信息技术导论自动化(精).ppt

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1、1,信息科学导论,自动化学科,2,1 控制、自动化的基本概念及其发展简史,3,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。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些

2、物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。,控制的含义？,现代汉语词典的控制含义是“掌握住不使任意活动越出范围”。辞海中的解释是“驾驭；支配”。从管理哲学上思考，它的基本涵义是，控制是一种社会现象，具体说是一定的社会主体-通常大量地表现为为了实现某种特定目标而组织起来的社会群体，在变革客体对象的过程中，通过具体的指挥和协调机制，来实现所预期追求的某种价值目标的活动。,4,1.2 控制和自动化的概念,5,狭义的自动化 指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按预期规定运行过程中满足一定性能指标。自动化主要研究的是人造系统的

3、控制问题。,6,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。除了研究人造系统的控制问题外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。不过广义的自动化和自动控制是相同的，目前学术界已把自动化和控制等同起来。,受控制对象模型建立；控制算法设计；给定目标；评价体系,7,控制问题的核心：,一门技术科学、一门应用基础科学 研究的基本任务是为自动化技术（包括设计、制造、控制和管理计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程控制系统CIPS等先进自动化系统）和控制工程（包括控制航天器这样的设备）提供科学理

4、论基础。致力于带有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究，使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用。,8,自动化科学的定位与任务,一门工程应用技术 研发的基本任务：一方面将自动化科学原理与方法转换为工程实用技术（包括工具和手段），使之能应用于工程实际，将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力；另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼、抽象成为科学问题，为自动化科学研究提供新的研究对象。,9,自动化技术的定位与任务,相互依存关系自动化科学与技术是自动化的源泉与基础；其物化是自动化设备与系统；其应用包括自动化设计、自动化制造、自动化工程、自动化管理、自动化决策、自动化运行等。自动化（

5、应用）是自动化科学与技术的用武之地；是自动化专业毕业生的主要用武之地。,10,自动化与自动化科学技术的关系,11,自动化技术的两个方面,动力方面的自动化技术 工业化 人的手、脚、各种感觉的延长,信息处理方面的自动化技术信息化 延伸人的信息获取、处理和决策控制等功能,比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低。,12,把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、无人侦察机、导弹（无人）,基本作用（传统观念）,完成人无法完成的工作 管道机器人（各种油管、水管）、水下6000米机器人,1.3 自动化的作用与地位,13,扩展作用

6、管理、经济、金融过程智能化,自动化在国民经济、国家综合实力中起着举足轻重的作用，并且其作用越来越重要。自动化在人民日常生活中亦将起着举足轻重的作用。,14,自动化与工业化的关系 工业化特点：专指工业，尤其是制造业 工业化发展三阶段：,机械化（大规模使用机器系统）电气化（加入电机、电网络）自动化（加入自动控制器）,实现了自动化，就完成了工业化 目前来说：自动化是工业化的最重要标志（国内从总体来说，已机械化、电气化）,自动化在工业化中的作用,15,自动化与信息化的关系 信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业 仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：一定要在工业化的基础上,数字化（大规模使用数字计

7、算机）网络化（实现计算机网络）先进自动化（综合集成了系统、管理）,实现先进自动化，就完成了（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志（国内从总体来说，数字化、网络化已有一定规模）,自动化在信息化中的作用,16,工业化与信息化的关系图,17,（基础）自动化（核心是控制）是工业化完成与否的标志 自动化技术是工业化的核心技术先进自动化（核心是信息、控制、系统）是信息化完成与否的标志 先进自动化技术是信息化的核心技术,18,控制科学与工程 学科,学科组成示意图,自动化 自动控制 控制理论 电气工程与自动化 工业自动化 机械制造自动化 电力系统自动化,19,2 自动化的基本原理,20,一个典型的自动

8、控制系统由下列基本部分组成：,(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程(2)给定环节 产生给定输入信号的环节(3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置(4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较(5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标(6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作,2.1自动控制理论,21,自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：,系统的模型 系统的分析 控制系统的综合,不同特色的理论和技术体系(1)经典控制理论(2)现代控制理论(3)大系统

9、理论和智能控制技术,22,工程技术领域的被控对象不同的分类法,（1）按被控对象的特性可分为线性和非线性（2）按被控对象结构参数可分为定常和时变（3）按系统传输信号的性质可分为连续系统和离散系统（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统和随动控制系统,2.2 被控对象及其数学模型的建立,23,建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。解析法-建立起输入与输出之间的因果关系实验法-把需建模的对象看成为一个“黑箱”,24,复杂系统的建模，会存在更多的困难：对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达式去描述。对于变量多的系统，其数学模型将是

