《电气工程与自动化专业概论》.ppt

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1、1,电气工程与自动化专业概论,2,课程主要内容,电气工程与自动化大类专业的结构及其沿革（包括:电气工程及其自动化 和 自动化 两个专业）,自动化专业概论,一、自动化的概念,二、自动化的研究内容,三、自动化的作用,四、自动化专业的特点,五、控制和自动化技术发展简史,六、控制与自动化技术的应用范畴,七、控制科学和自动化技术的展望,结束,3,电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革,1）电气信息类（电类）专业设置,电工类（强电）,电子与信息类（弱电）,1993年本科专业目录：,1998年本科基本专业目录（电气信息类）：,电子信息工程通信工程电子科学与技术计算机科学与技术（弱电专业）,1998年本科引导

2、性专业目录：,4,1994年全国高校相关的专业设置情况（按93年专业目录）电机电器及其控制 20 高电压与绝缘技术 6 电力系统及其自动化 37 电气技术 55 工业自动化 157 自动控制 40,2）专业分布状况,5,3）研究生的对应学科专业,电气工程及其自动化,自动化,一级学科 电气工程*,控制科学与工程*,6,一、自动化的概念,水温的手动控制,水温的自动控制,水温的控制:,什么是自动化？,7,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赫兹、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制频率、电压这两物理量为恒值，这要采用自动调频

3、和自动调压装置。,在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力，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，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、卫生洁具水箱的水位保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。,8,防空导弹制导控制系统,自动导弹,测试与发射控制,9,自动化包含了两层基本意思：所谓“自动”的，即没有人或很少人直接参与；,自动化的概念,自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。,虽然没有或不需要人，

4、但肯定应按人的要求去做。,自动化是指设备、过程或系统，在没有人或较少人的参与下，按照人的要求，通过自动运行或自动控制，完成其承担的任务。,系统是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。,自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。,10,开环控制和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。,开环控制与闭环控制,1.开环控制,水箱液位开环控制,11,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

5、效控制，达到消除或减少偏差的目的。,2.闭环系统,水箱液位闭环自动控制,12,一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：,给定环节：产生给定输入信号的环节,测量环节：随时将被控制量检测出来的装置,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,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,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,被控对象：控制系统所要控制的设备或过程,13,自动化基本设备,传感器：信息获取,信号转换与传输网络：信息传输,控制器：信息处理,执行器：信息应用,14,二、自动化

6、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。,自动化指挥系统,公路智能系统,15,自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。,自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广。自动化是一门名副其实的多学科交叉学科。,l其它学科向自动化扩展 机械工程及其自动化 电气工程及其自动化 动力工程及其自动化 甚至：农业工程及其自动化 交通运输自动化,16,三、自 动 化 的 作 用,1.自动化在工业化进程中的作用和地位,工业化的标志是“现代工业”在国民经济中占主要地位。“现代工业”本身是一个发展的概念，世界范围的工业化进程大致可分为顺序发展的三个阶段：机械化、电气化、自动化,自动化

7、是新型工业化的最重要标志。,17,2.自动化在信息化进程中的作用和地位,对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展与应用的角度，到目前为止，“信息化”发展也可分为三个阶段顺序为：计算机化（或称为数字化）、网络化、系统化（或称为集成化）,18,对工业，尤其是对制造业来说，信息化就是：,在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在自动化的机电系统中进一步使用数字计算 机计算机化；,再进一步联网网络化；,继而引入系统与管理系统化或集成化，从而构成计算机集成制造系统CIMS与计算机 集成过程系统CIPS，成为更先进的自动化系统。,19,发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：,机械化：在各种生产中

8、大规模使用机器系统；,电气化：在机器系统中普遍使用电机与供电网络；,基础自动化：在机电系统中进一步加入自动控制器；,计算机化：在自动化机电系统中大规模使用计算机；,网络化：在自动化机电系统中大规模实现计算机联网；,先进自动化：综合集成了系统观念与管理理念。,20,“工业化”三阶段与工业“信息化”三阶段有相当明显的一一对应关系：,对于工业，“信息化”实质上就是“更先进的自动化”。“先进自动化”是制造业“信息化”的最重要标志之一。,21,3.自动化的作用,1）提高社会生产率和工作效率；,2）节约能源和原材料消耗；,3）保证产品质量；,4）改善劳动条件，减轻体力和脑力劳动；,5）改进生产工艺和管理体

