5-控制与自动化技术的应用范畴课件.ppt
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- 控制 自动化 技术 应用 范畴 课件
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1、5 控制与自动化技术的应用范畴控制与自动化技术的应用范畴5.2 机械制造自动化机械制造自动化 5.3 过程工业自动化过程工业自动化5.4 电力系统自动化电力系统自动化 5.5 飞行器控制飞行器控制 5.6 智能建筑智能建筑 5.7 智能交通系统智能交通系统 5.8 生物控制生物控制 5.9 生态与环境控制生态与环境控制5.10 社会经济控制社会经济控制5.11 大系统控制与系统工程大系统控制与系统工程5.1 引言引言 控制与自动化是不断发展的高、新科学技术,对人类生产、控制与自动化是不断发展的高、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生活和科学研究有着非
2、常重要的影响。控制与自动化技术发展至今,可以说是已从至今,可以说是已从“人类手脚的延伸人类手脚的延伸”扩展到扩展到“人类大脑的人类大脑的延伸延伸”。控制与自动化技术时时在为人类。控制与自动化技术时时在为人类“谋谋”福利,可谓无福利,可谓无所不在、无处没有。所不在、无处没有。 5.2 机械制造自动化机械制造自动化 机械制造是现代工业重要的组成部分,对国民经济建机械制造是现代工业重要的组成部分,对国民经济建设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从20世纪世纪50年年代至今,经历了单机自动化、刚性生产线,数控机床、加代至今,经历了单机自动化、刚性生产线,数控机
3、床、加工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段,正向计算机集工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段,正向计算机集成制造成制造(CIM)发展发展。 5.2.1 数控技术和数控系统数控技术和数控系统 在产品加工中,大批量生产的零件并不很多。据统计,在产品加工中,大批量生产的零件并不很多。据统计,单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工,采用专业化程度很高的自动机床和自动生的零件的加工,采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合
4、适。因为在市场经济的大潮中,必须经产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中,必须经常开发新产品,频繁地更新换代。常开发新产品,频繁地更新换代。 输 入 设 备程 序输 出 设 备计 算 机 数 字 控 制 装 置( CNC装 置 )可 编 程 逻 辑 控制 器 (PC)主 轴 控 制 单 元速 度 控 制 单 元主 轴 电 机机 床进 给 电 机位 置 检 测 器图图5.1 计算机数计算机数控系统结构图控系统结构图 数字控制(简称数控)数字控制(简称数控)灵活、通用、高精度、高效率的灵活、通用、高精度、高效率的“柔性柔性”自动化制造技术自动化制造技术 一种灵活、通用、高精度、高效率的一种灵活
5、、通用、高精度、高效率的“柔性柔性”自动化生产技自动化生产技术术数字控制(简称数控)技术在这种情况下应运而生。数字控制(简称数控)技术在这种情况下应运而生。 简单地说,简单地说,数控技术数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术。是一门以数字的形式实现控制的技术。 计算机数字控制系统计算机数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器编程序控制器(PC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成,如图、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成,如图5.l所示。所示。5.2.2 柔性制造系统柔性制造系统(FMS) 柔性制造系统柔性制造系统(简称
6、(简称FMS)是在计算机直接数控)是在计算机直接数控(DNC)基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备,包括数控机控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备,包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等,不仅能进行自动化生产,而且还能动检测和试验设备等,不仅能进行自动化生产,而且还能在在定范围内完成不同工件的加工任务。定范围内完成不同工件的加工任务。 柔性制造系统柔性制造系统一般包括以下要素:一般包括以下要
7、素:(1) 标准的数控机床标准的数控机床或制造单元。(制造单元是指具有自动上下料功能或具有或制造单元。(制造单元是指具有自动上下料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床);多个工位的加工型及装配型的数控机床);(2) 在机床和装在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统;卡工位之间运送零件和刀具的传送系统;(3) 发布指令,协发布指令,协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统;调机床、工件和刀具传送装置的监控系统;(4) 中央刀具库中央刀具库及其管理系统;及其管理系统;(5) 自动化仓库及其管理系统。自动化仓库及其管理系统。 由统一的控制系统由统一的控制系统和输送系统连接起来的和输送系统
8、连接起来的一组加工设备,包括数一组加工设备,包括数控机床、材料和工具自控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检自动传输设备、自动检测和试验设备等,不仅测和试验设备等,不仅能进行自动化生产,而能进行自动化生产,而且还能在且还能在定范围内完定范围内完成不同工件的加工任务。成不同工件的加工任务。 柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。自动输送车中央管理和控制计算机物流控制装置夹具站自动 化仓 库工厂主计算机信息传输网库具CNC机床机器人附属工作站CNC机床机器人附属工作站制造单元刀图图5.2 5
