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大学想要选择学习自动化专业,可以看什么书去提前了解?

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自动化是一个很大的范畴,这里有很多技术。例如许多小区大门的自动人脸识别开门系统,就是自动化的应用之一。在自动化里,自动控制占了很大的比重。

题主显然是高中生,我来给高中生讲讲自动控制吧。

1.水位控制的例子

我们看下图:

1:水池水位控制

1是一个水池。我们期望出水水量不会中断,并且要确保出水最低水P,所以我们必须维持水池中的水位在最高水位与最低水位之间。显然,我们可以利用水位测量装置,使得当水位低于最低水位时就起动水泵向水池注水,当水位超过最高水位时就让水泵停机。在这个过程中,单位时间内的进水水量必须大于出水水量。

由于1中的水位是在最高水位与最低水位之间波动,我们把这种控制叫做位式控制。

如果我们把最低水位抬高并接近最高水位,甚至两者合并,则此时的水位控制就在它允许的偏差范围内实现连续控制。

通过1,我们看到了两种控制方式,即位式控制和连续控制。

对于连续控制方式,水H当然就是我们的控制目标。水位通过传感器采集,我们把采集到的实时水位位置减去控制线(最高水位)得到水位偏ΔH。根据偏ΔH的大小,我们去控制水泵电机的转速,从而调节进水的流Q1:偏ΔH越大,进水流量就越大;偏ΔH越小,进水流量就越小。当偏ΔH等于零时,水泵停机。我们把这种控制方式叫做比例控制方式。如此一来,我们就可以实现水池水位的连续控制。

然而,当水位发生突变时,光靠比例控制无法胜任。我们把这种突变量用微分表示,dH/dt。一旦发生突变,控制系统根据突变量起动水泵加大流量,我们把这种控制叫做微分控制方式。

当水位充分接近控制点时,偏差很小,比例控制已经不能胜任。此时我们把偏差用积分积累起来,当偏差积累到一定程度后我们调节水泵流量以消除偏差。我们把这种控制叫做积分控制方式。

以上的比例、积分和微分控制方式PID来表示。

我们看下图:

2PID控制曲线

2中,虚线就是控制线。我们看到虚线有两条,它用于表征控制的偏差,或者说控制精度。2中对不同的比例系Kp给出了几种曲线,我们看到比例越大控制量的超调量也越大。可见PID测控技术的具体参数是很有讲究的。

2.自动控制涉及到哪些技术和课程?

上述水位控制的例子中,我们应当能感受到自动控制与许多知识和技术有关。那么对于一般性的自动控制系统,它与哪些知识相关联?以下我们来罗列分析:

第一是供配电技术和电动机控制技术,它与电机学、电力变压器、供配电系统、开关电器技术都有关。

第二是传感器技术,它与模拟电子技术、数字电子技术,以及电参量和非电参量的采集技术等都有关。

第三个是单片机技术PLC技术以及数据交换和计算机控制原理等技术。

第四个是自动控制原理,这是核心技术。

第五个是机械设备的工作原理和工艺条件,例如水泵机组、管路系统等等,以及操作工艺要求等等。

以下我们来相对深入地探讨一番。

1)电路分析

电路分析是电气技术的基础课。

我们在中学里读过直流电路和交流电路,但那只是最基础的概念,连电路分析的门槛都还没进。

我们在电路分析里,会读到电压源和电流源,还有受控源。会读到电阻、电感和电容在直流电路中的特性,以及求解直流电路的方法。对于交流电路,由于电压和电流既有幅值变化,也有相位和频率变化,为此我们会学到一种特殊的参量叫做相量。

注意到相量不是矢量或者向量。例如力学里的力矩是矢量,它是力、力臂以及夹角的正弦之乘积,我们把它叫做矢量的叉乘。电流相量与电压相量的叉乘是无功功率,它是标量。可见相量不是向量或者矢量。

我们还会学到电路的响应,以及电参量与频率的关系等等。

学习电路分析,需要有一个基本数学工具,就是高等数学。

2)模拟电子技术、数字电子技术和电力电子技术

这三门课是我们进一步学习电路设计的基础课。我们通过这三门课程的学习,知道了如何设计晶体管电路、运算放大器电路、各种基础数字集成芯片构成的电路,以及晶闸管整流和控制的原理。我们可以进一步学习使用面很广的变频器、软启动器的工作原理。

可以这么说,这三门课是当代工业控制仪器仪表及调控装置的核心技术。

3)单片机PLC控制技术和数据交换技术

单片机在工业控制中得到广泛应用,连我们家里的洗衣机和电冰箱里都有单片机,可见单片机技术的重要性。

PLC是一种特殊的单片机工业产品,具有极高的抗电磁骚扰的能力。

电磁骚扰,它有两方面的内容,其一是该设备抵御电磁干扰的能力,其二是自身不会产生电磁信号去干扰别的设备。

PLC,可以实现程序控制,实现工业现场总线及工业以太网下的数据交换,用途极其广泛。

PLC,我们可以把现场信息传递到计算机控制中心去,这样就能实现计算机控制了。

4)自动控制原理

自动控制原理是自动化的最核心理论。

1的水位控制,我们能隐隐约约地感觉到,受控量是可以用一个或者多个微分方程来表达的,自动控制技术中如何求解微分方程显然成为一个重点内容。

我们想想对数和反对数的关系。我们利用对数把乘除和乘方、开方变成加减法和乘除法,计算完了再反变换回来,就可以得到解答。在自动控制原理里,把微分方程用复变函数中的积分变换换到复数域中,微分方程就变成了代数方程。这种代数方程在自动控制技术里叫做传递函数。我们对传递函数按代数方程的办法求解,容易非常多,之后再反变换回到实数域,继续求解得到最后解答。

在自动控制技术里,往往不再变换回去,直接用传递函数执行分析和求解。

前面讲过PID方程,以及计算机中执行电力监控的软件,它们都可利用传递函数来求解。甚至,PLC的内部模块中,还有专门PID模块以及传递函数解析模块。

自动控制原理就是这样把输入参量、反馈参量、调节控制和输出操控联系到一起的。

3.对于高中生,我们要看什么书来了解自动化?

我们从前面的描述中可以看出,以高中生的水平来学习自动化技术是不可能的,但我们如果仅仅只了解自动化,应当是可以的。

我给题主介绍几本书吧。

第一本书:《一本书读懂无人驾驶》,杨宽等编著,化学工业出版社出版。

第二本书:《什么是自动化》,王宏伟编著,大连理工大学出版社出版。

第三本书:《人工智:AI技术打造智能化未来》,中国科学技术出版社

第四本书:《自动化学科概论》,第二版,戴先中著,高等教育出版社

我手上只有这四本书,感觉不错,其中第二本和第三本值得主推。

至于大学的教材,建议题主还是免了吧。一者我们自己还要高考,二者这些教材太深,不建议去读教材。

2024-01-09

2024-01-09