自动化导论-第一章-绪论

自动化概论林小峰广西大学电气工程学院[e-mail]参考文献1.周献中.《自动化导论》.科学出版社2.戴先中.《自动化学科概论》.高等教育出版社.3.教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会.《自动化学科专业发展战略研究报告》.高等教育出版社.4.万百五.《自动化（专业）概论》.武汉理工大学出版社.5.龚元明.《电气信息科学》.新时代出版社.6.冯飞等.《新能源技术与应用概论》．化学工业出版社.第一章绪论1.1常见的控制现象和自动化技术1.2基本概念和术语1.3控制理论和自动化技术发展史1.4自动化与自动化学科、专业1.1常见的控制现象和自动化技术1.1.1控制的身影随处可见2008年8月8日，作为北京奥运会重头戏之一的开幕式，将此次奥运会三大理念之一的“科技奥运”展现得淋漓尽致。创新方案和高新技术的大量结合，使得北京向世界完美呈现了一场精彩的文化视觉盛宴。北京奥运会开幕式采用了历届奥运会最复杂的技术系统，应用了大量世界尖端的新技术，涉及多个领域，包括地面升降舞台、焰火、地面LED系统、指挥系统、通信系统等。此外，航天材料也被运用到了开幕式上。•2008奥运会降雨量控制2008年8月8日晚20~24时，一条暴雨云带自西南向东北顽强地向北京城进发，向“鸟巢”进发，但气象部门自2008年8月8日下午16时到23时39分，共在北京21个作业点持续发射1104枚火箭弹，最终将其成功拦截在北京城外。•2008年北京奥运会主火炬控制主火炬直径3m多、行程11m多，运行控制误差不到2mm，精确度达到万分之二。根据反馈信息，控制系统能够自动调整设备运行方向、速度。其中燃烧塔火焰调节装置、长明火燃烧器、高能点火器、回旋式燃烧器等，均获得国家知识产权局实用新型专利。•“神舟七号”---“神舟十号”和“天宫一号”飞船控制无论从功能、结构、设计以及实现的角度来看，神舟七号都是一个极为复杂的大系统，而这个复杂的大系统又是由航天员系统、飞船应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统等七个子系统组成。这七个子系统又由各自相应的子系统组成，组合在一起就形成了展现在世人面前的具有特定功能的神七飞天系统。四大任务：出仓活动、科学实验、释放小卫星和太空中继终端的试验两个重达8吨的飞行器在距离地面350公里的位置上进行对接，要求误差十几厘米。两个重达8吨的航天器均以每秒7.8公里的速度高速飞行，要准确控制这两个高速动态飞行器的相对位置和相对高度，就好比在太空中打两个“移动靶”。•典型的控制过程___伸手去取一件物品的过程大脑通过神经系统传递信息操控手移向目标物品，眼睛将手和物品等信息传递给大脑，并有大脑将此信息进行处理后决定前进方向和速率，再将此结果用于操作手（臂）的动作。整个过程虽简单迅速，但不失为一个完整的控制过程。人眼大脑手臂偏差指令手的位置反馈杯子的位置1.1常见的控制现象和自动化技术1.1.2一起进入到自动化时代人类社会的发展历史是人类利用各种控制手段获取能量进而改造外界环境的历史。时代的划分的依据是人类在开发、利用能量变换和信息变换的不同方式。1.人工（人力）时代人类利用自身的体力获取所需的能量，依靠自身的肌体和大脑来完成能量变换和信息变换。2.机械化时代1788年，蒸汽机在工业的应用，人类社会进入机械化时代。1.1常见的控制现象和自动化技术1.1.2一起进入到自动化时代3.电气化时代20世纪初，发电机、变压器、电灯、电网、电动机等的广泛应用，人类社会进入电气化时代。4.自动化（信息）时代21世纪是自动化时代，在自动化时代中，不仅能量变换，而且信息变换都可由机器来完成。半导体、集成电路、无线电、电子计算机等的先后问世，这些技术几乎同步解决了信息变换的速度问题。日常生活空调：室内的温度汽车的方向和速度洗衣机工业生产电网电压电机转速锅炉的温度和压力机器人的控制人体温度和血压计划生育和人口控制市场经济中的商品质量和价格的控制生物工程1.2基本概念和术语1.2.1举例：水温的手动控制和自动控制在手动控制系统中，图中的操作员要用手（通过感觉）来测试水温，并将其与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定他的手对阀门的控制动作。