9、.2 柔性制造系统结构图柔性制造系统结构图 5.2.3 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS) 计算机集成制造系统计算机集成制造系统是是在自动化技术、计算机技术在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上,通过及制造技术的基础上,通过计算机及其软件,将制造工计算机及其软件,将制造工厂全部生产活动(设计、制厂全部生产活动(设计、制造及经营管理,包括市场调造及经营管理,包括市场调研、生产决策、生产计划、研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经设计、加工制造以及销售经营等)与整个生产过程有关营等)与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高
10、度的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理,构成一统一的综合化管理,构成一个个优化的完整的生产系统优化的完整的生产系统。 经营决策管理系统计算机辅助设计与制造柔性制造单元与系统图图5.3 计算机集成制造系计算机集成制造系统组成框图统组成框图 5.3 过程工业自动化过程工业自动化 在连续型工业中,主要对系统的温度,压力、流量、在连续型工业中,主要对系统的温度,压力、流量、液位(料位)、成分和物性等六大参数进行控制的工业,液位(料位)、成分和物性等六大参数进行控制的工业,称之为称之为过程工业过程工业 。 过程工业过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制
11、药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。 5.3.1 过程工业自动化的研究内容及特点过程工业自动化的研究内容及特点 工业生产过程的自动控制称为工业生产过程的自动控制称为过程控制过程控制,它是过程工业,它是过程工业自动化的核心内容。自动化的核心内容。过程控制过程控制研究过程工业生产过程的描述、研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理,旨在进一步改善工艺操作,模拟、仿真、设计、控制和管理,旨在进一步改善工艺操作,提高自动化水平,优化生产过程,加强生产管理,最终显著提高自动化水平,优化生产过程,加强生产管理,最终显著地增加经济效益。地增加经济
12、效益。 早期的早期的过程控制系统过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。 但随着但随着微处理器微处理器和工业计算机技术的发展,目前广泛和工业计算机技术的发展,目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制分布式计算机控制系统系统 (Distributed Computer Control System,简称,简称DCS)。近年来迅速发展起来的近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统现场总线网络控制系统(FCS),更,更是控制技术和
13、计算机技术高度结合的产物。是控制技术和计算机技术高度结合的产物。 5.3.2 基于计算机技术的过程控制系统基于计算机技术的过程控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统 图图5.5 分布式计算机分布式计算机控制系统控制系统图图5.4 直接数字控制直接数字控制系统系统图图5.6 计算机集成生产系统的结构模型计算机集成生产系统的结构模型 决策信息管理信息调度信息工况信息经营决策管理系统生产调度监控系统测量信息控制系统生产过程利润最大生产管理经营管理优化调度高等控制操
14、作优化故障诊断复杂控制常规控制信 息控 制目 标决策层管理层调度层监控层控制层生产过程计算机生产过程计算机集成控制系统集成控制系统是是一种综合自动化系一种综合自动化系统。目的是要使企统。目的是要使企业用最短的周期、业用最短的周期、最低的成本、最优最低的成本、最优的质量,生产出适的质量,生产出适销对路的产品,以销对路的产品,以获取最大的经济效获取最大的经济效益,增强国内外市益,增强国内外市场的竞争能力。场的竞争能力。 其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成,并求得全局优化行集成,并求得全局优化 5.4 电力系统自
15、动化电力系统自动化 5.4.1 安全供电离不开自动化安全供电离不开自动化 5.4.2 经济运营需要开自动化经济运营需要开自动化 对于火力发电厂,不但要考虑每个电厂的煤耗量,更要对于火力发电厂,不但要考虑每个电厂的煤耗量,更要 考虑考虑电厂的煤耗微增率(即增加单位负荷所需的煤耗量)。此外,还要电厂的煤耗微增率(即增加单位负荷所需的煤耗量)。此外,还要考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的联网时,需要依靠自动化和计算机来实现联网时,需要依靠自动化和计算机来实现最优经济运营最优经济运营。 对于单个的火力发电系统,为了保障发
16、电机的安全,需要采用对于单个的火力发电系统,为了保障发电机的安全,需要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控监控。 由不同规模、不同性质的电力系统形成由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网复杂的联网已经成为电已经成为电力系统发展的必然趋势。力系统发展的必然趋势。5.4.3 供
17、电质量的自动化要求供电质量的自动化要求 供电质量主要指供电质量主要指电压质量电压质量和和频率质量频率质量。我国电力系统的。我国电力系统的频率标准频率标准是是50hz,频率下降时,鼓风机出力减少,锅炉给水,频率下降时,鼓风机出力减少,锅炉给水泵打不上水,火力发电厂的锅炉将不能运行;油泵不能供应泵打不上水,火力发电厂的锅炉将不能运行;油泵不能供应轴承润滑油,汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子轴承润滑油,汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。设备的影响更大。 但频率变化是电力系统内但频率变化是电力系统内电力盈亏电力盈亏的标志。电力系统内的标志。电力系统内发电出力多于用电量时,