10、高阶微分方程或大维数的状态方程。实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。,25,1、自动控制系统的基本性能要求一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态，处于平衡状态时称为静态。自动控制系统动态过程常见形式：,2.3 自动控制基本原理,26,自动控制系统的基本性能,稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个控制系统过渡过程的好坏。快速性 准确性 对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行的。,27,2、开环控制与闭环控制开环控制和

11、闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。,1）开环控制,扰动补偿控制，也称为“前馈控制”,28,2）闭环系统 自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。,29,液位自动控制系统,30,比例控制 比例+积分控制 比例+微分控制,在实际的自动控制系统中，为保持系统具有良好的动态特性和静态特性，往往使控制器同时具有比例、微分、积分

12、控制作用，构成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I（积分）D（微分）控制。,3、控制规则的确定是控制器设计的核心,31,4、非线性系统控制及其困难非线性系统是指含有非线性元件的系统，需用非线性微分方程或状态方程描述。,饱和特性,典型非线性特性,32,非线性控制系统与线性系统相比的特点：线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参数，与系统的初始条件以及外加输入无关。对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。,33,非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反

13、馈线性化方法 基于微分代数的代数方法各种智能控制方法,34,1、从模拟量到数字量 绝大多控制系统的被控量是连续时间信号 计算机等数字运算装置只能处理数字信号,连续信号变换为离散信号的采样过程,2.4 数字控制及计算机控制系统,35,2、计算机控制 A/D和D/A构成了计算机与自动控制系统其它部分联系的桥梁，一个采用计算机控制的典型自动控制系统可以表示成下图。,36,数字计算机的工作需要硬件和软件两大支撑条件，一个计算机控制系统也必须包括硬件和软件两部分。,37,3、基于网络技术的计算机控制1）计算机集散控制系统DCS,38,2）现场总线控制系统(FCS),39,3）可编程序控制器系统PLC,4

14、0,OMRON公司开发的PLC网络,41,1、信息获取传感器传感器的任务 检测系统内部或外部的物理参数，以获取相应的信息待测量的物理量 电压、电流等电量 温度、流量、物位、成分等非电量,2.5 自动化基本设备,42,传感器种类繁多 按被测参量 温度传感器、流量传感器、位移传感器、速度传感器、荷重传感器等 按信号转换机理 电阻式、电容式、电感式、压电式、霍尔式 按输出信号形式 模拟式传感器、数字式传感器,43,传感器的要求(1)精确性 传感器的输出信号必须精确地反映被测量的变化，它们之间应该是严格的单值函数关系，最好是线性关系。(2)稳定性 传感器输出与被测量之间的单值函数关系不应受时间及工作环

15、境的影响，有好的重复性。(3)灵敏性 传感器的输出信号能反映被测量较小的变化。,44,2、信息传输信号转换与传输网络 自动控制系统的通信网络与商业通信网络相比较，在技术性能上有如下特点：(1)高实时性要求。网络堵塞以及网络传输引起的大延时在控制系统中都是不允许的。(2)高可靠性、高安全性要求。网络传输过程中引起的信息出错及信息丢失将导致控制系统错控或失控，也是不允许的。(3)良好的确定性要求。网络传输的信息必须语义明确，解释单一。,45,3、信息处理控制器控制器外部信息内部信息被控制对象的控制信号控制器类型 传统的模拟控制器 现代的控制器为计算机,46,4、信息应用执行器执行器信息处理的落足点

16、，实现对信息的应用 执行器是信息流对能量流、物质流的转换装置，执行器将控制信号变换为导致被控量按要求变化所需要的能量或物质。电机调速系统的执行器晶闸管触发及整流装置 蒸汽加热温度控制系统的执行器电动调节阀 水箱液位控制系统的执行器电动阀门,47,2.6 小 结,48,3 控制与自动化技术的应用范畴,3.1 引言,49,机械制造自动化 过程工业自动化电力系统自动化 飞行器控制 智能建筑 生物控制 生态与环境控制 社会经济控制,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至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制

17、与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。,3.2 机械制造自动化,50,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20世纪50年代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段，正向计算机集成制造(CIM)发展。,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，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。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，

