浅谈对自动化专业的认识论文

浅谈对自动化专业的认识论文

小时候喜欢看杂书，没什么东西看，不正在文化大革命嘛？不过看进去了两个“化”：机械化和自动化。打小就没有弄明白，这机械化和自动化到底有什么差别，机器不是自己就会动的吗？长大了，总算稍微明白了一点，这机械化是力气活，用机器代替人的体力劳动，但还是要人管着的，不然机器是不知道该干什么不该干什么的；这自动化嘛，就是代替人的重复脑力劳动，是用来管机器的。也就是说，自动化是管着机械化的，或者说学自动化的是管着学机械的……啊，不对，不对，哪是哪啊！
有人考证古代就有自动化的实例，但现代意义上的自动控制开始于瓦特的蒸汽机。据说纽考门比瓦特先发明蒸汽机，但是蒸汽机的转速控制问题没有解决，弄不好转速飞升，机器损坏不说，还可能说大事故。瓦特在蒸汽机的转轴上安了一个小棍，棍的一端和放汽阀连着，放气阀松开来就关闭，转速增加；按下去阀就打开，转速降低；棍的另一端是一个小重锤，棍中间某个地方通过支点和转轴连接。转轴转起来的时候，小棍由于离心力的缘故挥起来。转速太高了，小棍挥会挥得很高，放汽阀就被按下去打开，转速下降；转速太低了，小棍挥不起来，放汽阀就被松开来关闭，转速回升。这样，蒸汽机可以自动保持稳定的转速，即保证安全，又方便使用。也就是因为这个小小的转速调节器，瓦特的名字和工业革命连在一起，而纽考门的名字就要到历史书里去找了。
类似的例子在机械系统里很多，家居必备的抽水马桶是另一个例子。放水冲刷后，水箱里水位降低，浮子随水面下降，进水阀打开。随着水位的升高，进水阀逐渐关闭，直到水位达到规定高度，进水阀完全关闭，水箱的水正好准备下一次使用。这是一个非常简单但非常巧妙的水位控制系统，是一个经典的设计，但不容易用经典的控制理论来分析，不过这是题外话了.
这些机械系统设计巧妙，工作可靠，实在是巧夺天工。但是在实用中，如果每次都需要这样的创造性思维，那太累，最好有一个系统的方法，可以解决“所有”的自动控制问题，这就是控制理论的由来。
从小大人就教我们，走路要看路。为什么呢？要是不看着路，走路走歪了也不知道，结果就是东撞西撞的。要是看着路呢？走歪了，马上就看到，赶紧调整脚步，走回到正道上来。这里有自动控制里的第一个重要概念：反馈（feedback）。
反馈是一个过程：
1、设定目标，对小朋友走路的例子来说，就是前进的路线。
2、测量状态，小朋友的眼睛看着路，就是在测量自己的前进方向。
3、将测量到的状态和设定的目标比较，把眼睛看到的前进方向和心里想的前进方向作比较，判断前进方向是否正确；如果不正确，相差有多少。
4、调整行动，在心里根据实际前进方向和设定目标的偏差，决定调整的量。
5、实际执行，也就是实际挪动脚步，重回正确的前进方向。
在整个走路的过程中，这个反馈过程周而复始，不断进行，这样，小朋友就不会走得东倒西歪了。但是，这里有一个问题：如果所有的事情都是在瞬时里同时发生的，那这个反馈过程就无法工作。要使反馈工作，一定要有一定的反应时间。还好，世上之事，都有一个过程，这就为反馈赢得了所需要的时间
反馈过程也叫闭环（closed loop）过程。既然有闭环，那就有开环（open loop）。开环就是没有反馈的控制过程，设定一个控制作用，然后就执行，不根据实际测量值进行校正。开环控制只有对简单的过程有效，比如洗衣机和烘干机按定时控制，到底衣服洗得怎么样，烘得干不干，完全取决于开始时的设定。对于洗衣机、烘干机这样的问题，多设一点时间就是了，稍微浪费一点，但可以保证效果。对于空调机，就不能不顾房间温度，简单地设一个开10分钟、关5分钟的循环，而应该根据实际温度作闭环控制，否则房间里的温度天知道到底会达到多少。记得80年代时，报告文学很流行。徐迟写了一个《哥德巴赫猜想》，于是全国人民都争当科学家。小说家也争着写科学家，成就太小不行，所以来一个语不惊人死不休，某大家写了一个《无反馈快速跟踪》。那时正在大学啃砖头，对这个科学新发现大感兴趣，从头看到尾，也没有看明白到底是怎么无反馈快速跟踪的。现在想想，小说就是小说，不过这无良作家也太扯，无反馈还要跟踪，不看着目标，不看着自己跑哪了，这跟的什么踪啊，这和永动机差不多了，怎么不挑一个好一点的题目，冷聚变什么的，至少在理论上还是可能的。题外话了。
在数学上，动态过程用微分方程描述，反馈过程就是在描述动态过程的微分方程的输入项和输出项之间建立一个关联，这样改变了微分方程本来的性质。自动控制就是在这个反馈和动态过程里做文章的。
房间内的空调是一个简单的控制问题。不过这只是指单一房间，整个高层大楼所有房间的中央空调问题实际上是一个相当复杂的问题，不在这里讨论的范围。夏天了，室内温度设在28度，实际温度高于28度了，空调机启动致冷，把房间的温度降下来；实际温度低于28度了，空调机关闭，让房间温度受环境气温自然升上去。通过这样简单的开关控制，室内温度应该就控制在28度。不过这里有一个问题，如果温度高于28度一点点，空调机就启动；低于28度一点点，空调机就关闭；那如果温度传感器和空调机的开关足够灵敏的话，空调机的开关频率可以无穷高，空调机不断地开开关关，要发神经病了，这对机器不好，在实际上也没有必要。解决的办法是设立一个“死区” （dead band），温度高于29度时开机，低于27度时关机。注意不要搞反了，否则控制单元要发神经了。
有了一个死区后，室内温度不再可能严格控制在28度，而是在27到29度之间“晃荡”。如果环境温度一定，空调机的制冷量一定，室内的升温/降温动态模型已知，可以计算温度“晃荡”的周期。不过既然是讲故事，我们就不去费那个事了。
这种开关控制看起来“土”，其实好处不少。对于大部分过程来说，开关控制的精度不高但可以保证稳定，或者说系统输出是“有界”的，也就是说实际测量值一定会被限制在一定的范围，而不可能无限制地发散出去。这种稳定性和一般控制理论里强调的所谓渐进稳定性不同，而是所谓BIBO稳定性，前者要求输出最终趋向设定值，后者只要求在有界的输入作用下输出是有界的，BIBO指bounded input bounded output。
对于简单的精 度要求不高的过程，这种开关控制（或者称继电器控制，relay control，因为最早这种控制方式是用继电器或电磁开关来实现的）就足够了。但是很多时候，这种“毛估估”的控制满足不了要求。汽车在高速公路上行驶，速度设在定速巡航控制，速度飘下去几公里，心里觉得吃亏了，但要是飘上去几公里，被警察抓下来吃一个罚单，这算谁的？
开关控制是不连续控制，控制作用一加就是“全剂量”的，一减也是“全剂量”的，没有中间的过渡。如果空调机的制冷量有三个设定，：小、中、大，根据室温和设定的差别来决定到底是用小还是中还是大，那室温的控制精度就可以大大提高，换句话说，温度的“晃荡”幅度将大幅度减小。那么，如果空调机有更多的设定，从小小到小中到……到大大，那控制精度是不是更高呢？是的。既然如此，何不用无级可调的空调机呢？那岂不可以更精确地控制室温了吗？是的。
无级可调或连续可调的空调机可以精确控制温度，但开关控制不能再用了。家用空调机中，连续可调的不占多数，但冲热水淋浴是一个典型的连续控制问题，因为水龙头可以连续调节水的流量。冲淋浴时，假定冷水龙头不变，只调节热水。那温度高了，热水关小一点；温度低了，热水开打一点。换句话说，控制作用应该向减少控制偏差的方向变化，也就是所谓负负反馈。控制方向对了，还有一个控制量的问题。温度高了1度，热水该关小多少呢？
经验告诉我们，根据具体的龙头和水压，温度高1度，热水需要关小一定的量，比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系，这就是经典的比例控制规律：控制量=比例控制增益* 控制偏差，偏差越大，控制量越大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规律下，偏差反向，控制量也反向。也就是说，如果淋浴水温要求为40度，实际水温高于40度时，热水龙头向关闭的方向变化；实际水温低于40度时，热水龙头向开启的方向变化。
但是比例控制规律并不能 保证水温能够精确达到 40度。在实际生活中，人们这时对热水龙头作微调，只要水温还不合适，就一点一点地调节，直到水温合适为止。这种只要控制偏差不消失就渐进微调的控制规律，在控制里叫积分控制规律，因为控制量和控制偏差在时间上的累积成正比，其比例因子就称为积分控制增益。工业上常用积分控制增益的倒数，称其为积分时间常数，其物理意义是偏差恒定时，控制量加倍所需的时间。这里要注意的是，控制偏差有正有负，全看实际测量值是大于还是小于设定值，所以只要控制系统是稳定的，也就是实际测量值最终会稳定在设定值上，控制偏差的累积不会是无穷大的。这里再啰嗦一遍，积分控制的基本作用是消除控制偏差的余差（也叫残差）。
