张志俊自动化的概念和发展简史.ppt

2 自动化的概念和发展简史,2 自动化的概念和发展简史,2.1 控制和自动化的概念,基本概念,现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括对这种控制的自动化 电网电压、频率、电流 锅炉水位、水温、气温、压力、流量等 导弹方位、俯仰、速度等 冰箱温度 洗衣机水位、进程 ,自动化与自动控制,自动化 指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行 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,自动化与自动控制,两者既有联系，但也有一定的区别 自动化主要研究人造系统的控制问题 自动控制除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题 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 不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近的,自动控制,(a) 手动控制 (b) 自动控制,水温操作员用手（通过感觉）来测试水的温度 将测试水温与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑） 决定（通过大脑）：朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门 旋转多大的角度 自动控制时：上述功能都由各种元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,自动化,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 研究内容：自动控制、信号处理 理论、方法；硬件、软件 过程、机械制造、武器及军事、办公、家庭 解放繁重、恶劣劳动；扩展人的功能；提高生产率；赠强认识、改造世界的能力 是新技术革命的重要方面 自动化技术的研究、应用、推广 生产、生活产生深远影响 信息技术 信息化带动工业化 生产过程自动化、办公室自动化 提高、节约、高质量、改善劳动、工艺、管理,2 自动化的概念和发展简史,2.2 我国古代自动装置,我国古代自动装置,中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要 其中比较著名有下述的几种： (1) 指南车 (2) 铜壶滴漏 (3) 浮子式阀门 (4) 饮酒速度的自动调节 (5) 计里鼓车 (6) 漏水转浑天仪 (7) 候风地动仪 (8) 水运仪象台,指南车,指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆 东汉张衡、三国魏国马钧、南齐祖冲之都曾制造过,指南车原理,马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响,铜壶滴漏,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 这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间） 保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶来解决的 根据宋朝杨军的六经图（公元1155）转述：莲华漏由4个壶组成。天地壶、平水壶逐级向平水小壶供水。 平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定 在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴（图上平水壶前的一个小鸟式装置）,饮酒速度自动调节,宋朝仇士良著岭外代答(公元1178)曾记载中国南方和西南部落村民的一种饮酒习惯，常用0.6米长以上的饮酒管。 竹制管中有一条银制小鱼，作为可动的“关捩(lie4)”(即浮子式阀门)。饮酒时吸得太快或太慢，小孔会被小鱼自动堵塞 这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮酒速度,计里鼓车,中国古代能自报行车里程的车制，东汉以后出现，汉代鼓车改装而成,车内装设具有减速作用的传动此齿轮和凸轮、杠杆等机构 车行一里，车上木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次,漏水转浑天仪,公元2世纪，东汉天文学家张衡创制的一种天文表演仪器 用漏水推动水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真 浑象是在直径1.5m的铜球上刻有28宿、星官、黄赤道、南北极、24节气、恒星圈、恒隐圈等 关键是漏水要推动一个恒速旋转的齿轮使浑象与天球同步转动,张衡水力天文仪器中齿轮系推想图,候风地动仪,公元132年，东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测器。工作原理涉及到检测地震信号的方向和大小,水运仪象台,北宋哲宗元佑三年(公元1088年)，苏颂等人制成的水力天文装置 高约12m，宽约7m 既能演示或能观测天象，又能计时及报时 利用铜壶滴漏的恒定水流作动力，来推动枢轮恒速旋转,水运仪象台枢轮和天衡装置示意图,它还起着类似钟表中擒纵器的作用 仪象台装有自动机构，在每个时辰初、正和每刻向应地有木人摇铃、打钟、击鼓,枢轮带动浑象和浑仪两个齿轮系。 浑象是一种观测仪器，测定昏、旦和夜半中星以及天体的赤道坐标等 齿轮的恒速旋转由两级滴漏装置驱动，受水壶装在枢轮上。由天衡的杠杆装置控制枢轮的恒速运动,2 自动化的概念和发展简史,2.3 控制和自动化技术发展简史,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至50年代) 综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),自动装置的出现和应用(18世纪以前),(1) 古代自动装置 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 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候风地动仪 公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表现仪器）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,自动装置的出现和应用(18世纪以前),(2) 近代自动装置 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： 法国物理学家B.帕斯卡(Pascal)1642年发明的加法器 荷兰机械师C.惠更斯(Huygens)1657年发明钟表 英国机械师E.