18、频繁地更新换代。,51,图5.1 计算机数控系统结构图,数字控制（简称数控）灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化制造技术,一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产技术数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。简单地说，数控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(PC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图5.l所示。,柔性制造系统(FMS),52,柔性制造系统（简称FMS）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。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包

19、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、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制造系统一般包括以下要素：(1)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多个工位的加工型及装配型的数控机床）；(2)在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；(3)发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；(4)中央刀具库及其管理系统；(5)自动化仓库及其管理系统。,53,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

20、行自动化生产，而且还能在定范围内完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。,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,柔性制造系统结构图,计算机集成制造系统(CIMS),54,计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料

21、流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的完整的生产系统。,计算机集成制造系统组成框图,3.3 过程工业自动化,55,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，称之为过程工业。,过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。,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过程控制，它是过程工业自动化的核心内容。过程控制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，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。,56,早期的

22、过程控制系统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。,但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System，简称DCS)。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。,基于计算机技术的过程控制系统,57,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,

23、其他系统,分布式计算机控制系统,直接数字控制系统,计算机集成生产系统的结构模型,58,生产过程计算机集成控制系统是一种综合自动化系统。目的是要使企业用最短的周期、最低的成本、最优的质量，生产出适销对路的产品，以获取最大的经济效益，增强国内外市场的竞争能力。,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行集成，并求得全局优化,3.4 电力系统自动化,59,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监

24、控。由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。,3.5 飞行器控制,60,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。,61,飞行器控制系统的构成,62,控制系统的主要任务是：控制飞行器有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。控制系统的作用就是消除或减小干扰

25、和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,63,飞行器是六自由度运动体，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(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)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。,所谓导航，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数的系统则称为导航系统。,64,追踪法示意图,制导系统的主要功能是利用导航系统提

26、供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。,3.6 智能建筑,65,智能建筑的概念及构成 智能建筑，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。,智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视(或卫星电视)、计算机通信、购物、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或

27、特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化，简称BA)系统、通信自动化，简称CA)系统和办公自动化，简称OA)系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,66,3A智能建筑的构成,三大基本要素：楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统。,楼宇自动化系统,67,对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视、或节能控制、非正常运行状态报警。并通过与办公自动化及通信自动化系统的综合设计，支持面向用户的服务功能，提高大楼的舒适性、安全性、节能性，降低费用，实现高度的集成化管理。,传统的楼宇自动化系统采

28、用的是集中监视、集中控制的方式。图5.13 集中式楼宇自动化系统的结构,68,由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。,系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。,分布式楼宇自动化系统,楼宇自动化系统的构成,69,通信自动化系统,70,通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图像的基本通信网络；实现楼层间(内)各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局

29、域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的楼群或楼内高速主干网以及与公共信息资源(如Internet)相通的远程数据通信网。,图5.15 智能建筑的通信网络结构,办公自动化系统,71,办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。,综合布线系统,建筑与建筑群综合布线系统主要是针对计算机和通信设备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信号的不同要求。,智能大楼布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，它能连接话音、图像和数据

30、以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统。,3.7 生物控制,72,生物控制的研究内容及特点,具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行为控制、仿生学等等。,神经控制,仿生技术,73,仿生技术研究的内容有五个方面：,(1)信息仿生 包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动物间通信仿生，以及智能仿生等方面。,(2)控制仿生 包括体内稳态调控、肢体运动控制、动物的定向导航、生态系统的涨落等。,(3)力学仿生 是关于动物飞行、运动动力学的研究。,(4)

31、化学仿生 研究生物体内一些特殊的化学过程，以便使这些过程也能在工业中实现。,(5)医学仿生 研究用人工仿制品代替人的有机体的某一部分。,就是用人造装置对有生命物质进行模拟。仿生就是用人造装置对有生命物质进行模拟。,3.8 生态与环境控制,74,生态控制 生态控制的基本任务之一是用系统和信息观点和方法分析、设计、规划和控制人工生态系统、资源的合理利用和再循环、环境的综合治理和优化以及在新的生态平衡格局下人类怎样适应和协调。,环境控制 将环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行为，使人们的生存环境质量维持在一个良好的水平。环境控制中的控制行为主要有三个方面：局部污染处理、综合环境治理和环境系统管理。,3.9 社会经济控制,75,(1)将社会经济系统（Socioeconomic System）看成是一个具有反馈调节，特别是信息反馈的控制系统；,（2）对社会经济系统进行定量的描述与处理，以求达到最优控制，作出有效、合理的经济决策;,(3)社会经济控制的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。,