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现代控制技术及其应用感想

由于机械本身可以做出常规决定，人为操作就可以免去了。在许多情况下，

机械智能比人为控制更好，因为它可以做出快速或者缓慢的响应（追踪长期的

缓慢改变），这种反应更加精确，且保持系统性能最佳。

控制系统可以以几种方法分类。标准的系统可以自动保持参数为（或者接

近）某个特定值。这样的例子有家庭加热系统，尽管外界条件变化它都将保持

在一定温度。跟随系统，它会使系统的输出跟随预先设定好的路径。这样的例

子有工业机器人将零件从一个地方移动到另一个地方。事件控制系统，它控制

着一系列顺序发生的事件。这样的例子有洗衣机，它按照一系列已编好的程序

步骤实现循环。

当生命出现时，自然控制系统就已经存在了。想一想人类身体是如何调整

温度。如果人类身体需要升温，那么食物的能量就可以转换为热量；另一方面，

蒸发可使身体冷却。由于蒸发效果不是很明显（尤其在潮湿的气候），因此我

们的身体温度比地球的温度略高。如果身体的温度传感器得知温度下降了，它

将向身体发出燃烧更多燃料的信号。如果它意识到身体温度太高了，就会发出

信号使身体出汗。

从古希腊时代开始，人造控制系统就以某些形式存在了。书上曾描述过一

个有趣的装置——一个永不消失的水池。水池里有个隐藏的浮球和类似马桶装

置里的变换阀。当水面下降时，浮球下沉，这时阀门开启使水流进来。

电子控制系统是20世纪的产物。机电继电器被开发出来并用于电机和设备

的远程控制。继电器和开关也用来作为简单的逻辑门来实现智能。真空管技术

的应用使得控制系统在第二次世界大战期间有了显著的发展。动态位置控制系

统（伺服机构）被开发出来，用于航空器、枪塔、鱼雷中。今天，位置控制系

统用于机械工具、工业过程控制、机器人、汽车和办公设备中。

同时，在电子方面的其他发展对控制系统也有一定的影响。在电动机控制

电路中，固态装置开始取代继电器。模拟控制器中，晶体管和集成电路运算放

大器也得到应用。数字集成电路已取代了常见的继电器逻辑。最后，也是最为

显著的，由微处理器创造出了数字控制器，这些数字控制器便宜、可靠、能够

控制复杂过程而且是可调整的（如果任务改变，控制器可以重新编程）。

控制系统覆盖许多方面内容：电子（模拟的和数字的）、电力控制装置、

传感器、电动机、机械学和控制系统理论。控制系统理论将所有这些概念联系

在一起。许多学生发现控制系统的知识非常有趣，因为它涉及一些理论应用方

面，而这些应用在生活中已经出现过。

单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电

路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、

多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉

宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一

个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，

由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能

自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以

接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根

据人工智能技术制定的原则纲领行动。

戴沃尔提出的工业机器人有以下特点:将数控机床的伺服轴与遥控操纵器

的连杆机构联接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离

开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动

作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部

记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再

现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。

1962年美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外

形主要由类似人的手和臂组成。后来，出现了具有视觉传感器的、能识别与定

位的工业机器人系统。

当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有

较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展

最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处

于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，

或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造