东北大学自动化专业概论.pptx

第二章 自动化的概念 和发展简史 2.1 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2.1 防空导弹的制导 1目标跟踪雷达；2导弹导引雷达；3计算机；4导弹发射架 312 目标 交会点 4 自动化(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。 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2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图 (a) 手动控制漫画 调节记录仪 温 水 测 温 计 冷 水 蒸汽 调节阀 (b) 自动控制 图2.2 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 我国古代自动装置 指南车 车身 齿轮系 木人 车辆 转弯方向 图2.3 指南车方向自动装置框图 铜壶滴漏 饮酒速度的自动调节 计里鼓车 漏水转浑天仪 候风地动仪 水运仪象台 2.3 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 自动装置的出现和应用(18世 纪以前) 2.3.2 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2.4 对象和调节器形成调节系统 蒸汽源蒸汽负荷 离心式 调速器 转速 测 量 进汽 - + 反馈控制和频率法 图2.5 反馈调节（控制）系统 调节器 （控制器） 被控对象 输出变量 控制量 前向通道 误差 输入变量 （给定规律） 反馈通道 - + 2.3.3 局部自动化时期(20世纪4050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 敏感元件计算机定位伺服机构 跟踪误差 跟踪环路瞄准环路 视线 瞄准误差 火炮瞄准命令 火炮方向 图2.6 自动防空火力控制系统原理图 伺服机构（控制 绕垂直轴转动） 伺服机构 （控制仰角） 炮 管 中 心 线 视线 计算机 指挥仪 敏感元件 图2.7 自动防空火力控制系统 2.3.3.1 经典控制理论的形成和发展 在代数稳定判据、传递函数和 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，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。 经典控制理论单变量控制问题 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，后称为自动控制系统。 因此，调节器现在也称为控制器。 1945年，美国数学家、控制理 论专家N.维纳把反馈的概念推广到 生物等一些控制系统。 1948年他出版了名著控制论一 书，为控制理论的发展奠定了基 础。 1954年，中国科学家钱学森全面地 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 (Engineering Cybernetics)一书。 2.3.3.2 局部自动化的广泛应用 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 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 综合自动化时期（20世纪 50年代末起至今） 复杂工业过程和航天、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 现代控制理论的形成和发展 公元1956年，前苏联数学家JI. 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。 现代控制理论迅速发展，形成 了多个重要分支。 现代控制理论多变量控制问题 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 自适应控制器 反馈控制器 校正作用 输出 干扰 控制输入 图2.8 自适应控制框图 被控对象 辨识器 反馈控制器 参数 输出 干扰 控制输入 图2.9 自校正控制框图 综合自动化 20世纪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： 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： 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、 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 人便是一例。 智能控制理论复杂系统的控制问题 2.4 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