9、制；,6）完成人无法完成的工作；像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下替代人完成各种作业。,7）扩展作用管理、经济、金融过程智能化。,22,国家863高科技发展计划,（原则：有所为，有所不为）,分6个领域：,自动化、能源、信息、新材料、生物与农业、资源环境（海洋）,就有一个自动化领域,分CIMS主题、机器人主题,23,四、自动化专业的特点,国家对该专业的定义是：培养出能够从事运动控制、工业过程控制、电力电子技术应用、检测与自动化仪表、计算机技术、信息处理等领域的系统分析、设计、研究、管理与决策的高级工程技术人才。,自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。,（1）学科特点,（2）研

10、究、应用特点,研究的内容宽、广，并且，伴随其它技术发展，越来越广。,控制学科具有鲜明的方法论的色彩。,24,自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相结合（3C:Control Computation Communication）。,（3）学自动化的特点,是一个符合学科专业结构调整方向的宽口径的专业。,特点：面向控制对象，强调系统组成，强弱电并重、软硬件兼顾；强调从理论到实践，其自然科学性与工程技术性并存，它的发展与国民经济的发展息息相关。,自动化专业宽基础、宽专业面，需要学的知识多，并要求扎实。,在工科的学生中，自动化专业学习的计算机内容仅次于计算机专业。,自动化专业的学生适应面宽、就业

11、好。,25,五、控制和自动化技术发展简史,自动装置的出现和应用（18世纪以前）,自动化技术形成时期（18世纪末至 20世纪 30 年代）,局部自动化时期（20世纪40-50年代）,综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）,26,（1）自动装置的出现和应用（18世纪以前）,中国和巴比伦出现了自动计时装置刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。,1）古代自动装置,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,27,中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的

12、候风地动仪。,候风地动仪,28,公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。,“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中。,水运仪象台,29,17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：,2）近代自动装置,法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；,荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表；,英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；,俄国机械师.波尔祖诺夫（）于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子

13、式阀门水位调节器。,30,（2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）,公元1788年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。,31,对象和调节器形成调节系统,反馈 控制（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依 据。,反馈调节（控制）系统,前向通道,反馈通道,32,1）自动调节的广泛应用,公元1868年法国工程师J.法尔科（Farcot）发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构（Servo-mechanism）。,20世纪20-30年代，美国开始采

14、用PID模拟式调节器（比例-积分-微分调节器）。现在还在许多工厂中采用。,自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节系统（Automatic Regulation System）。,由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。,33,2）自动调节系统的稳定性（Stability）问题,当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种稳定判据。,在拉普拉斯（Laplace）变换的基础上，引入传递函数（Transfer Function）的概念，成为分析自动调节系统的重

15、要工具。,稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基关于船舶自动操舵的稳定性和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的关于伺服机构理论的论文标志着经典控制理论的诞生。,34,（3）局部自动化时期(20世纪40-50年代),经典控制理论的形成和发展,局部自动化的广泛应用,电子数字计算机的发明,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。,35,自动防空火力控制系统,36,在代数稳定判据和传递函数的基础上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根轨迹法（Root Locus Met

16、hod），奠定了适用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。,随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题等的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有新的发展。,1）经典控制理论的形成和发展,依据频率响应的频率法（或称频域法，Frequency Method）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，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统（Automatic Control System）。因此，调节器现也称为控制器。,37,2）局部自动化的广泛应用,二次大战后

17、，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。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。,在20世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。,38,3）电子数字计算机的发明,目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。,电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电

18、路的四个发展阶段。,电子数字计算机的发明，为60-70年代开始的在控制系统广泛应用的程序控制、逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。,39,（4）综合自动化时期（20世纪50年代末至今）,复杂工业、复杂工业过程和航天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。,现代控制理论的形成和发展,1956年前苏联数学家.庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。,1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。,以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。,卡尔

19、曼引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈控制律，为自动控制系统给出了最优调节器的概念。,40,现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：,（1）系统辩识、建模与仿真,经典控制理论是以传递函数为基础，提供系统的输入/输出外部信息。主要研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析和设计，并在工程上比较成功地解决了简单控制系统的控制问题。,现代控制理论是建立在线性代数的数学基础上，以状态空间法（State Space Method)为基础。不仅提供系统的外部信息，而且能提供系统的内部信息。对研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能等更广泛、更复杂控制系统的分析和设计提供了有效的

