自动控制原理(胡寿松)91-135(新).ppt

1、1,4.6.2 模糊控制系统,操作人员根据他的知识和经验在对被控量（输出）的特征进行识别，后者常常是用语言信息表示的。例如，炉温作为一个语言变量,其温度集T可为: T(温度)=超高,很高,较高,中等, 较低,很低,过低.,然后进行复杂的推理和判断，它们也是基于语言信息的。例如被控量的误差小，或者被控量在调节过程中上升较快，超调较大，则控制器的微分作用应该是“较大”。上述规则也就是模糊控制规则。这样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。,2,4.6.3 神经控制系统,人工神经元由计算机模拟一个生物神经元， 并在这个基础上发展成人工神经网络。,yj(t)= f(

2、wji-j),3,图4.18 双神经元同步控制系统,图4.17 发电机复杂控制系统,4,图4.17是水轮发电机的复杂控制系统，其目的是要实现水轮发电机的并网运行。图中fN和N为电网的频率和相位，作为复合控制系统的给定。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。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。,图4.18则利用两个神经元Np和Nf实现水轮发电机双神经元同步控制。图中Kf 0和KP 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

3、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。,神经网络可用作辩识器在自校正控制中代替常规辩识器以辩识对象的神经网络的网络模型来代替其数学模型进行自校正或自适应控制。,5,4.6.4 学习控制,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,学习机,推理机,数据库,规则库,输出,工业过程,PID控制器,误差,输入,+,_,图4.19 由智能决策单元(IDU)来修正控制器参数,“教训”来不断增长知识

4、，改进算法更广泛地模拟人类的某些行为（如判断、推理等）。,6,4.7 非线性系统及其控制,b 串激直流电动机,图4.21 极化继电器带动直流电动机,7,非线性元件特性,含有这样非线性环节或元件的系统，称为非线性系统。线性系统由线性部件组成，并以线性微分方程来描述。非线性系统以非线性微分方程来描述。非线性系统会出现一些在线性系统中不可能发生的奇特现象。非线性系统的分析和综合远比线性系统为复杂。,8,对二阶系统的相平面研究法,9,二阶线性系统的过渡过程特性x(t)和对应的x(t)及其相平面的轨迹,.,10,图4.27 非线性系统的相迹图,图4.27 非线性系统的相迹图,11,图4.29 具有不灵敏

5、区的继电器非线性系统的相迹图,具有不灵敏区的继电器非线性炉温自动调节系统系统,如采用极化继电器带动直流电动机，并简化成一个二阶系统，则它的相迹图示明在右图上。,这是一个 含三叶的相迹图。系统 是稳定的，最终一定停留（静止）在不灵敏区上。并是一个有差系统。,12,图4.28 非线性系统的混沌现象相迹图,以洛伦茨非线性模型计算出的相迹，宛如颤动中的一对蝴蝶翅膀,图4.28（右图）为一个非线性系统的广义相空间的三维相迹图，该系统产生的混沌现象，它貌似无规律实际仍有一定的条理性。,13,5 控制与自动化技术的应用范畴,14,5.2 机械制造自动化 5.3 过程工业自动化 5.4 电力系统自动化 5.5

6、 飞行器控制 5.6 智能建筑 5.7 智能交通系统 5.8 生物控制 5.9 生态与环境控制 5.10 社会经济控制 5.11 大系统控制与系统工程,5.1 引言,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。,15,5.2 机械制造自动化,机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从20世纪50年代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加工中心和柔性生产线、

7、柔性制造三个阶段，正向计算机集成制造(CIM)发展。,5.2.1 数控技术和数控系统,在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。,16,图5.1 计算机数 控系统结构图,数字控制（简称数控）灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化制造技术,一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产技术数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。 简单地说，数控技术

8、是一门以数字的形式实现控制的技术。,计算机数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器(PC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图5.l所示。,17,5.2.2 柔性制造系统(FMS),柔性制造系统（简称FMS）是在计算机直接数控(DNC)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。,柔性制造系统一般包括以下要素：(1)标准的数控机床或制造单元。（制造单元是指具有自动上下

9、料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床）；(2)在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；(3)发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；(4)中央刀具库及其管理系统；(5) 自动化仓库及其管理系统。,18,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。,柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。,自动输送车,中央管理和 控制计算机,物流控制装置,夹具站,自,动,化,仓,库,工厂主计算机,信息传输网,库,具,CNC机

10、床,机器人,附属工作站,CNC机床,机器人,附属工作站,制造单元,刀,图5.2 柔性制造系统结构图,19,5.2.3 计算机集成制造系统(CIMS),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。,图5.3 计算机集成制造系统组成框图,20,5.3 过程工业自动化,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

11、六大参数进行控制的工业，称之为过程工业 。,过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。,5.3.1 过程工业自动化的研究内容及特点,工业生产过程的自动控制称为过程控制，它是过程工业自动化的核心内容。过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。,21,早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。,但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制

