量监造、供应和设计打磨运用了大数据并建立了“健康档案”。基于北斗卫星和地理信息系统技术，京张高铁部署起一张“定位”大网和线路实时“体检”系统，可以将全线每一处钢轨、每一座桥梁和每一个车站通过传感与监测网络连接至电脑中心。铁路沿线零件是否老化，照明是否损坏，路基是否沉降，都能一目了然。此外，高速铁路周界入侵报警系统、地震预警系统、自然灾害监测系统等也是动车组智能调度指挥系统的组成部分，其目的是全方位智能化地保障乘客的出行安全。 以上所描绘的实例中，无论是智能京张高铁动车组的自动驾驶，还是神舟十三号径向交会对接、出舱活动中机械臂协同协作和飞船返回，都集中突出了一个概念：控制。其实，除了这些非常复杂的应用之外，控制过程在日常生活中也是比比皆是，控制概念绝非仅仅只限于高科技方面，事实上，人们时时刻刻都在进行着有意识或者无意识的控制。 例如，在日常生活中，伸手去取一件物品的过程就是一个典型的控制过程（图1.6）。 感知控制对象 大脑通过神经系统传递控制信息操控手移向目标物品，眼睛将手和物品的距离等信息传递给大脑并由大脑将此信息进行处理后决定前进方向和速率，再将此结果用于操作手（臂）的动作。整个过程虽简单迅速，但不失为一个完整的控制过程。该过程可借助图1.7来描述。 与此类似，自然界中的捕杀行为也是一个控制过程。例如老鹰捕杀兔子的过程。老鹰通过眼睛等器官获取猎物的位置信息，将其传送到大脑，经加工处理后，操作翅膀以及爪子进行捕杀活动。兔子位置的变化会迅速反馈到老鹰的大脑，用来修正所要采取的行动。 工业生产中更常见到控制的“身影”，尤其是在信息化的现代社会，是否掌握先进的控制技术可以说是关乎企业成败甚至国家发展的一个关键因素。经过了长期的探索与技术研发之后，面向人造系统的自动控制技术在工业生产中的应用已经越来越普遍，自动化生产线也屡见不鲜，原来需要人来完成的许多工作或操作，如今借助机器就能够又快又好地完成。在解放人的双手的同时极大促进了生产力的提高，而且还可以使原来很多可能使人遭受危险的工作变得更加安全。 导弹跟踪和打击（图1.8）是控制在军事领域的具体体现。可以将这个过程看作是老鹰捕杀兔子的另一个版本。在导弹防御系统中，雷达是导弹跟踪系统的“眼睛”，负责侦察“猎物”——敌机或来袭导弹的位置信息，并通过网络传递给系统的“大脑”——计算机。计算机根据一定的算法将雷达所获取的信息进行解读和处理，然后将控制指令传递给防御导弹上的驱动装置并操作导弹的飞行路线，*终对目标进行打击。 2020年5月14日，“逐步形成以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局”在中共中央政治局常委会会议上首次被提出，这将有助于减少经济发展面临的各种外部风险，推动国内生产总值（gross domestic product，GDP）正向增长。GDP是衡量国家经济状况的重要指标，经济学上通常会把投资、消费和出口比喻为拉动GDP增长的“三驾马车”。站在这个角度上，大致可以将消费和投资归为内循环范畴，将出口外贸归为外循环范畴，前者侧重于内需，后者侧重于外需。随着国内外形势的变化，国外市场变化莫测，影响因素众多。长远来看，为了拉动GDP增长，则需要刺激投资和消费，即扩大内需，同时加强国际合作，以内循环带动外循环，促进GDP快速增长。这属于国家层面上基于国内外形势做出的经济上的战略部署，也可以看作是一种控制行为，只是调控的是经济系统。在经济调控系统中，在中央统一协调下，通过银行、税务、物价等部门及地方相应机构，调控引导市场活动，同时将反映经济发展状况的统计数据反馈给决策部门，进而调节整体经济系统按照预期运行。 