在自动控制系统中，图中的测温计（传感器）代替上面的手测试水温，用跟给定水温值比较后的差值对调节阀进行调节，从而调节蒸汽的进入量，使水温朝给定值方向变化，实现对水温（控制量）的控制。上例中涉及到的基本概念有：1）控制（Control)：定义为“为达到某种目的，对某一对象施加所需的操作。”含有“调节/调整”，“管理/监督”，“运用/操作”等意思。控制器○驱动器控制对象目标值误差控制信号操作量传感器控制量＋－2）控制对象：指物体、机器、过程（程序）或经济、社会现象等一般广泛的的系统。3）控制装置（控制器）：为了对控制对象进行控制的而附加的装置叫做控制装置或控制器。4）控制量：在表示控制对象状态的量中，想实现控制的目标量，比如控制电动机速度的转速、炉内温度等叫做控制量。5）目标值：把所希望的转速、水位、位置、温度等叫目标值。6）传感器：将位移、速度、力、光度等物理量和浓度、成分等化学量转换成电气信号的装置总称为传感器。7）驱动器：驱动器是将从控制器接收的信号变换为大功率的操作量的部分。8）反馈控制方式：反馈控制方式就是测出控制对象的输出量，同目标值进行比较得到偏差值，然后对控制对象进行控制以减少乃至消除偏差。控制器○驱动器控制对象目标值误差控制信号操作量传感器控制量＋－9）手动控制：由人本身通过判断和操作进行的控制叫做手动控制。10）自动控制：由控制装置自动进行的控制叫自动控制。自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。1.2.2系统与控制系统(System)：由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。如构成系统的组成部分本身也是系统，则称之为子系统。对于一个具体的系统，系统环境：系统以外的部分。系统边界：系统与系统环境的分界。1.2.2系统与控制系统输入：系统环境对系统的作用。系统输出：系统对系统环境的作用。系统输入系统输出系统环境系统边界系统工程：研究大系统和复杂系统。1.2.2系统与控制控制(Control)：为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。所有系统分为可控系统和不可控系统。不可控系统无法进行人工控制、干预；可控系统可进行人工控制、干预。1.2.3反馈、调节与决策反馈(Feedback)：将系统的实际输出与期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。反馈正反馈PositiveFeedback负反馈NegativeFeedback(反馈信息使系统输出的误差逐渐增大)(反馈信息使系统输出的误差逐渐减少)1.2.3反馈、调节与决策调节(Regulation)：通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。调节：以反馈为基础。控制闭环控制：以反馈为基础。开环控制：无反馈。1.2.3反馈、调节与决策决策(DecisionMaking)：为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。如何科学地进行决策是各项工作顺利开展的重要保证，也是本学科近年来研究和发展的新领域之一。1.3控制理论与自动化技术发展简史一自动装置的出现和应用（18世纪以前）二自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）三局部自动化时期(20世纪40-50年代)四综合自动化时期（20世纪50-90年代）五集成自动化时期（20世纪90年代至今）1.3控制理论与自动化技术发展简史一、自动装置的出现和应用自动化技术源远流长。人类自古以来就不断的创造一些巧妙的自动装置，用以减少或代替劳动。中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，其中比较著名的有下述的：指南车、铜壶滴漏、饮酒速度的自动调节、计里鼓车、候风地动仪等等。