20、手段。,（2）自适应控制,（3）最优控制,（4）遥测、遥控和遥感,（5）综合自动化,（6）大系统理论,（7）模式识别和人工智能,（8）智能控制,41,1）系统辩识、建模与仿真(System Identification、Modeling&Simulation),系统辩识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修改、复现系统的模型，这就称为系统仿真。,要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品质等重要问题，必须用微分方程、拉普拉斯变换等高等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组成的自动控制

21、系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系统的数学模型。,42,2）自适应控制（Self-adaptive Control）,自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下，改变计算机控制的反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。,计算机,自适应控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。,43,自校正控制系统（Self-tuning Regulator）,计算机,44,模型参考自适应控制系统,45,最优控制器的设计主要应用庞特里亚金提出的极大值原理和贝尔曼创立的动态规划。,3）最优控制（Opti

22、mal Control）,飞行器同样的飞行所消耗的燃料愈少愈好（最省燃料的飞行器飞行控制系统）。或者同样的燃料，飞行的距离愈远愈好。,化学工业的过程控制中，选择一个被控反应塔的温度控制规律和相应的原料配比，使得化学反应过程的产量最多。,这一类的自动控制系统中对于控制都有一定的技术指标，但与以往不同的是：通过设计控制作用要使这个技术指标达到极值（极大或极小）。,最优控制是根据自动控制系统要实现控制要求的技术指标，通过设计控制作用从而使技术指标达到极值（极大或极小）。,46,遥测：对被测对象的某些参数进行远距离测量。,4）遥测、遥控和遥感（Telemetry、Remote Control&Remo

23、te Sensing）,远距离控制(遥控)系统,遥控：对被控对象进行远距离控制。,遥感：利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。,全程遥控,47,5）综合自动化（Synthetic Automation）,20世纪50年代末到60年代初，出现计算机控制的化工厂；,无人加工车间,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（全局）自动化方向发展；,70年代出现用专用机床组成的无人工厂；,80年代初出现用柔性制造系统组成的无人工厂。,48,无人组装车间,49

24、,60年末开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。,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。,6）大系统理论（Large-scale System）,大系统及其控制,高速大型计算机的出现为大系统的研究和大量计算提供了前提条件。,系统工程及应用,50,（一）、大系统的概念 给大系统下定义困难，具体界定也困难。认识一个大系统，只能从它所具有的特征出发。,通常，一个大系统应该具有如下基本特征：（1）由一些子系统组成，规模庞大；（2）子系统间纵横交错，关系复杂；（3）整个系统目标多样，功能综合；

25、（4）系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往 数量较大；（5）具有非线性特性和繁殖、扩展能力；（6）往往是有人参与的系统，人为因素影响大。,大系统及其控制,51,1.集中控制,大系统理论的主要控制方法：将大系统按多层结构或多级结构分解成子系统，采用分散控制的优化控制方法。“化大为小，化整为零”,能对全局作出优化的控制方案，但控制系统反应迟钝，应变能力差，可靠性差。,二、大系统的控制,52,每个子系统的控制器需要处理的信息量少，处理速度快，增强了系统的应变能力，提高了系统局部控制效果；提高了系统可靠性。,每个子系统的控制器只能获得系统的部分信息，而整个大系统缺乏总体控制和协调能力，很难保证全

26、局的控制优化。,2.分散控制,53,(1)分级递阶控制,3.分解协调,54,总目标、总任务,总决策,目标函数、约束条件、模型参数,优化控制决策,控制输出,(2)分层,55,按系统运行的时间顺序进行分解。如生产流水线、导弹飞行控制等。,(3)分段控制,56,一、系统工程的概念 系统工程是一门关于组织管理的技术。对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统广义化。,它包含了如下几方面的意思：(1)它面对的是一个庞大而复杂的对象；(2)它要达到的目标是系统的综合最优；(3)它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些 思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，应用于人们的科研、生