12、系统 (Distributed Computer Control System，简称DCS)。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。,22,5.3.2 基于计算机技术的过程控制系统,生产过程,数字计算机,A/D转换,D/A转换,操作台,扰动,控制变量,输出变量,控制台,控制台,过程控制计算机,控制单元,控制单元,多路采集器,可编程逻辑控制器,数据通道,工程师/操作员控制台,其他系统,图5.5 分布式计算机控制系统,图5.4 直接数字控制系统,23,图5.6 计算机集成生产系统的结构模型,生产过程计算机集成控制系统是一种综合自动化系统。目的是

13、要使企业用最短的周期、最低的成本、最优的质量，生产出适销对路的产品，以获取最大的经济效益，增强国内外市场的竞争能力。,其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成，并求得全局优化,24,5.4 电力系统自动化,5.4.1 安全供电离不开自动化,5.4.2 经济运营需要开自动化 对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要 考虑电厂的煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量）。此外，还要考虑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。,对于单个的火力发电系统，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

14、电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控。 由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。,25,5.4.3 供电质量的自动化要求,供电质量主要指电压质量和频率质量。我国电力系统的频率标准是50hz，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。,但频率变化是电力系统内电力盈亏的标志。电力系统内发电出力多于用电量时，多余的电力转化为加速电机转速的

15、动能，频率将加快；发电不足时，发电机付出动能来满足用电的需要，频率将下降。所以，电力系统运行中，需要自动调频装置来保持电力的正常盈亏平衡，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，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。,26,1965年11月9日下午5点16分11秒，纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们先后在2.72秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速，频率上升，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电力，在大约1.5秒内，这些线路

16、的过负载保护先后动作而断开，造成纽约市缺电大约130万kw，从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了100万kw，以至电压和频率不能平衡。几分钟内，该区内频率下降，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承损坏而停运，最终导致全市停电。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作，全市大乱。断电时间长达13.5小时。,由此可知，先进、可靠的电力自动化系统是多么重要和必要！,5.4.4 从一次停电事故看电力系统自动化,27,5.5 飞行器控制,5.5.1 导弹控制系统的功用 5.5.2 导航系统 5.5.3 制导系统 5.5.4 姿态控制系统 5

17、.5.5 飞行控制电子综合系统 5.5.6 测试与发射控制系统,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。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。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器控制的内容非常丰富 ：,28,5.5.1 导弹控制系统的功用,图5.7 飞行器控制系统的构成,导弹控制系统的主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。控制系统的

18、作用就是消除或减小干扰和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,29,5.5.2 导航系统,飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。,所谓导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为导航系统。,30,5.

19、5.3 制导系统,图5.8 追踪法示意图,制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以 足够的精度命中目标。,31,5.6 智能建筑,5.6.1 智能建筑的概念及构成 智能建筑，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。,智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传

20、真、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。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化，简称BA)系统、通信自动化，简称CA)系统和办公自动化，简称OA)系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,32,图5.11 3A智能建筑的构成,三大基本要素：楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统。,33,5.6.2 楼宇自动化系统,对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视、或节能控制、非正常运行状态报警。并通过与办公自动化及通信自动化系统的综合设

21、计，支持面向用户的服务功能，提高大楼的舒适性、安全性、节能性，降低费用，实现高度的集成化管理。,传统的楼宇自动化系统采用的是集中监视、集中控制的方式。 图5.13 集中式楼宇自动化系统的结构,34,由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。,系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。,图5.14 分布式楼宇自动化系统,35,5.6.3 通信自动化系统,通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关

22、计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图像的基本通信网络；实现楼层间(内)各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的楼群或楼内高速主干网以及与公共信息资源(如Internet)相通的远程数据通信网。,图5.15 智能建筑的通信网络结构,36,5.6.4 办公自动化系统,办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。,5.6.5 综合布线系统,建筑与建筑群综合布线系统主要是针对计算机和通信设备的

23、布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信号的不同要求。,智能大楼布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，它能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统 。,37,图5.12 楼宇自动化系统的构成,38,5.7 智能交通系统 5.7.1 智能交通系统的概念,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,(1) 提高公路交通的安全性 (2) 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响 (3) 提高公路网络的通行能力 (4) 提高汽车运输生产率和经济效益,39,5.

24、7.2 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,40,5.7.2.1 出行与运输管理系统,该系统有6个子系统： （1）在途驾驶员信息系统； （2）线路引导系统； （3）出行人员服务系统； （4）交通控制系统； （5）突发事件管理系统； （6）排放测试与污染防护系统。,41,5.7.2.2 出行需求管理系统,该系统包括3个子系统： （1）出发前的出行信息系统； （2）合乘配载和预约系统； （3）需求管理与运营系统。,该系统有4个子系统： （1）公共运输管理系统； （2）途中换乘信息系统； （3）满