李(Lee)在1745年发明带有风向控制的风磨 俄国机械师.波尔祖诺夫()1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器,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,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,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),(1)自动调节的广泛应用 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 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,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),对象和调节器形成调节系统,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),反馈(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 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，创造多种稳定判剧 稳定性是自动控制中极重要的概念,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),(2)自动调节系统的稳定性问题 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) 公元1868年英国物理学家J麦克斯韦尔(Maxwell)用微分方程描述并总结了调节器的理论 公元1876年俄国机械学家维什涅格拉茨基进一步总结了调节器理论，归结为只要研究描述自动调节系统的线性齐次微分方程的通解 公元1877年英国数学家E.劳思(Routh)、1895年德国数学家A.胡尔维茨(Hurwitz)提出代数稳定判据(Stability Criteria)，沿用到现在 公元1892年俄国数学家A.李雅普诺夫提出稳定性的严格数学定义并发表了专著。他的稳定性理论至今还是研究分析线性和非线性系统稳定性的重要方法,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),(3) 反馈控制和频率法 进入20世纪以后，工业生产广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究 通过在解决电子管放大器失真问题上的研究，1927年美国电气工程师H.布莱克(Black)引入的反馈概念，使人们对自动调节系统中的反馈控制的结构有了更深刻的认识 此后在拉普拉斯(Laplace)变换的基础上，传递函数(Transfer Function)的观念被引入到分析自动调节系统或元件上，成为重要工具 1932年美国电信工程师N.奈奎斯特(Nyquist)提出著名的稳定判据(奈奎斯特稳定判据)，可以根据开环传递函数绘制或测量出的频率响应判定反馈系统的稳定性 1938年，前苏联电气工程师米哈伊洛夫提出根据闭环(反馈)系统频率特性判定反馈系统稳定性的判据,自动化技术形成时期(18世纪末至20世纪30年代),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,局部自动化时期(20世纪40至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,局部自动化时期(20世纪40至50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,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(1) 经典控制理论的形成和发展 在前述代数稳定判据和传递函数、依据频率响应的频率法判据的基础上，加上W.埃文斯(Evans)1948年的根轨迹法(Root Locus Method)，奠定了适宜用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。 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,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(1) 经典控制理论的形成和发展 1940年代末，美国、西欧、前苏联开设了自动控制课程 1950年代，前苏联设置了自动化方面的专业 1950年，张钟俊教授在上海交大 “伺服机构原理”课程 1945年，美国数学家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一切控制系统 1948年，维纳出版了名著控制论，控制论奠定了基础 1954年，钱学森全面总结提高经典控制理论，在美出版了工程控制论(Engineering Cybernetics) 二战后随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性、时滞、脉冲及采样控制、时变、分布参数、有随机信号输入的系统等控制问题 深入的研究，经典控制理论在2050年代有新的发展,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(2) 局部自动化的广泛应用 二战后，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。 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 智能化的仪表和控制器是当前流行的产品,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(2) 局部自动化的广泛应用 智能化仪表YS-80及所属可编程序智能控制器SLPC,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(3) 电子数字计算机的发明 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路的四个发展阶段 19431946，美电气工程师J.埃克脱(Eckerlt)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) 1950年美国宾夕法尼亚大学莫尔(Moore)小组研制成世界上第二台存储程序式电子数字计算机离散变量电子自动计算机(EDVAC) 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程序控制和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 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,局部自动化时期(20世纪40至50年代),(3) 电子数字计算机的发明 国产巨型“银河”电子数字计算机,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),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。