1.1.2共同生活在自动化时代 整个人类社会的发展历史，也可以说是人类利用各种控制手段获取能量进而改造外界环境的历史。国内学者项国波教授二十多年前就提出，人类社会可划分为三个时代：人力时代、机械时代，以及自动化时代。这里时代划分的依据是人类开发、利用能量变换和信息变换的不同方式。由此可以进一步认为，我们现在不仅已生活在自动化时代，而且已在部分领域进入了智能自动化阶段。 人力时代又叫人工时代、手工时代。在蒸汽机、发电机等动力机械发明之前的漫长岁月中，人类只能利用自身的体力获取所需的能量，依靠自身的肌体和大脑来完成能量变换和信息变换，所以那个时代称为人力时代。后来，人类逐步懂得了钻木取火，炼铜炼铁，改善生产工具，开始有了人类文明。但是由于人类自身客观生理条件的限制，能量转换的功率和范围都极其有限，纵有九牛二虎之力，也不可能实现昼夜不停地工作。历时数万年的人工时代直到1788年才宣告结束，这一年英国人瓦特改进的蒸汽机在工业中得到应用，自此人类社会开始了机械化时代。 当蒸汽机、发电机出现之后，对几十吨、上百吨重的货物，人只要按一个电钮的“力气”，就可以把它移动到你所要达到的地方，而且这些机器可以不间断地保持着“精力充沛”的状态工作着；现代化的电网，可以瞬间输送几十万、几百万千瓦的电能到数千公里之外。这在机械化时代之前都是无法想象的事情，人类的“力气”不知被放大多少亿倍，人类的力臂不知不觉被延长到几千公里之外！ 自动化时代的到来得益于电磁波的发现和电子管、半导体、集成电路、无线电以及电子计算机等的先后问世，这些技术几乎同步解决了信息变换的速度问题。伴随着这些技术的先后问世，控制这门科学也开始正式被确立起来，并且取得了长足的发展，客观上也为自动化时代的到来做好了理论准备。 在自动化时代中，不仅能量变换，而且信息变换都可由机器来完成。凡是需要能量变换的地方，都会有相应的信息变换机与之相匹配，即在人类活动所见的空间，只要需要用“力”的地方，一般都会给它配上一个小的“脑袋”——单片机或微处理器之类的小芯片。于是，不仅工业生产自动化了，甚至农业生产、家务劳动、交通运输、人居环境 凡是在已知规律的领域，都可以利用自动化技术来完成一些特定任务。 生活中，自动化技术每时每刻也都在发挥着巨大的作用。事实上，自动化并不是什么高深莫测的概念，而是我们可随处感受到的真实技术。小到抽水马桶，大到航天飞行器、现代化的大型制造企业都是自动化技术应用的具体体现。 说到抽水马桶，或许读者不禁要问，这么简单的东西与自动化有什么关系呢？使用完抽水马桶以后，按下后面的按钮，水箱内的水就会将马桶冲洗干净，水箱内的水位会自动恢复到原来的水位并停止进水。稍稍分析一下抽水马桶的工作原理就会发现，这个简单的生活用品体现了自动化技术中一个非常重要的原理，那就是负反馈控制。在下一节中会具体介绍负反馈。 除此之外，现在已经进入寻常百姓家的洗衣机也是个非常典型的自动化产品，并且也更能体现自动化技术在将人从繁重的体力劳动中解放出来所发挥的巨大作用。有人甚至认为，以洗衣机为代表的诸多自动化生活用品如吸尘器、微波炉、电饭煲等，不仅起到了解放人的双手的作用，而且也深刻改变了这个社会的结构。很多原来需要由家庭主妇完成的工作，如今只需要借助这些日用电器就可以轻而易举地实现，从而使得她们从中解放出来步入社会参与社会变革。这又是自动化技术发展对时代发展推动作用的一个体现。 空调是现代生活中常见的家用电器，很难想象在今天的百姓生活中少了空调会是怎样一种情景。这个用来调节小气候的装置，也是自动化技术发展的产物。当设定好温度之后，空调中的温度传感器会定时测量周围环境的温度并且与设定的温度做比