比例和积分控制规律可以应付很大一类控制问题，但不是没有改进余地的。如果水管水温快速变化，人们会根据水温的变化调节热水龙头：水温升高，热水龙头向关闭方向变化，升温越快，开启越多；水温降低，热水龙头向开启方向变化，降温越快，关闭越多。这就是所谓的微分控制规律，因为控制量和实际测量值的变化率成正比，其比例因子就称为比例控制增益，工业上也称微分时间常数。微分时间常数没有太特定的物理意义，只是积分叫时间常数，微分也跟着叫了。微分控制的重点不在实际测量值的具体数值，而在其变化方向和变化速度。微分控制在理论上和实用中有很多优越性，但局限也是明显的。如果测量信号不是很“干净”，时不时有那么一点不大不小的“毛刺”或扰动，微分控制就会被这些风吹草动搞得方寸大乱，产生很多不必要甚至错误的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的。
比例-积分-微分控制规律是工业上最常用的控制规律。人们一般根据比例-积分-微分的英文缩写，将其简称为PID控制。即使在更为先进的控制规律广泛应用的今天，各种形式的PID控制仍然在所有控制回路中占85%以上。
在PID 控制中，积分控制的特点是：只要还有余差（即残余的控制偏差）存在，积分控制就按部就班地逐渐增加控制作用，直到余差消失。所以积分的效果比较缓慢，除特殊情况外，作为基本控制作用，缓不救急。微分控制的特点是：尽管实际测量值还比设定值低，但其快速上扬的冲势需要及早加以抑制，否则，等到实际值超过设定值再作反应就晚了，这就是微分控制施展身手的地方了。作为基本控制使用，微分控制只看趋势，不看具体数值所在，所以最理想的情况也就是把实际值稳定下来，但稳定在什么地方就要看你的运气了，所以微分控制也不能作为基本控制作用。比例控制没有这些问题，比例控制的反应快，稳定性好，是最基本的控制作用，是 “皮”，积分、微分控制是对比例控制起增强作用的，极少单独使用，所以是“毛”。在实际使用中比例和积分一般一起使用，比例承担主要的控制作用，积分帮助消除余差。微分只有在被控对象反应迟缓，需要在开始有所反应时，及早补偿，才予以采用。只用比例和微分的情况很少见。
连续控制的精度是开关控制所不可比拟的，但连续控制的高精度也是有代价的，这就是稳定性问题。控制增益决定了控制作用对偏差的灵敏度。既然增益决定了控制的灵敏度，那么越灵敏岂不越好？非也。还是用汽车的定速巡航控制做例子。速度低一点，油门加一点，速度低更多，油门加更多，速度高上去当然就反过来。但是如果速度低一点，油门就加很多，速度更低，油门狂加，这样速度不但不能稳定在要求的设定值上，还可能失控。这就是不稳定。所以控制增益的设定是有讲究的。在生活中也有类似的例子。国民经济过热，需要经济调整，但调整过火，就要造成“硬着陆”，引起衰退；衰退时需要刺激，同样，刺激过火，会造成“虚假繁荣”。要达成“软着陆”，经济调整的措施需要恰到好处。这也是一个经济动态系统的稳定性问题。
实际中到底多少增益才是最合适的，理论上有很多计算方法，但实用中一般是靠经验和调试来摸索最佳增益，业内行话叫参数整定。如果系统响应在控制作用后面拖拖沓沓，大幅度振荡的话，那一般是积分太过；如果系统响应非常神经质，动不动就打摆子，呈现高频小幅度振荡的话，那一般是微分有点过分。中频振荡当然就是比例的问题了。不过各个系统的频率都是不一样的，到底什么算高频，什么算低频，这个几句话说不清楚，应了毛主席那句话：“具体情况具体分析”，所以就打一个哈哈了。
再具体说起来，参数整定有两个路子。一是首先调试比例增益以保证基本的稳定性，然后加必要的积分以消除余差，只有在最必要的情况下，比如反映迟缓的温度过程或容量极大的液位过程，测量噪声很低，才加一点微分。这是“学院派”的路子，在大部分情况下很有效。但是工业界有一个“歪路子”：用非常小的比例作用，但大大强化积分作用。这个方法是完全违背控制理论的分析的，但在实际中却是行之有效，原因在于测量噪声严重，或系统反应过敏时，积分为主的控制规律动作比较缓和，不易激励出不稳定的因素，尤其是不确定性比较高的高频部分，这也是邓小平“稳定压倒一切”的初衷吧。
在很多情况下，在初始PID参数整定之后，只要系统没有出现不稳定或性能显著退化，一般不会去重新整定。但是要是系统不稳定了怎么办呢？由于大部分实际系统都是开环稳定的，也就是说，只要控制作用恒定不变，系统响应最终应该稳定在一个数值，尽管可能不是设定值，所以对付不稳定的第一个动作都是把比例增益减小，根据实际情况，减小1/3、1/2甚至更多，同时加大积分时间常数，常常成倍地加，再就是减小甚至取消微分控制作用。如果有前馈控制，适当减小前馈增益也是有用的。在实际中，系统性能不会莫名其妙地突然变坏，上述“救火”式重新整定常常是临时性的，等生产过程中的机械或原料问题消除后，参数还是要设回原来的数值，否则系统性能会太过“懒散”。
对于新工厂，系统还没有投运，没法根据实际响应来整定，一般先估计一个初始参数，在系统投运的过程中，对控制回路逐个整定。我自己的经验是，对于一般的流量回路，比例定在 0.5左右，积分大约1分钟，微分为0，这个组合一般不致于一上来就出大问题。温度回路可以从2、5、0.05开始，液位回路从5、10、0开始，气相压力回路从10、20、0开始。既然这些都是凭经验的估计，那当然要具体情况具体分析，不可能“放之四海而皆准”。
微分一般用于反应迟缓的系统，但是事情总有一些例外。我就遇到过一个小小的冷凝液罐，直径才两英尺，长不过5英尺，但是流量倒要8-12吨/小时，一有风吹草动，液位变化非常迅速，不管比例、积分怎么调，液位很难稳定下来，常常是控制阀刚开始反应，液位已经到顶或到底了。最后加了0.05的微分，液位一开始变化，控制阀就开始抑制，反而稳定下来了。这和常规的参数整定的路子背道而驰，但在这个情况下，反而是“唯一”的选择，因为测量值和控制阀的饱和变成稳定性主要的问题了。
对工业界以积分为主导控制作用的做法再啰嗦几句。学术上，控制的稳定性基本就是渐近稳定性，BIBO稳定性是没有办法证明渐近稳定性时的“退而求其次”的东西，不怎么上台面的。但是工业界里的稳定性有两个看起来相似、实质上不尽相同的方面：一个当然是渐近稳定性，另一个则是稳定性，但不一定向设定值收敛，或者说稳定性比收敛性优先这样一个情况。具体来说，就是需要系统稳定在一个值上，不要动来动去，但是不是在设定值并不是太重要，只要不是太离谱就行。例子有很多，比如反应器的压力是一个重要参数，反应器不稳定，原料进料比例就乱套，催化剂进料也不稳定，反应就不稳定，但是反应器的压力到底是10个大气压还是 12个大气压，并没有太大的关系，只要慢慢地但是稳定地向设定值移动就足够了。这是控制理论里比较少涉及的一个情况，这也是工业上时常采用积分主导的控制的一个重要原因。
前面说到系统的频率，本来也就是系统响应持续振荡时的频率，但是控制领域里有三拨人在捣腾：一拨是以机电类动力学系统为特色的电工出身，包括航空、机器人等，一拨是以连续过程为特色的化工出身的，包冶金、造纸等，还有一拨是以微分方程稳定性为特色的应用数学出身的。在瓦特和抽水马桶的年代里，各打各的山头，井水不犯河水，倒也太平。但控制从艺术上升为理论后，总有人喜欢“统一”，电工帮抢了先，好端端的控制理论里被塞进了电工里的频率。童子们哪，那哪是频率啊，那是……复频率。既然那些变态的电工帮（啊耶，这下鹿踹真的要来了）能折腾出虚功率，那他们也能折腾出复频率来，他们自虐倒也算了，只是苦了我等无辜之众，被迫受此精神折磨。
事情的缘由是系统的稳定性。前面提到，PID的参数如果设得不好，系统可能不稳定。除了摸索，有没有办法从理论上计算出合适的PID参数呢？前面也提到，动态过程可以用微分方程描述，其实在PID的阶段，这只是微分方程中很狭窄的一支：单变量线性常微分方程。要是还记得大一高数，一定还记得线形常微的解，除了分离变量法什么的，如果自变量时间用t表示的话，最常用的求解还是把 exp(λt)代入微分方程，然后解已经变成λ的代数方程的特征方程，解出来的解可以是实数，也可以是复数，是复数的话，就要用三角函数展开了（怎么样，大一噩梦的感觉找回来一点没有？）。只要实根为负，那微分方程就是稳定的，因为负的指数项最终向零收敛，复根到底多少就无所谓了，对稳定性没有影响。但是，这么求解分析起来还是不容易，还是超不出“具体情况具体分析”，难以得出一般的结论。
根轨迹还是比较客气的，还有更变态的奈奎斯特、伯德和尼科尔斯法，想想脑子都大。都是叫那帮电工分子害的。时至今日，计算机分析已经很普及了，但是古典的图示分析还是有经久不衰的魅力，就是因为图示分析不光告诉你系统是稳定还是不稳定，以及其他一些动态响应的参数，图示分析还可以定性地告诉你增益变化甚至系统参数变化引起的闭环性能变化。咦，刚才还不是在说人家变态吗？呃，变态也有变态的魅力不是？哈哈。

