自动化学科讲演.ppt

1、自动化学科概论(控制理论在冶金工程中的应用),信息工程与自动化学院 詹跃东,目录,1.自动化与自动化学科，专业 2.自动化的基本原理 3.自动化学科的发展趋势 4.控制理论在冶金工程中的应用,1. 自动化与自动化学科，专业,1.1 自动化概念 家庭全自动照相机、洗衣机、电饭煲； 银行自动取款机ATM； 交通自动控制的红绿灯； 楼宇自动门、自动自来水开关； 日常生活温度控制系统,温度系统原理图,温度控制系统原理图,自动化的定义,自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动控制、信息处理、分析判断、操纵控制等来实现预期的目标。,1.自动化与自

2、动化学科，专业,1.2 自动化内容和应用范围 设备、过程或系统的自动化：指设备、过程或系统的自动运行或自动控制。 自动化技术或设备：指用于自动运行或自动控制的技术或设备。 自动化状态：被自动控制或自动操作的状态。 应用范围：自动化涉及的范围极其广泛，几乎无所不包：工业生产和工业自动化；农业自动化；服务自动化（办公，楼宇，商务，交通等）各行各业。,1.自动化与自动化学科，专业,1.3 自动化的发展历史 我国古代的指南车（公元235年）； 1788年瓦特的飞球调节器； 20世纪20年代40年代：电子反馈放大器（火炮控制系统） （经典控制理论的应用）； 20世纪5070年代（现代控制理论的应用）；

3、人造卫星(1957年)；阿波罗飞船登上月球(1957年)； 物控机床(1952年)；工业机器人(1954年). 20世纪80年代以来: 加工中心和计算机集成制造系统（CIMS）,1.自动化与自动化学科，专业,1.4自动化在工业化、信息化、现代化建设中的作用和地位（介绍几个概念） 工业化发展的三个阶段： 机械化（蒸汽机、动力机） 电气化（电机、发电机、供电网络） 自动化（电子控制器、自动化生产线）,1.自动化与自动化学科，专业,信息化发展阶段： 数字化（数字计算机起源1946年，1960年大量应用） 网络化（通讯网络起源1969年，1980年大量应用） 系统化（系统、管理、集成，起源1975年，

4、1990年大量应用） 现代化发展阶段（中国人发明） 后工业化（发达国家）,1.自动化与自动化学科，专业1.5自动化学科,1.自动化与自动化学科，专业 1.6自动化专业,2.自动化的基本原理,2.2 自动控制系统的研究内容 系统建模：机理建模、实验建模（系统辨识）. 系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性能、抗干扰性、鲁棒性等. 系统综合：设计控制器（应用自动控制理论）.,2.自动化的基本原理2.3 自动控制理论,2.3.1 经典控制理论 时域分析法（数学模型:高阶微分方程）. 根轨迹法（数学模型: 传递函数. 1948年W.Evans提出并完善.） 频率特性法（传递函数. 1939年奈奎斯特图、伯

5、德图）. 相平面法和描述函数法（传递函数.应用于非线性系统）.,2.3 自动控制理论2.3.2 现代控制理论,线性系统理论（数学模型：状态空间；能控性，能观性，系统综合或校正：极点配置法） 系统辨识（最小二乘法） 最优控制（极大值原理，动态规划） 自适应控制（自校正控制，模型参考自适应） 随机控制（白噪声干扰，概率统计方法） 鲁棒控制（被控对象的不确定性） 容错控制（系统安全性、可靠性） 非线性理论（变结构控制，微分几何法，微分代数等） 复杂控制（大型冶炼企业，大电网的调度控制以及社会、管理、经济等）,2.3 自动控制理论2.3.3 智能控制技术,智能控制技术是针对难以建立精确的，有效的数学模

6、型，从而无法应用经典或现代控制理论进行分析，综合的复杂对象 模糊控制 神经网络控制 专家系统 遗传算法（智能优化） 免疫算法（智能优化） 蚁群算法（智能优化） 混沌控制,2.3 自动控制理论2.3.4 先进控制技术,先进控制技术是针对工业过程生产中，特别是化工、冶金工业，传统的PID算法难以满足控制要求，基于计算机的控制算法. 内模控制（IMC） 模型预测控制（MPC） 动态矩阵控制（DMC） 广义预测控制（CCPC）,3.自动化学科的发展趋势（六个方面或领域）,3.1控制理论 3.2工程系统与控制 3.3系统科学与系统工程 3.4模式信息处理 3.5人工智能 3.6机器人学与机器人技术,3.

7、自动化学科的发展趋势3.1控制理论,控制方法：系统模型的不确定性和非线性（自适应，鲁棒，容错，先进控制和智能控制等） 研究复杂的对象：变量过多，维数太大（CMIS、智能机器人、大型航天结构的复杂控制等） 计算机模拟试验研究：航空航天，电力，核能，石化工业等庞大，昂贵或带有危险性的工程系统（CAD、实验模拟与仿真等） 许多学科相互交叉和影响：（社会经济、生态环境、地球与大气等）,3.自动化学科的发展趋势3.2工程系统与控制,新型执行器的传感技术:（谐振传感器、光纤传感器、集成传感器、生物传感器等）. 递阶的分布式计算机控制系统:（现场总线，信息集成控制技术等）. 工程系统控制管理一体化:（企业级

8、、工厂级、车间级、过程级、单元级）. 柔性制造自动化和计算机集成制造系统（CIMS） 系统仿真,3.自动化学科的发展趋势3.3系统科学与系统工程,系统工程的概念：如1969年7月21日，美国“阿波罗11号”飞船登月成功历时11年的“阿波罗栽人登月计划”：2万多家公司，120多所大学和研究机构，42万余名参加人员，700多万个零部件和耗资300多亿美元 理论基础：控制论（维纳），信息论（香农）和系统论（贝塔朗菲） 方法：集中控制；分数控制；分解协调控制等 范围：生命、气候、生态、地球表面、人口、人体和社会控制等,3.自动化学科的发展趋势3.4模式信息处理,基本方法（统计模式识别和句法模式识别）.

9、 计算机视觉（马尔视觉计算理论、立体视觉、动态序列图像分析、视觉检测等）. 文字识别与分析（多字体印刷体识别、手写汉字识别、文本的理解等）. 语音识别与理解（识别方法、语言识别与自然语言处理相结合等）. 模式识别专用系统.,3.自动化学科的发展趋势3.5人工智能,人工智能的概念：研究的机器或设备具有人的推理、理解、规划、决策、抽象、学习和创造等能力. 基于物理符号的AI的进展：（逻辑表达或代数表达）. 联接机制AI的进展：（并行分布式处理模型）. 机器学习：（知识获取）. 人机共栖：（智能的人机交互界面） 专家系统.,3.自动化学科的发展趋势3.6机器人学与机器人技术,装配机器人 自动导向可移动或行走机器人 直接驱动机器人 智能机器人 复杂的运动学、动力学和控制问题 与机器人有关的人工智能研究,4. 冶金工程中的控制方法4.1过程控制系统,常规过程控制有： 温度控制 压力控制 流量控制 物位控制 成分控制等 复杂过程控制有： 前馈控制 时滞控制（史密斯预估补偿） 解耦控制 比值控制 均匀控制 超池控制