自动化专业概论课件 2.pptx

1、 2.1 2.1 控制和自动化的概念控制和自动化的概念 现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸，如图2.1所示。图图2.1 2.1 防空导弹的制导防空导弹的制导1 1目标跟踪雷达；目标跟踪雷达；2 2导弹导引雷达；导弹导引雷达；3 3计算机；计算机；4 4导弹发射架导弹发射架312 目标目标交会点交会点4 自动化自动化(Automation):(Automation):表示机器或设备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制以达到预定的要求

2、。图2.2(a)和(b)是水温的手动控制漫画和采用自动控制的示意图。图图2.2 2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图水温的手动控制和自动控制的示意图(a)(a)手动控制漫画手动控制漫画调节记录仪调节记录仪温温水水测测温温计计冷冷水水蒸汽蒸汽调节阀调节阀(b)(b)自动控制自动控制图图2.2 2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图水温的手动控制和自动控制的示意图 自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。自动化是新的技术革命的一个重要方面。2.2 2.2 我国古代自动装置我

3、国古代自动装置 指南车指南车 车身车身齿轮系齿轮系木人木人车辆车辆转弯转弯方向方向图图2.3 2.3 指南车方向自动装置框图指南车方向自动装置框图 铜壶滴漏铜壶滴漏 饮酒速度的自动调节饮酒速度的自动调节 计里鼓车计里鼓车 漏水转浑天仪漏水转浑天仪 候风地动仪候风地动仪 水运仪象台水运仪象台2.3 2.3 控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术发展简史 控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。古代自动装置 近代自动装置2.3.1 2.3.1 自动装置的出现和应用自动装置的出现和应用(18(18世世纪以前纪以前)2.3.2 2.3.2 自动化技术形成时期（自动化技术形成时期（1818世纪世纪末

4、至末至2020世纪世纪3030年代）年代）公元1788年英国机械师J.瓦特(Watt)发明离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接进来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重要影响。自动调节的广泛应用 自动调节系统的稳定性问题图图2.4 2.4 对象和调节器形成调节系统对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽源蒸汽蒸汽负荷负荷离心式离心式调速器调速器转速转速测测量量进汽进汽-+反馈控制和频率法图图2.5 2.5 反馈调节（控制）系统反馈调节（控制）系统调节器调节器（控制器）（控制器）被控对象被控对象输出变量输出变量 控制量控制量前向通道前向通道误差误差 输入

5、变量输入变量（给定规律）（给定规律）反馈通道反馈通道-+2.3.3 局部自动化时期局部自动化时期(20世纪世纪4050年代年代)在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。目标方向目标方向敏感元件敏感元件计算机计算机定位伺服机构定位伺服机构跟踪误差跟踪误差跟踪环路跟踪环路瞄准环路瞄准环路视线视线瞄准误差瞄准误差火炮瞄准命令火炮瞄准命令火炮方向火炮方向图图2.6 2.6 自动防空火力控制系统原理图自动防空火力控制系统原理图伺服机构（控制伺服机构（控制绕垂直轴转动）绕垂直轴转动）伺服机

6、构伺服机构（控制仰角）（控制仰角）炮炮 管管 中中 心心 线线视线视线计算机计算机指挥仪指挥仪敏感元件敏感元件图图2.7 2.7 自动防空火力控制系统自动防空火力控制系统2.3.3.1 2.3.3.1 经典控制理论的形成和发展经典控制理论的形成和发展 在代数稳定判据代数稳定判据、传递函数传递函数和频率法判据频率法判据的基础上，再加上W.埃文斯1948年提出的根轨迹法根轨迹法，奠定了适宜用于单变量控制问题的经（古）典控制理论的基础。经典控制理论经典控制理论单变量控制问题单变量控制问题 频率法频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反馈控制系统一般称为自动调节系统

7、，后称为自动控制系统。因此，调节器现在也称为控制器。调节器现在也称为控制器。19451945年年，美国数学家、控制理论专家N.N.维纳维纳把反馈反馈的概念推广到生物等一些控制系统。19481948年年他出版了名著控制论控制论一书，为控制理论的发展奠定了基础。19541954年年，中国科学家钱学森钱学森全面地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很 有 影 响 的 工 程 控 制 论工 程 控 制 论(Engineering Cybernetics)(Engineering Cybernetics)一书。2.3.3.2 2.3.3.2 局部自动化的广泛应用局部自动化的广泛应