以频率分析（也称频域分析）为特色的控制理论称为经典控制理论。经典控制理论可以把系统的稳定性分析得天花乱坠，但有两个前提：一、要已知被控对象的数学模型，这在实际中不容易得到；二、被控对象的数学模型不会改变或漂移，这在实际中更难做到。对简单过程建立微分方程是可能的，但简单过程的控制不麻烦，经验法参数整定就搞定了，不需要费那个麻烦，而真正需要理论计算帮忙的回路，建立模型太困难，或者模型本身的不确定性很高，使得理论分析失去意义。经典控制理论在机械、航空、电机中还是有成功的应用，毕竟从F=ma出发，可以建立“所有”的机械系统的动力学模型，铁疙瘩的重量又不会莫名其妙地改变，主要环境参数都可以测量，但是经典控制理论至少在化工控制中实用成功的例子实在是凤毛麟角，给你一个50块塔板的精馏塔，一个气相进料，一个液相进料，塔顶、塔底出料加一个侧线出料，塔顶风冷冷凝器，塔底再沸器加一个中间再沸器，你就慢慢建模去吧，等九牛二虎把模型建立起来了，风冷冷凝器受风霜雨雪的影响，再沸器的高压蒸汽的压力受友邻装置的影响，气相进料的温度和饱和度受上游装置的影响而改变，液相进料的混合组分受上游装置的影响而改变，但组分无法及时测量（在线气相色谱分析结果要45 分钟才能出来），动态特性全变了。