18、多余的电力转化为加速电机转速的发电出力多于用电量时,多余的电力转化为加速电机转速的动能,动能,频率将加快频率将加快;发电不足时,发电机付出动能来满足用;发电不足时,发电机付出动能来满足用电的需要,电的需要,频率将下降频率将下降。所以,电力系统运行中,需要。所以,电力系统运行中,需要自动自动调频装置调频装置来保持电力的正常盈亏平衡,根据实际情况及时自来保持电力的正常盈亏平衡,根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。动调节电力系统的出力或限制负荷。 电压质量电压质量直接影响到用户的用电质量。电压直接影响到用户的用电质量。电压过高过高会损害会损害用电电器,或响应其寿命;电压过低则电灯不亮,
19、荧光灯不用电电器,或响应其寿命;电压过低则电灯不亮,荧光灯不能启动,甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。能启动,甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。 1965年年11月月9日下午日下午5点点16分分11秒,纽约一条线路的后备保秒,纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开,负荷转加给了其他四条线路,使它护误动作把线路开关跳开,负荷转加给了其他四条线路,使它们先后在们先后在2.72秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速,而加速,频率上升频率上升,电力向纽约州强送,使纽约州涌进了大量,电力向纽约州强送,使纽约州涌进了大量电力,在大约电力,在大约1.5
20、秒内,这些线路的过负载保护先后动作而断开,秒内,这些线路的过负载保护先后动作而断开,造成纽约市缺电大约造成纽约市缺电大约130万万kw,从而又使附近纽泽西州的电力向,从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了纽约市涌进了100万万kw,以至,以至电压和频率电压和频率不能平衡。几分钟内,不能平衡。几分钟内,该区内该区内频率下降频率下降,电厂的风机和水泵出力降低,甚至停转,发,电厂的风机和水泵出力降低,甚至停转,发电机只得相继断开。由于润滑泵停运,区内三台大机组因轴承电机只得相继断开。由于润滑泵停运,区内三台大机组因轴承损坏损坏而停运,最终导致而停运,最终导致全市停电全市停电。高楼电梯、地铁、交通信
21、号。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作,全市大乱。灯以至路灯等都不工作,全市大乱。断电时间长达断电时间长达13.5小时小时。 由此可知,先进、可靠的由此可知,先进、可靠的电力自动化系统电力自动化系统是多么重要和必是多么重要和必要!要! 5.4.4 从一次停电事故看电力系统自动化从一次停电事故看电力系统自动化5.5 飞行器控制飞行器控制 5.5.1 导弹控制系统的功用导弹控制系统的功用 5.5.2 导航系统导航系统 5.5.3 制导系统制导系统 5.5.4 姿态控制系统姿态控制系统 5.5.5 飞行控制电子综合系统飞行控制电子综合系统 5.5.6 测试与发射控制系统测试与发射控制系统
22、现代现代飞行器飞行器有很多种类,例如有飞机、导弹、人造卫星、有很多种类,例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有很多种类,例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火很多种类,例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途,同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。用途,同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器飞行器控制的内容非常丰富控制的内容非常丰富 : 5.5.1 导弹控制系统的
23、功用导弹控制系统的功用飞行器控制系统飞行控制系统测试发射控制系统导航系统制导系统姿态控制系统电子综合系统测试系统发射控制系统监视控制系统图图5.7 飞行器控制系统的构成飞行器控制系统的构成 导弹控制系统导弹控制系统的的主要任务是:控制导主要任务是:控制导弹有效载荷的投掷精弹有效载荷的投掷精度(命中精度);对度(命中精度);对飞行器实施姿态控制,飞行器实施姿态控制,保证在各种条件下的保证在各种条件下的飞行稳定性;在发射飞行稳定性;在发射前对飞行器进行可靠、前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发准确的检测和操纵发射。射。控制系统控制系统的作用的作用就是消除或减小干扰就是消除或减小干扰和影响的后果,
24、控制和影响的后果,控制导弹准确、可靠地完导弹准确、可靠地完成飞行动作,最后飞成飞行动作,最后飞向目标。向目标。 5.5.2 导航系统导航系统 飞行器飞行器是六自由度运动体,包含角运动和线运动,一般是六自由度运动体,包含角运动和线运动,一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态如姿态角度、角速度角度、角速度)的测量主要利用惯性器件,质心运动参数的测量主要利用惯性器件,质心运动参数(如如位置、速度、加速度位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。照信息的无线电测
25、量、光学测量方法几类。 所谓所谓导航导航,是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数,是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数,并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为数的系统则称为导航系统导航系统。 5.5.3 制导系统制导系统图图5.8 追踪法示意图追踪法示意图 图图5.9 三点法示意图三点法示意图 图图5.10 比例
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