1）指南车一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。是一种马拉的双轮独辕车。无论车转向何方，都能使其上的木人的手臂始终指向南方。2)饮酒速度的自动调节这是一种竹制饮酒管。饮酒时吸地太快或太慢，小孔都会被饮酒管中的小鱼自动堵塞，这种浮子式阀门可以用来保持均匀的饮酒速度。3）铜壶滴漏——中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。4）候风地动仪张衡发明的地动仪是用青铜制造的，形状像一个酒坛，四围铸着八条龙，龙头伸向八个方向。每条龙的嘴里含着一颗小铜球，龙头下面，蹲了一只张着大嘴的蛤蟆。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就告诉人们那边发生地震。二、自动化技术形成时期公元1788年J.瓦特发明离心式调速器19世纪末詹姆斯·瓦特发明蒸汽机的同时发明了离心式调速器，离心式调速器是最初的控制装置。离心式调速器能够自动调节进气阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速。这是现代自动化发展中的第一个里程碑。但是随着离心调速器的蒸汽机的普及，人们发现调速器舞蹈（摆动）现象，即某种使用条件下，蒸汽机的转速和调速器的套筒位置都周期性的发生很大变化，即系统会发生震荡（不稳定）。这就迫使一些科学家对控制系统的稳定性问题进行了进一步的研究。三、局部自动化时期1.经典控制理论的形成和发展2.局部自动化的应用三、局部自动化时期1.经典控制理论的形成和发展1932年，奈奎斯特（Nyquist)提出代数稳定判据1945年，伯德（H·W·Bode)提出传递函数1948年，伊文思（N·Evans）提出根轨迹法1948年，维纳（N·Wiener)发表控制论—关于在动物和机器中控制和通信的科学。这标志着控制论的出现。自动化发展简史的启示蒸汽机调速器1788188019001920麦克斯韦(1868)《论调节器》劳斯判据(1877)注：麦克斯韦推导出蒸汽机调速器的微分方程，并分析稳定性，是对反馈控制稳定性的第一次系统的研究控制系统的发展推动了经典控制理论的发展与形成蒸汽机调速器推动了反馈系统的稳定分析轮船掌舵系统，电话系统和火炮系统推动了经典控制理论的产生与发展轮船自动掌舵系统（1911）电话系统M9火炮指挥控制系统19431910轮船自动掌舵系统（1922）PID方法奈奎斯特稳定性（1932）19351940Zicglcr-Nichols(1942)PID参数整定方法1950伯德图(1945)埃文斯(1948)根轨迹数学工具1、拉普拉斯变换(1805-1827)飞机导航与控制问题在贝尔实验室中解决电话通讯系统的问题采用PID控制并可以自动调节增益来补偿海洋环境带来的干扰对轮船位置控制系统有了一个清晰的分析，并推导出了PID控制律布莱克(1928)负反馈放大器195019601970贝尔曼(1945)动态规划卡尔曼(1960)《控制系统一般理论》状态空间描述、能控、能观3.2实现技术与需求推动了现代控制理论的形成与发展计算机与航天需求推动了现代控制理论的形成电子管计算机（1946）晶体管计算机（1959）集成电路计算机（1964）庞特里亚金(1959)极大值原理阿波罗计算机控制系统1961-1975空间飞行器和导弹的登陆、导航与跟踪的需求推动数学工具1、亨利·庞加莱，状态空间表述方法(1875-1906)197019902000RTO与MPC方法数字计算机、通讯技术与工业需求推动了控制技术和先进控制的进一步发展ICI公司过程控制系统1962PLC控制系统基于RTO与MPC的乙烯生产过程优化系统1980F14熊猫战斗机嵌入式控制系统1970DCS控制系统Culteret.al(1979)动态矩阵控制DMCRlchalet(1977)模型算法控制MACPLC(1969)嵌入式系统(1968-1971)第一代PLC控制系统以代替继电器实现逻辑控制为主DCS(1975)现场总线(1980s)无线网络(1990s)数学工具1、奥尔登伯格和萨托里厄斯(1948)差分方程2、拉格兹尼和扎德(19