老家伙歌德两百年前就说了，理论是灰色的，生命之树常青。我们知道马鹿喜欢金光的或者银光的，至少也要红的，不过只好将就啦，青绿地干活。在实用中，PID有很多表兄弟，帮着大表哥一块打天下。
比例控制的特点是：偏差大，控制作用就大。但在实际中有时还嫌不够，最好偏差大的时候，比例增益也大，进一步加强对大偏差的矫正作用，及早把系统拉回到设定值附近；偏差小的时候，当然就不用那么急吼吼，慢慢来就行，所以增益小一点，加强稳定性。这就是双增益PID（也叫双模式PID）的起源。想想也对，高射炮瞄准敌机是一个控制问题。如果炮管还指向离目标很远的角度，那应该先尽快地把炮管转到目标角度附近，动作猛一点才好；但炮管指向已经目标很近了，就要再慢慢地精细瞄准。工业上也有很多类似的问题。双增益PID的一个特例是死区PID（PID with dead band），小偏差时的增益为零，也就是说，测量值和设定值相差不大的时候，就随他去，不用控制。这在大型缓冲容器的液位控制里用得很多。本来缓冲容器就是缓冲流量变化的，液位到底控制在什么地方并不紧要，只要不是太高或太低就行。但是，从缓冲容器流向下游装置的流量要尽可能稳定，否则下游装置会受到不必要的扰动。死区PID对这样的控制问题是最合适的。但是天下没有免费的午餐。死区PID的前提是液位在一般情况下会“自动”稳定在死区内，如果死区设置不当，或系统经常受到大幅度的扰动，死区内的“无控”状态会导致液位不受限制地向死区边界“挺进”，最后进入“受控”区时，控制作用过火，液位向相反方向不受限制地“挺进”，最后的结果是液位永远在死区的两端振荡，而永远不会稳定下来，业内叫hunting（打猎？打什么？打鹿？）。双增益PID也有同样的问题，只是比死区PID好一些，毕竟只有“强控制”和“弱控制”的差别，而没有“无控区”。在实用中，双增益的内外增益差别小于2：1没有多大意义，大于 5：1就要注意上述的持续振荡或hunting的问题。
双增益或死区PID的问题在于增益的变化是不连续的，控制作用在死区边界上有一个突然的变化，容易诱发系统的不利响应，平方误差PID就没有这个问题。误差一经平方，控制量对误差的曲线就成了抛物线，同样达到“小偏差小增益、大偏差大增益”的效果，还没有和突然的不连续的增益变化。但是误差平方有两个问题：一是误差接近于零的时候，增益也接近于零，回到上面死区PID的问题；二是很难控制抛物线的具体形状，或者说，很难制定增益在什么地方拐弯。对于第一个问题，可以在误差平方PID上加一个基本的线性PID，是零误差是增益不为零；对于后一个问题，就要用另外的模块计算一个连续变化的增益了。具体细节比较琐碎，将偏差送入一个分段线性化（也就是折线啦）的计算单元，然后将计算结果作为比例增益输出到PID控制器，折线的水平段就对应予不同的增益，而连接不同的水平段的斜线就对应于增益的连续变化。通过设置水平段和斜线段的折点，可以任意调整变增益的曲线。要是“野心”大一点，再加几个计算单元，可以做出不对称的增益，也就是升温时增益低一点，降温时增益高一点，以处理加热过程中常见的升温快、降温慢的问题。
双增益或误差平方都是在比例增益上作文章，同样的勾当也可以用在积分和微分上。更极端的一种PID规律叫积分分离 PID，其思路是这样的：比例控制的稳定性好，响应快，所以偏差大的时候，把PID中的积分关闭掉；偏差小的时候，精细调整、消除余差是主要问题，所以减弱甚至关闭比例作用，而积分作用切入控制。概念是好的，但具体实施的时候，有很多无扰动切换的问题。
这些变态的PID在理论上很难分析系统的稳定性，但在实用中解决了很多困难的问题。大言不惭一句，这些PID本人在实际中都用过。

