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
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