自动化(专业)概论-第2章.ppt

1 2自动化的概念和发展简史 2 基本概念 自动化 是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 自动化主要研究的是人造系统的控制问题 控制则除了上述研究外 还研究社会 经济 生物 环境等非人造系统的控制问题 例如生物控制 经济控制 社会控制及人口控制等 3 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 4 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 5 指南车原理 6 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 7 饮酒速度自动调节器 8 计里鼓车 9 候风地动仪图 候风地动仪图 10 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 11 自动装置的出现和应用 18世纪以前 自动控制 作为一种技术掌握在发明家的手中 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 1 古代自动装置 12 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式阀门水位调节器 13 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 图2 16 14 反馈和自动调节系统的稳定性 稳定性是自动控制中极重要的概念 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 创造多种稳定判据 15 经典控制理论 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 进入20世纪以后 工业生产中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 16 反馈控制系统框图 给定输入 给定环节 控制器 放大环节 执行环节 被控对象 误差 反馈信号 输出 扰动 反馈环节 前向通道 反馈通道 17 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 18 自动防空火力控制系统 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 19 经典控制理论的形成和发展 代数稳定判据传递函数根轨迹法 W 埃文斯 Evans 1948年 频率法 20 局部自动化的广泛应用 模拟计算机气动单元组合仪表智能化的仪表和控制器 21 电子数字计算机 电子管 晶体管 集成电路和大规模集成电路数字计算机直接控制生产过程数字计算机是现在自动控制系统的一个重要组成部分 22 国产巨型 银河 电子数字计算机 国产巨型 银河 电子数字计算机 23 综合自动化时期 20世纪50年代末起至今 庞特里亚金提出极大值原理R 贝尔曼创立动态规划R 卡尔曼提出状态空间法 可控性 可观性 最优状态估计等 现代控制理论的形成和发展 24 现代控制理论的发展 系统辩识 建模与仿真自适应控制遥测 遥控和遥感大系统理论模式识别和人工智能智能控制 25 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 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 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 2 自适应控制 3 遥测 遥控和遥感 遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量 遥控就是对被控对象进行远距离控制 遥感就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 26 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 特别是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 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 5 模式识别和人工智能 使用电子数字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 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 4 大系统理论的诞生 27 6 智能控制的诞生 将人工智能引入到自动控制系统 形成智能控制系统 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 如智能机器人 28 智能和水下机器人 29 综合自动化 20世纪50