复杂结构PID

打仗时，如果敌人太顽固，要么换更大的炮，把敌人轰倒；要么采用更巧妙的战术，把敌人晕倒。控制也是一样，单回路PID难以解决的问题，常常可以通过更巧妙的回路结构来解决。

单一的PID回路当然可以实现扰动抑制，但要是主要扰动在回路中，而且是明确的，加一个内回路作帮手是一个很不错的主意。还记得洗热水澡的例子吗？要是热水压力不稳定，老是要为这个而调整热水龙头，那很麻烦。要是有一个人专门负责根据热水压力调节热水流量，把热水压力稳定下来，而且稳定在标定值，那洗澡的时候，水温就容易控制多了，只要告诉那个人现在需要多少热水流量，而不必烦心热水压力对热水流量的影响。这个负责热水流量的控制回路就是内回路，也叫副回路，而洗澡的温度就是外回路，也叫主回路，当然是主回路指挥副回路，就像自动化指挥机械化、学自控的人指挥学机电的人……打住打住，再扯远了要挨鹿踹了，或者马踹、牛踹、驴踹……。这种主回路套副回路的结构叫串级控制（cascade control），曾经是单回路PID后工业上第一种“先进过程控制”，现在串级已经用得很多了，也不再有人叫它“先进过程控制”了。串级控制最主要的功用是抑制回路内的扰动，增强总体控制性能。不过串级也不能乱用。如果主回路和副回路的相应速度差不多，或者主回路的相应速度甚至慢于副回路（通过变态的调试是可以做到的），这样的串级要出问题。理论上可以用共振频率什么的分析，但是不用费那个事，用膝盖想想就知道，一个急性子的头儿把一个温吞水的下属指挥得团团转，结果只能是大家都精疲力竭，事情还办砸了。相反，一个镇定自若的头儿指挥一个手脚麻利的下属，那事情肯定办得好。

电气自动化专业毕业论文范文

电气自动化应用逐渐深入人们日常的工作与生活之中,使人们的生活方式发生了巨大的变化,电气自动化就是电气信息及其自动化工程,常见的家用电器都与电气自动化息息相关。下面是我为大家整理的电气自动化专业 毕业 论文 范文 ，供大家参考。

《 电气自动化技术在电气工程的运用 》

【摘要】所谓电气工程内部自动化应用技术，就是希望透过不同类型自动检测途径，以及专属控制器具，进行远程性电力系统精准调试和监管，进一步确保对周边不同区域企业、居民的电力供应质量，同步处理好内部各项经济、安全类事务。尤其最近阶段，我国不管是经济或是高新技术研发实力，都产生本质性的变化结果，这对于后期一线技术人员专业技能、素质等，更提出较为严格的规范要求。笔者的核心任务，便是依据如今我国电气自动化控制系统设计规范要求和发展态势，进行后期各项全新应用方案筹备，希望能够为相关领域工作人员，提供些许指导性建议。

【关键词】电气工程;自动化;系统功能;应用 措施

电气工程，在当今高新科技领域中的支撑地位毋庸置疑，其主张时刻以计算机网络为主导媒介，透过本质层面上整改基层人员生活、工作模式。而电气自动化涉足行业类型繁多，如电气开关设计和航天科技研究等，毕竟电力才是全方位提升人民生活质量的物质基础，针对电气工程中自动化技术应用细节，加以充分论证解析，绝对是迎合时代发展步伐的必要途径。

1目前我国电气工程内部电气自动化技术设

计规划的核心原则论述(1)其主张利用有限地资源，进行不同产品工艺制备流程电气自动化改造诉求满足。(2)电气自动化应用方案切勿过于复杂，旨在清晰划分处置机械、电气之间的关联特性。截至至今，大多数民用或是高新科技产品，都主张借助电气自动化技术予以改造，不可避免地牵涉到工艺形式创新、制造成本缩减、维护便捷性控制等问题。归根结底，技术人员在进行电气自动化方案布置应用过程中，需要精准地控制不同类型电器部件，确保现场施工的安全可靠状况，以及人工智能操作维护的简单、人性特征。

2电气自动化技术在电气工程中灵活拓展沿

用的措施内容解析在电气工程领域内部改良延展自动化应用技术，其优势特征包括：①大幅度提升电气设备全程运行的安全、稳定水准。②全面深入地克制以往定期故障检修方式下遗留的诸多弊端，同步提升电力系统日常工作绩效，获取更多企业的广泛认知和大力推广沿用成就。尤其是透过技术应用层面观察，全新时代背景下的电气工程，有关内部状态检修技术，具体倾向于在电气工程中应用资产管理系统事务，将其在工程状态监测、故障诊断等方面的功能如数发挥，届时提供状态检修过程所需中的状态数据信息;同时，结合相应的数据，准确预测电气工程中各种电气设备的实际运行状态、存在的安全故障以及故障出现的因素等。有关诸多应用控制细节表现为：

2.1电网调度层面

处理电气工程内部的电网调度自动化改造事务，需要快速集合调度中心内的 显示器 、打印装置、计算机网络、服务终端等，其核心动机在于针对电网运营质量加以经济化调度，使得电网运行细节，都能够得到细致地监控、验证解析，方便在任何时间范围内，快速搜集电力生产期间的数据，使得发电控制、电力系统状态科学评估、合理调度、电力负荷预测等工序，都能够自动交接。如若当中衍生任何事故，电气自动化系统会快速追踪发生源，辅助技术人员在当下制定实施合理对策，尽量防止事故扩散，节省合理数目的成本资金。