经典控制理论的直接应用遇到了困难。微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的作用 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 卡尔曼引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈律，为线性自动控制系统给出最优调节器概念 以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生 20世纪60-70年代，英国学者H.罗森布罗克、D.梅恩和A.G.麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),现代控制理论的迅速发展 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 (2) 自适应控制和自校正控制器 (3) 遥测、遥控和遥感 (4) 综合自动化 (5) 大系统理论的诞生 (6) 模式识别和人工智能 (7) 智能控制的诞生,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(1) 系统辩识、建模与仿真 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 因为只有被控对象的数学模型已经精确知道，才能采用经典控制理论的一些分析和设计方法以及现代控制理论的状态空间法和最优调节器的设计方法 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，这称为系统仿真,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(2) 自适应控制和自校正控制器 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反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质 自校正控制器具有对被控对象的参数进行在线估计的能力，并借此对控制器参数进行校正，使闭环控制系统达到期望指标,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(3) 遥测、遥控和遥感 遥测是对被测对象的某些参数进行远距离测量 遥控(Remote Contro1)是对被控对象进行远距离控制 电网某点电压、频率测量，调度对电网上某个电站机组启动控制 1920年代遥测和遥控在铁路信号和道岔控制上应用 1940年代对大电力系统，石油、天然气管道等应用 最初有线(通)信道，二战特别是航天技术的需要，无线迅速发展 宇航员生理情况地面监控，监控站对飞船中设备操纵或控制 遥感(Remote Sensing)是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 1960年代以后，遥感技术得到了迅速发展 农业、林业、地质(理)、海洋、水文、气象、环保和军事,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(4) 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化工厂 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 70年代出现用专用机床组成的无人工厂 80年代初才出现用柔性制造系统组成的无人工厂,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(4) 综合自动化 无人加工车间,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(4) 综合自动化 无人组装车间,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(5) 大系统(Large-scale System)理论的诞生 1960年代末，对大系统(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 高速大型计算机的出现为研究和大量计算提供了前提条件 20世纪6070年代，I.莱夫科维茨(Lefkowitz)和M.梅萨罗维茨(Mesarovic)分别提出了大系统的多层结构和多级结构并分解成子系统的概念 1960年代还提出了大系统分散控制的次优性控制方法 大系统理论的重要作用 对大系统进行调度优化和控制优化 通过分解协调(Decomposition-Coordination)以较短时间计算出优化结果，使需要及时求取的优化解并实施优化控制成为可能 国内在大化工厂、大化肥厂、社会经济大系统的优化控制和管理上，取得巨大经济效益。,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(6) 模式识别(Pattern Recognition)和人工智能(Artificial Intelligence) 模式识别：使用计算机使它能直接接受和处理各种自然的模式消息(语言、文字、图像、景物等)。牌照识别控制管理交通、指印识别甄别罪犯、汉字识别使办公室自动化 人工智能研究从智力难题、奕棋和难度不大的定理证明入手，总结人类解决问题时的思维规律，然后用计算机来模拟 人工智能研究领域涉及自然语言理解、自然语言生成、机器视觉、机器定理证明、自动程序设计、专家系统和智能机器人等方面 自1970年代以来，医疗诊断、地质勘探、化学数据解释和结构解释、口语和图像理解、金融决策、军事指挥、集成电路设计专家系统 1960年代末至70年代初，美、英等国将人工智能和机器人(Robot)结合起来，研制出智能机器人 有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人 智能机器人会在工业生产、核电站设备检查及维修、海洋调查、水下石油开采、宇宙探测等方面大显身手,综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),(7) 智能控制(Intelligent Control)的诞生 将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统 新一代自动控制系统。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 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 智能机器人便是一例 能听懂人的言语、执行人的口头命令的智能机器人 能行走、上楼梯的智能机器人 能进