27、产、经济和社会活动；(4)它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与,系统工程及其应用,57,要建造一个系统，通常要经过五个阶段：,系统规划阶段 系统分析阶段 系统设计阶段 系统构建阶段 系统运行阶段,提出问题、定义系统、设定目标,目标分析、收集信息、制定方案,二、系统建立和系统分析,58,工程系统工程：工程体系的设计、组织和管理,软件工程：对一个庞大计算机软件的设计、开发、调试的组织和管理,军事系统工程：军事领域行为的组织和管理,社会系统工程：以社会活动为对象的系统工程,环境系统工程：例如区域生态系统、流域水污染 治理系统,交通系统工程：例如城市智能交通管理系统,企业系统工程：企业的结构

28、调整、新产品研发、市 场预测、全面质量管理、成本核算、材料供应等企业管理系统,三、系统工程的应用,59,模式识别是使用计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。,7）模式识别和人工智能（Image Recognition&Artificial Intelligence）,人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种专家系统；,研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。,60,机器人足球,61,62,8）智能控制（Intelligent Control）,将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。

29、这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。,它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和具有多层感知器的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。,63,智能机器人,水下机器人,64,65,汽车加油机器人,66,67,壁面清洗机器人,擦玻璃机器人,68,飞机清洗机器人,69,家用清洁机器人,70,高压输电线维修（遥操作）机器人,71,采松果机器人,挖树根机器人,72,采摘机器人,嫁接机器人,73,医用机器人,74,中国骨科机器人系统,75,法国远程医疗机器

30、人,76,智能控制系统（Intelligent Control System）,对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析、设计。,智能控制的理论和技术：专家控制系统 模糊控制系统 神经控制系统 学习控制系统 智能优化算法,智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。,77,a）专家控制系统（Expert Control System）,专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的

31、专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。,78,专家控制器的结构,控制器根据反馈环节（传感器）测量被控制量，判断瞬时误差的正负和大小；,然后识别调节过程的特征，如超调（在调节过程中的调节过头）、振荡次数（调节过程中的）和稳态误差等；,再根据以往的控制知识和经验决定：应该施加多大（增加还是减少）的控制器输出至执行机构。,79,b）模糊控制系统（Fuzzy Control System）,系统根据知识和经验在对被控量（输出）的特征用语言信息进行识别；,然后根据模糊控制规则进行复杂的推理和判断，它们也是基于语言信息的；,例如，炉温作为一个语言变量,其温

32、度集T可为:T(温度)=超高,很高,较高,中等,较低,很低,过低,这种模糊控制规则表达知识既方便又有效。,这种语言表达的控制规则，用于控制就形成了模糊控制。,80,c）神经控制系统（Neural Control System）,人工神经元(Artificial Neuron)由计算机模拟一个生物神经元；,在人工神经元基础上发展成人工神经网络，经过训练后可以起控制器的作用，称为神经网络控制器。,81,水轮发电机同步控制系统,fN和N为电网的频率和相位；,fG和G为发电机的频率和相位；,水轮发电机的并网运行的理想条件为：发电机与电网间的电压差u=0，频率差f=0和相位差=0。并网连接时间应尽可能短

33、。该复杂控制系统能实现频率跟踪和相位跟踪的复杂控制方案。,利用两个神经元N和Nf实现水轮发电机双神经元同步控制：,Kf 0和K 0为神经元的比例系统；Zf(t)和Z(t)为控制的性能指标，即测量f和；xi为神经元输入，wi为xi的权系数（i=1,2,5）。,经训练神经元后，双神经元同步控制系统具有良好的控制效果，可直接用于控制水轮发电机的并网运行。,82,d）学习控制（Learning Control）,学习控制是指在控制系统的进程中估计某些信息并据以改善控制的一种控制方法，以便逐步改进控制系统的性能。,学习系统是自适应系统的发展与延伸，它能够按照运行进程中的“经验”和“教训”来不断增长知识、

34、改进算法，更广泛地模拟人类的某些行为（如判断、推理等）。,83,e）智能优化算法（Intelligent Optimal Algorithm）,遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是模拟自然界生物进化过程中的“优胜劣汰，适者生存”的生物进化机制，并模拟人类的优生学原理。利用随机信息交换思想，使生成的子代不断向着优化方向发展，直到满足终止优化条件。,基本步骤为：基因编码、形成初始群体、计算适应度、执行遗传操作和终止操作。,基本思想是：从一组随机生成的初始个体出发，经过对基因的选择、交换、变异等操作，并根据适应度的大小进行个体的优胜劣汰，提高新一代群体的质量，再经过多次反复选代，逐