2.2发电厂分散测控系统应用层面

此类系统主要包括以太网、工程师工作站等分层分布结构单元，可以直接接受热电阻、电气量、开关量，以及脉冲量等信号，经过自行处理过后，针对既有设备运行参数加以实时显示，稳定内部信号输出效率，并将最终结果予以打印，妥善的处理设备与设备，线路与设备，线路与线路之间的关联，长此以往，对于快速贯彻电气生产中各类细节的实时监、保护指标，辅助功效异常深刻。

2.3变电站、配电工程层面

就是说在变电站透过不同类型自动化设备和计算机系统，替代过往复杂的人工作业，顺势提升变电站整体运作实效。透过此类角度观察验证，变电站内部自动化技术，主要是用以多层次、全方位地监控相关设备安全运行状况。技术人员需要全程利用微机设备，进行电磁式装置替代，顺势衔接自动测量、远程监控、事故信息自动记录等设备，完成操作监视图像、智能化改造指标，使得最终变电站能够顺利朝着综合自动化方向过渡扭转。

3结语

按照以上内容论述，电气自动化在电气工程中的应用结果，是一类国家综合式经济、科研实力的象征产物，特别是经过全球化、现代化科学技术发展过后，我国电气工程内部自动化应用功能获得全面新生，开始朝着不同学科领域内自由扩散。今后，相关工作人员要做的便是，主动联合不同实际状况进行思维创新，争取为我国电气自动化技术全面改造沿用，创设应有的支撑辅助贡献。

作者:张诗淋 赵新亚 单位:沈阳职业技术学院电气工程学院

参考文献

[1]王伟.浅谈电气自动化技术在电气工程中的应用[J].黑龙江科技信息，2013，38(36)：123~130.

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[3]乔荣耀.电气自动化技术在电气工程中的应用研究[J].黑龙江科技信息，2014，19(17)：123~138.

《 电气自动化技术在供电系统中的运用 》

1供电系统中电气自动化技术应用设计的原则

电气自动化技术在我国供电系统中的应用设计占据有重要的地位，极大的提高了我国供电系统技术的现代化水平，增强了其运行的稳定性和可靠性。因此，在对供电系统中电气自动化技术进行应用设计的过程中，要严格遵循以下原则，以提高供电系统中电气自动化技术应用设计的效果。

1.1应用选型原则

选择恰当的自动化设备是确保电气自动化技术在供电系统中有效应用的重要物质性前提。因此，在供电系统电气自动化技术应用设计的过程中，首先要遵循相应的选型原则，即主要从远程调动及自动化系统监控的角度进行自动化设备功能选型，亦要注重自动化设备选型接线的简便性以及性能的稳定性、价格的合理性，以便于日常运行过程中的维护。

1.2应用设计原则

在将自动化技术应用到供电系统的过程中，要遵循以下方面的应用设计原则：一是开关设计原则，即在供电系统中，对于需要远程操控的计算机监控系统开关，必须选用同时具有远程分闸和合闸功能的智能开关，以便于计算机监控系统远程操作功能的顺利实现;二是继电保护原则，即在供电系统规划设计中，要综合考虑变压保护和综合电气自动化技术在机电保护装置中的应用，以便于实现继电保护装置效用发挥的最大化。

2供电系统中电气自动化技术应用设计的重要性

供电系统中电气自动化技术应用设计的重要性主要体现在以下方面。

2.1有利于供电系统电力管理目标的实现

将电气自动化技术应用到供电系统中，不仅可以有效提高供电系统的信息化技术水平，亦可以实现对供电系统运行的连续性、自动化和智能化监控，从而使得相关工作人员可以随时掌握供电系统的运行状态，使整个电力系统形成一个完整的有机整体，从而更好的实行对供电系统的管理控制工作，实现供电系统的电力管理目标。

2.2有利于实现供电系统中设备运行的高效率、低成本

在供电系统规划设计中应用电气自动化技术，不仅可以将无功补偿技术、节能结束等相关技术与电气自动化技术进行有机结合，亦可通过节能机械设备的选用实现供电系统运行的低损耗，并有效对供电系统中的超负荷运行进行调整，实现供电系统中设备运行的高效率、低成本。

3电气自动化技术在供电系统中的应用设计方向

3.1供电系统综合自动化技术与智能保护的应用设计方向

随着我国电气自动化技术以及供电系统自动化保护理论的不断发展，微机技术、综合自动控制技术以及网络通信技术等相关技术在供电系统中的电气自动化保护装置中得到了广泛的应用，不仅实现了供电系统电气自动化保护装置控制的智能化，亦有效提高了供电系统电气自动化保护装置运行的安全性和效用性，而基于综合自动化技术的综合自动化保护装置则在不同电压等级的变电站中得到了广泛应用。

3.2供电系统自动化实时仿真系统的应用设计方向

供电系统自动化实时仿真系统是电气自动化技术在供电系统中应用的重要方向之一，其是在实时仿真建模以及负荷动态特性监测等相关研究的基础上发展起来的，并随着电气自动化技术在供电系统中应用的逐渐成熟而引入了实时数字模拟仿真系统，为供电系统的暂态试验、稳态实验等营造了良好的实验环境，并经过实验提供了更加接近供电系统真实运行状态的实验数据，为新装置的实验测试提供了安全、稳定以及可靠的实验条件。

3.3供电系统人工智能的应用设计方向

专家系统、模糊逻辑等都是供电系统人工智能的应用设计方向，并随着电气自动化技术的逐步发展和完善，并广泛应用在供电系统及其相关元件中，主要包括供电系统的运行分析以及元件故障诊断等;与此同时，随着供电系统中相关智能控制理论研究的日益成熟和完善，人工智能逐渐与机械智能等结合在一起，不仅有效提高了供电系统的智能化和自动化水平，亦大大提高了供电系统的稳定性。

3.4供电系统配电网电气自动化的应用设计方向

电气自动化技术在供电系统配电网中的应用设计相对而言，比较成熟，且截止到目前，已达到国际的标准规范。电气自动化技术是实现供电系统配电网电气自动化的关键性技术，该技术在配电网电气自动化中应用的最大创新之处在于，其将高级现代化软件、配电网信息一体化技术以及数字化技术等相关技术进行有机融合，克服了传统配电网系统技术路由以及载波消耗等技术的缺点，有效提高了供电系统载波接收的精准度。