8、用 第二次世界大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机(Electronic Analog Computer)来设计自动控制系统。2.3.3.3 2.3.3.3 电子数字计算机的发明电子数字计算机的发明 19431946年，美国电气工程师J.埃克脱(Eckert)和物理学家J.莫奇利(Mauchly)为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机(Electronic Digit Computer)电 子 数 字 积 分 和 自 动 计 数 器(ENIAC)。2.3.4 2.3.4 综合自动化时期（综合自动化时期（2020世纪世纪5050年代末起至今）年代末起至今）复

9、杂工业过程和航天、航海技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。但经典的控制理论的直接应用遇到了困难。20世纪70年代微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。2.3.4.1 2.3.4.1 现代控制理论的形成和发展现代控制理论的形成和发展 公元公元19561956年年，前苏联数学家JI.JI.庞特里亚金庞特里亚金提出极大值原理极大值原理。同年美国数学家R.R.贝尔曼贝尔曼创立动态规划动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。19601960年年美国数学家R.R.卡尔曼卡尔曼提出能能控性和能观性控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。现

10、代控制理论迅速发展，形成了多个重要分支。现代控制理论现代控制理论多变量控制问题多变量控制问题 系统辨识、建模与仿真,系统辨识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。自适应控制和自校正控制器 遥测、遥控和遥感 20世纪20年代，遥测和遥控开始在铁路信号和道岔控制上实际应用。被控对象被控对象自适应控制器自适应控制器反馈控制器反馈控制器校正作用校正作用输出输出干扰干扰控制输入控制输入图图2.8 2.8 自适应控制框图自适应控制框图被控对象被控对象辨识器辨识器反馈控制器反馈控制器参数参数输出输出干扰干扰控制输入控制输入图图2.9 2.9 自校正控制框图自校正控制框图 综合自动化 20世

11、纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的工厂，20世纪60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。大系统理论的诞生 大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过分解协调以较短时间计算出优化结果，使需要在线及时求取的大系统优化解并实施优化控制成为可能。大系统：大系统：规模宏大或结构复杂的系统规模宏大或结构复杂的系统 模式识别和人工知能 使用电子数字计算机并使它能直接接受和处理各种自然的模式 消息，如语言、文字、图像、景物等，称为“模式识别”，如对汽车牌照的识别以控制和管理交通，对指印的识别以甄别罪犯，对汉字的识别

12、以实现办公自动化等。智能控制系统的诞生 随着人工智能研究的发展，人们开始将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制技术解决得不好或者不能解决的控制问题。智能控制系统：智能控制系统：具有一定人类智能功能的系统具有一定人类智能功能的系统 它将人工智能中的专家系统专家系统、学习控制学习控制、模糊逻辑控制模糊逻辑控制和具有多层感知器的神经网络神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统，例如智能机器人便是一例。智能控制理论智能控制理论复杂系统的控制问题复杂系统的控制问题2.4 2.4 中国的自动化教育

13、和科研机构中国的自动化教育和科研机构 自从1950年在上海交通大学为电机系本科生和研究生开设“伺服机构原理”课程以后，1953年在高等院校电机（力）系开始逐步设置了“工业企业电气化”专业（自动化专业的前身）。该专业的课程设置中有“自动调节理论”课程，即现在的“自动控制理论”课程。当时类似课程在电类其他专业的教学计划中也都设置了，如在“发电”专业的教学计划中设置有“电力系统自动化”课程以及“电力系统远动学”（即远距离测量和控制学）。这两个自动化类专业为中国培养了大批专业人才。1957年中国科学院成立了自动化研究所，20世纪60年代中叶又成立了中国科学院沈阳自动化研究所。以控制论专家钱学森、张钟俊、钟士模、郎世俊郎世俊和关肇直为代表的老一辈自动控制专家对中国的自动化教育和自动控制理论发展以及在国防上的应用作出了极其重要的贡献。在他们的教育、培养和带动下，新一代的自动控制专家茁壮成长，其中涌现了一批科学院院士和工程院院士。