35、步逼近优化问题的最优解。,84,六、控制与自动化技术的应用范畴,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。,从广度来看，涉及第二产业工业自动化、第一产业农业自动化、第三产业服务自动化（如办公自动化、楼宇自动化、商务自动化、交通自动化等等）；涉及的系统可有人造系统（如机器系统、交通系统、电力系统、军事系统）和自然系统（如生命系统、生态系统）；涉及的过程有生产过程、管理过程、决策过程等等。,85,自动化技术的主

36、要应用范畴：,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,智能交通系统,生物控制,生态与环境控制,社会经济控制,大系统控制与系统工程,86,（一）机械制造自动化,（1）数控技术和数控系统,在产品加工中，对于多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，必须采用一种灵活、通用、高精度、高效率的自动化生产技术数字控制（简称数控）技术。,87,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,现代高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）,88,（2）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）,柔性制造系统（简称FMS）是在计算机直接数控(DNC

37、)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。,89,1913年美国建成最早的汽车装配流水线1926年美国建成第一条汽车自动生产线,现代自动化工厂生产线（国产）,奇瑞、长安汽车冲压生产线,长春汽车焊接生产线,90,（3）计算机集成制造系统(CIMS)（Computer Integrated Manufacturing System）,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

38、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。,91,计算机集成制造系统(CIMS)是面向制造业的集成自动化系统。,特点：(1)系统包括控制和管理两个方面(2)系统采用分级递阶结构(3)系统的信息集成(4)系统的功能集成(5)人的介入和参与,92,（二）过程工业自动化（Process Industrial Automation）,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

39、大参数进行控制的工业，称为过程工业。,随着微处理器和工业计算机技术的发展，基于计算机技术的过程控制系统目前被广泛采用。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。,93,（三）电力系统自动化（Electric Power System Automation）,经济运营需要考虑每个电厂增加单位负荷所需的煤耗量、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最优经济运营。,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。,安全供电离不开自动化,经济运营需要

40、自动化,供电质量需要自动化,供电质量主要指频率质量和电压质量。频率变化是电力系统内电力盈亏的标志，电力系统运行中，需要自动调频装置来根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器；电压过低则电灯不亮、荧光灯不能启动、烧坏电动机等。,94,（四）飞行器控制（Flyer Control）,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。,导弹与控制,95,（五）智能建筑（Intelligent Building）,智能建筑可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真

41、、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特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。,96,（六）智能交通系统（Intelligent Transportation System）,智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市道路、桥梁等设施的庞大的运输网络，也可应用于数量日益增多的各种车辆。,智能交通系统的主要内容：1.出行与运输管理系统 2.出行需求管理系统 3.公共交通运营系统 4.商用车辆运营系统 5.电子收费系统 6.应急管理系统 7.先进的车辆控制和安全系统,97,（七）生物控制（Biological Control）,（八）生态与环境

42、控制（Ecological&Environment Control）,生物控制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。,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

43、理。,机器蛇,机器鱼,98,（九）社会经济控制,（十）大系统控制与系统工程,社会经济控制是将社会经济系统（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。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。,大系统理论主要研究：规模宏大、结构复杂的系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。,系统工程是以系统(特别是大系统)为研究对象的一门跨学科的边缘科学。是应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用大系统而采取

44、的各种组织管理技术的总称（如长江三峡施工组织管理系统）。涉及工程、社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。,99,七、控制科学与自动化技术的展望,控制科学的发展,国家基础研究认知科学的研究 国家自然科学重点复杂控制系统理论,自动化技术的发展,重点：系统、集成技术,100,（一）计算机集成制造系统（CIMS）,在制造业中利用计算机不仅实现单元生产柔性自动化，并把制造过程（产品设计、生产计划与控制、生产过程等等）集成为一个统一系统，同时企图对整个系统的运行加以优化。,计算机集成制造系统所涉及的自动化技术：数控技术、计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）等、立体仓库与自动化物料运输系统