4供电系统中电气自动化技术主要的应用设计

就目前我国电气自动化技术在供电系统中的应用设计主要体现在以下方面。

4.1供电系统电气自动化集中监控的应用设计

电气自动化技术在供电系统中应用的最大优势在于其具有操作灵敏性、远程跨界操作方便等方面的特点，且以电气自动化技术为基础的供电系统电气自动化集中监控系统设计相对较为简单。但值得注意的是，电气自动化集中监控系统是由统一处理器对相关数据进行搜集和整理，这就导致处理器的功能处理任务较为繁重，且速度较为缓慢;与此同时，由于要对供电系统运行过程中的电气设备运行状态进行全面的监控，不仅会造成主机冗余下降，亦会导致电缆数量的增加，加大投资成本;此外，长距离电缆亦会影响影响到电气自动化集中监控效用的发挥。因此，在供电系统电气自动化集中监控系统设计的过程中，要考虑到相关因素对系统功能发挥的影响，以便于保障电气自动化集中监控系统运行的稳定性、可靠性以及安全性。基于此，电气自动化集中监控系统被常用在小型电气自动化监控中，并没有在全场供电系统中得到广泛的应用。

4.2外电缆设计和电力监控器的选择

基于电气自动化技术在供电系统应用的逐渐成熟，变配电站中的外部电缆设计越来越简便，不仅能满足变配电站的功能需求，亦降低了设计成本。就目前我国变配电站外部电缆线的设计来讲，一般只有两部分构成：一是额定电源为220V的交流电源线;二是通信电缆，常用的主要有两种类型，即屏蔽电缆和双芯屏蔽双绞线。值得注意的是，在进行选型的过程中，一般每种类型的通信电缆都需要选用两对，其中一对正常使用，而另一对则用于备用，以备不时之需。而在对电力监控器进行选择的过程中，要着重考虑两方面的因素：一是电力监控器的抗干扰性;二是电力监控器运行的稳定性和可靠性;此外，在供电系统电力监控器具体选型的过程中，要根据供电系统的电源类型进行选型，具体表现在：一是当供电系统为220V的直流电源时，一般选择直流屏作为电力监控器，以便于供电系统进行集中供电;二是当供电系统为10kV以下时，在进行电力监控器选型的过程中，既要考虑到供电的集中性，亦要考虑到设备的监控功能。

4.3变压电站综合电气自动化系统的选用

就目前电力市场的生产状况来看，存在众多变压电站综合电气自动化系统设备的生产商，且各生产商所设计和生产出的电气自动化系统设备标准、参数等各有不同，如国外比较好的西门子等。但是值得注意的是，在进行电气自动化系统设备选型的过程中，一定要考虑到我国供电系统的具体情况以及其对电气自动化系统设备的功能性需求以及相关参数要求，以便于所选用的设备能够正常应用在我国供电系统中，满足网络互联、数据库建设等方面的功能需求，以为供电系统中电气自动化技术的进一步应用提供相应的参考和支持。

5电气自动化技术在供电系统中应用设计的发展前景

随着电气自动化技术在我国供电系统中应用设计的逐渐成熟以及领域的不断扩大，其具有广阔的发展前景，体现出以下方面的发展趋势：一是电气自动化技术在我国供电系统中应用设计的国际标准化，如IED在我国供电系统中应用的兼容性和信息共享性等已达到国家标准;二是以太网技术的应用，该技术具有数据传播速度快、数据载量大等方面的特点，其在满足供电系统通信实时性方面具有较大的优势，在供电系统中的应用前景较为广阔;三是电气自动化技术与数字化、信息化等相关技术的有机结合，并在基于大量信息的基础之上，组合成由多维空间信息、动态变化信息以及高分率信息共同构成的电气自动化数字地球，创新了电气自动化技术在供电系统中的应用。

6结语

综合上述可知，电气自动化技术在供电系统中占据着重要地位，极大的提高了供电系统运行的智能化和自动化，推动我国供电系统技术与国际的接轨。因此，在进行供电系统规划设计的过程中，要 种植 电气自动化技术在其中的应用，并在遵循相关应用原则的前提下，将人工智能、仿真设计、实时监控等电气自动化技术应用在供电系统的配电网、变电站等中，提高供电系统运行的稳定性、可靠性和安全性。

《 电气自动化控制在建筑工程中的应用 》

1现代建筑中电气技术的应用特点

1.1电气自动化应用于现代建筑的背景

改革开放以来，随着国民经济的发展，以及人们生活水平的不断提高,生活质量有了很大的飞跃，生活环境的舒适度、信息交流的简便性、服务设备的完善性等等，备受人们的关注和青睐。这就给建筑设施的健全性以及电气设备的功能带来了巨大的挑战。除此之外，随着建筑物高度的不断增加，给照明控制系统，供配电系统，以及消防控制系统等的管理和运行带来了严峻的考验。在这种情况下，以电气自动化技术为支撑的智能建筑设计是我国建筑行业发展的必经途径。

1.2电气自动化控制的特点与技术优势

电气自动化控制系统是由电力、空调、防灾、防盗、运输设备等构成综合系统。智能楼宇自动化是自动化技术应用在现代化楼宇方面的技术，其子系统之间相辅相成，缺一不可，通过子系统之间的相互作用，可以对建筑整体的进行楼宇温度控制、湿度控制、电梯控制、照明电气控制等。随着全球智能化的发展，可以预见，楼宇建筑的自动化性将会越来越高。电气自动化技术主要包括电力电子技术和微机控制技术等高新技术，广泛用于供配电、各种电气设备、电气控制及自动化系统的安装调试、方案设计、设备维护、技术改进、产品的开发及管理中。主要具有以下几方面的优势：首先，联动性较高。电气自动化控制技术采用电子传感技术、计算机与现代通讯技术对包括采暖、通风、电梯、空调监控，给排水监控，配变电与自备电源监控，火灾自动报警与消防联动，安全保卫等系统实行全自动的综合管理，各个子系统之间可以通过信息进行沟通和互动。其次，有很强的安全性。由于电气系统本身就具有危险性，设备出现故障、操作不规范，以及环境突变等都可能是导致系统产生严重安全风险的原因。通过自动化控制可以使系统在发生危险时快速发现并解决，另外，在一定程度上通过远程遥控还可避免故障对维修工作人员产生直接的危害。最后，具有健全的数据以及精准的计算。自动化系统可以根据自身的操作流程、故障处理等数据建立完善健全的数据库以及精准的计算，为后期进行信息优化决策提供条件。