45、、自动化装配与工业机器人、计算机辅助生产计划制定、计算机辅助生产作业调度、质量监测与故障诊断系统、办公自动化与经营辅助决策。,101,（二）机器人应用于生产和社会生活的各方面,机器人主要分为两大类：用于制造环境下的工业机器人（如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人）;,机器人涉及的自动化技术（1）变结构控制与学习控制（2）机器视觉与机器智能（3）智能控制与信息融合,操作机器人,用于非制造环境下的特种机器人（如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机 器人、娱乐机器人等）。,军用机器人,102,1954年第一台工业机器人,国产100公斤点焊机器人,103,智能移动机器人是机器人研究领域

46、中的一个重要分支。机器人也正在向个人机器人的方向发展。特种机器人在海洋与农业、服务与医疗、生物与基因工程、航空与航天等领域的应用显示出强大的生命力，如安全微创的脑外科辅助定位机器人、雕刻机器人、导游机器人等都进入实用化阶段。,机器人正在清洗瓷砖壁面,医用机器人,104,迈向二十世纪的中国机器人,我国把智能机器人列为高技术发展计划，主要是围绕特种机器人进行攻关。完成1000m水下无缆自主机器人的研制，并完成了无人驾驶振动式压路机、隧道凿岩机、大型喷浆机、机器人化装载机、自动摊铺机等机器人化工程机械。我国在研制出遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又根据市场需求开发出排爆机器人、面壁清洗机器人、医疗辅

47、助机器人、机器人足球等。,汽车自动焊接生产线（焊接机器人）,105,Pino 人形机器人,人形机器人,106,107,基于网络环境的自动化控制系统称为网络控制系统。,（三）基于网络环境的自动化,特点：(1)网络控制系统具有网络化体系结构。,(2)通过网络互联技术、动态数据交换技术、开放 式数据库连接技术等实现网络水平上的集成。,(3)网络控制系统通过公共网络传递测量信息和控 制信号，从而构成闭合回路。,(4)网络传输通常可视为可靠性不高的数据传输。数据包的丢失、数据分包传输等对控制系统的 影响；网络控制系统的安全性、互操作性问题 等都需要从理论和技术上给以完善解决。,108,人工智能在自动化系

48、统的应用前景广阔。,（四）人工智能在自动化系统中的进一步应用,1、脑科学研究对自动化的影响,人的智能来源于大脑的神经系统，是大脑思维活动的结果。,人的智能活动主要有下列几方面的特征：感知能力 记忆和思维能力 学习能力 行为能力,109,优化始终是控制的中心问题，智能优化从大自然的进化中受到启迪，是一类独特的优化方法。,2、智能优化的应用,遗传算法 免疫算法 蚁群算法,3、生物控制论,另一方面将信息技术和自动化手段反作用于生物系 统，解释生物体各个不同结构层次的生命现象。,一方面深入探讨生物体中通信和控制的机理，并借 鉴用来构造更有效的人工系统；,110,（五）高速列车和太空飞行器的智能控制,高

49、速列车采用交流传动技术，流线型头形、轻量化鼓形车体、动力学性能较好的小轮径动力车转向架等，架装了导流板，而控制系统采用MITRAC分布式微机控制装置等，使该车组技术性能进一步完善和提高。我国高速“子弹头”列车，时速达300多km/h。,磁悬浮高速列车已在上海运行，最高速每小时430km。,111,人类太空飞行与国际空间站,国际空间站是一座有两个足球场大小的空间站，将成为人类历史上第一个完备的太空实验室。,空间站,112,我国载人航天飞行,2002年底成功发射了神舟四号飞船。这是最后一次无人的飞船，但为有人飞行作最后的准备。飞行 108 圈后于2003年1月5日返回地球。,2003年10月15日

50、成功发射第一艘载人飞船神舟五号，飞行21小时绕地球14 圈，于2003年10月16日成功返回地球，圆了中华民族几千年的飞天之梦。成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。,2005年10月12日成功发射第二艘载人飞船神舟六号，首次进行多人多天飞天实验，于2005年10月17日成功返回。,113,2005年我国成功发射载人飞船（神舟6号）,1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功,114,（六）虚拟现实技术,常用的虚拟现实系统：飞行仿真系统 作战仿真系统 与虚拟生物对话 用于遥控机器人的遥现 技术,涉及的自动化关键技术：动态环境建模技术 实时三维图形生成技术 立体显示和传感器技术