2现代智能建筑中自动化系统的组成及其功能的实现

现代智能建筑中自动化系统的工作原理如下：实时的数据采集;实时的控制决策;实时的控制输出。其系统包括自控给排水系统、照明控制系统、供配电系统以及消防安全系统等。其中，给排水系统包含生活给水系统、生活排水系统、市政给排水管网系统、市政水处理(包括给水处理以及废水处理)建筑给排水、 雨水 系统、消火栓系统、喷淋系统等。照明控制系统能够满足和实现不同的灯光效果，而且还能改善工作环境，提高工作效率，节约能源，延长灯具寿命，减少用户维护费用等等。供配电系统先从发电厂发出经过升压变压器(升压)到线路，中枢变电所这一部分为供电系统从中枢变电所经线路到用户变压器，开关柜这一部分完成大的配电系统从用户变电所到各个厂区或用电负荷，最后完成全部的配电。消防控制系统是指接到火警后，发出信号，相关设备自动转到到消防状态。例如电梯，在接到火警信号后，电梯自动关门转为下行至首层，由进入轿厢的消防员控制运行。除了以上所说的控制系统之外，为了满足不同人群对不同功能的需求，可以相应的根据建筑环境设置一些特定的子系统，如停车场管理系统、智能家居服务系统、物业管理应用系统等，实现个性化的自动管理。在现实生活中，为了实现现代智能建筑电气自动化系统功能的丰富性，必须建立一套完善健全的数字化控制体系，这是实现控制技术应用的基本条件，与此同时，建立远程控制管理中心，这样可以对本地控制台出现的故障及时进行处理，以此提高数字控制体系的安全性与可靠性。

3电气自动化控制在智能楼宇中的应用

随着我国综合国力以及经济实力的迅猛发展，建筑智能化在我国得到了全面的推广，它的出现为人们的生活和工作带来了极大的便利，这就加快了智能楼宇进程的日新月异。智能楼宇主要包括安防系统、计算机网络、通讯系统、楼宇自控系统等等，在很大程度上满足了人们的需求，电气自动化控制是智能楼宇功能发挥的技术保障，在智能楼宇中有着不可替代的地位。

3.1建筑电气设备自动化系统安装前，制定科学的计划

建筑电气设备自动化系统质量的好坏直接不仅影响建筑物功能是否正常运行，而且还影响该建筑的环境效益与经济效益。因此，在施工前，相关工作人员不能盲目地按照图纸进行施工，全面了解设计方案，及时对设计图纸中的不足提出改进建议，避免工程返工的情况。此外，还要依照业主的需求及利益，制定出科学合理的安装计划，严格按照操作程序进行施工，以此满足建筑本身以及业主的相关需求。

3.2电气设备的安装

电气设备的正常运行是保证建筑电气设备自动化系统功能充分发挥的前提。电气设备的安装调试是保证其正常运行的基本条件，需进行以下步骤：首先，一定要理解整个设备的工艺流程、控制流程，熟练掌握电气设备要用到的各种仪表。其次，仔细研究设计方案及施工图纸。最后，根据设计图纸对电气设备内部的接线了解清晰，接着就可以对设备进行实际的接线。在所有设备调试完毕后，再对其进行安装施工。在设备安装时，必须严格根据设备的安装要求与规范进行安装。这里需要注意的是，在接线前一定要先进行校线，在确定设备外观完好、接线正确、外来信号正常的基础上，方可让使用方开始带电调试，在送电之前，要将所有断路器保持断电状态。

4结束语

众所周知，世界经济一体化、全球化是当今世界经济发展的主流，要想增强我国的综合国力，就要大力发展作为支柱性产业之一的建筑行业。然而，由于人们对建筑设计的要求逐渐增加，以往的传统性建筑已经满足不了人们的需求，于是智能楼宇出现在人们的视野之中，其带来的高品质生活享受，令人们向往不已。而智能建筑的建立又离不开电气自动化控制技术的支持。换句话说，智能建筑的出现，给电气自动化工程的发展带来了很好的平台，被广泛应用于很多领域及专业，其技术具有更新速度快，复杂程度高等特点，因此，需要相关工作人员不断地学习及积累 经验 ，与时俱进。

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对自动化专业的认识和理解

自动化专业是以数学与自动控制理论为主要理论基础，以电子技术、计算机信息技术、传感器与检测技术等为主要技术手段，利用各种自动化装置分析与设计各类控制系统，为人类生产生活服务的一门专业。

专业方向：

1. 过程控制方向：以自动控制、计算机技术为支撑，针对实际工业生产过程实现自动控制，由信号检测与变换、过程控制、计算机控制系统、智能控制和现场总路线控制技术等组成方向主干课。

2.嵌入式系统方向：注重对嵌入式系统设计与软件设计能力的培养，理论结合实践，通过课堂教学、实验等多种形式的学习，培养嵌入式系统方向的专业人才；由嵌入式系统设计、嵌入式实时操作系统、DSP技术、先进显示技术、控制电机等组成方向主干课。

3.运动控制、机器人方向：注重对学生电机系统分析与控制能力的培养，理论联系实践，通过实验培养机器人方向的专业人才，为学生以后在相关领域就业与深造打下坚实基础；由电子控制技术、力学、电机拖动、运动控制理论等组成方向主干课。

4.人工智能方向：以信息处理与模式识别的理论技术为核心，以数学方法与计算机为主要工具，研究对各种媒体信息进行处理、分类和理解的方法，并在此基础上构造具有某些智能特性的系统；由计算机编程语言、机器学习算法、模式识别导论、应用统计学组成方向主干课。