1、1,自动化专业概论,东北大学 自动化研究所 高宪文 教授,2,学生关心的问题？,进入“自动化”各类专业的每个莘莘学子，都渴望了解自己所学的专业：,（4）在大学接受高等教育和在中学接受中等教育有何区别，怎样适应大学的学习生活，怎样最大限度地调动自己的学习潜力，发挥自己学习上的主动性，发展自己的特长和才华，创造性地进行学习？,（3）自己在学校环境里将学到哪些知识，获得哪些技能，培养哪些能力？,（2）学校将通过哪些途径把自己培养成有什么样素质的自动化技术人才？,（1）自动化专业的性质，它在我国社会主义建设中的作用和地位，自动化技术的当前概貌和它的未来发展；,3,什么是自动化？,(a) 手动控制漫画
2、(b) 自动控制图2.2 水温的手动控制和自动控制的示意图,4,图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,5,防 空 导 弹 制 导,6,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（图2.1）。,7,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。例如公共电网上的电压
3、是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。,8,自 动 化 的 作 用,加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程,1. 提高社会生产率和工作效
4、率， 2. 节约能源和原材料消耗， 3. 保证产品质量， 4. 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动， 5. 改进生产工艺和管理体制。,9,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。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等。,10,以信息化带动工业化 以工业化促进信息化,中国共产党十六次代表大会报告,自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志,11,本 课 内 容,1. 专业培养目标和人才素质要求,2. 自动化的概念和发展简史,3. 自动控制系统的类型和组成,4. 基本的控制方法,5. 控制和自动化的
5、应用范畴,6. 控制和自动化的展望,7. 自动化类专业的教学安排,8. 学习原理与学习方法,12,1 自动化专业培养目标和人才素质要求,1.1 自动化和自动化类专业,13,控制科学与工程 学科,图1.1 学科组成示意图,自动化 自动控制 控制理论 电气工程与自动化 工业自动化 机械制造自动化 电力系统自动化,14,1.2 高等院校自动化类专业的培养目标,培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人控制等领域具有宽广理论基础和相关专门知识，具有创新和开拓精神的高级工程技术人才。 毕业生能在国民经济及国防各部门和行业从事信息及控制系统的研究
6、、设计、集成、开发、制造和应用等工作。,15,1.3 对自动化类专业人才的素质要求,（1） 认知和技能方面 （2） 思想和情感方面 （3） 意识和意志方面 （4） 其他方面,16,（1） 认知和技能方面, 掌握数理等基础理论的原理和方法； 了解机械、力学、电器、化工等相关学科的原理和方法；,掌握计算机、通信、电子等关联学科的基本原理、方法和应用以及相应的实验仪器和 技能； 掌握控制系统分析和综合（设计）等专业知识和方法；, 掌握系统仿真、科学计算、软硬件开发等科学实验方法和技术； 有哲学、方法论、经济学、历史、法律、伦理、社会学、文学、艺术等人文社会科学方面以及军事方面的基本知识；,具有良好的
7、资料收集、文献检索以及口头表达和书面写作等技巧和能力，并形成很强的自主学习能力； 具有辨证的、逻辑的、形象的和创造的科学思维方式和对事物进行统计、分析、综合、归纳的技能，并形成较强的发现问题、分析问题和解决问题能力； 具有一定的适应、协调、合作、组织和管理能力。,17,思想和情感方面,思想品质 树立了积极向上的人生观、正确的价值观和辨证唯物主义世界观，对我国自动化事业有情感、有信念、有责任心；, 政治品质 热爱祖国、关心集体、尊敬师长、爱护同志和家人，关心国家大事、时事 政治，有较强的法制、法规观念；, 道德品质 有良好的品德修养和文明的行为准则，具有敬业精神和职业道德。,18,（3） 意识和
8、意志方面, 实践意识 坚持一切从实际出发，不迷信书本、不迷信权威。 质量意识 认认真真做好每一件事，在研制和开发的每一个环节都坚持质量至上的思想。 协作意识 现代科学研究和现代工程已经很少是一个人可以独立完成的了，所以要能与同事协同工作、协调配合。不会和他人协作的工程师，一定不会是一个合格的工程师。 创新与竞争意识 现代社会是充满挑战和竞争的社会，只有那些不断追求新意境、新见解、敢于竞争的人才能把握机遇、走向成功。 坚毅意志 人生路漫漫，每个人在生活、学习和工作中都可能遇到这样或那样的困难和挫折，要敢于面对困难、善于克服困难。,19,（4） 其他方面, 学风上勤奋、严谨、求实、进取； 作风上谦
9、虚、谨慎、朴实、守信； 具有健康的心理、务实的心态； 具有健全的体质、良好的体能； 拥有旺盛的精力、敏捷的思路。,20,2 自动化概念和发展简史,21,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。两者既有联系，但也有一定的区别。自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动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，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
10、。,2.1 控制和自动化的概念,22,2.2 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,23,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。,指南车是一种马拉的双轮独辕车，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
11、轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响（图2.3）,（1）,24,指 南 车 复 原 模 型,25,指南车 原理,26,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）（图2.6之右）。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（图2.6之左）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
12、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（见图2.6上平水壶前的一个小鸟式装置）。,（2）,27,铜壶滴漏,28,（3）饮酒速度自动调节， （4）计里鼓车,图2.8 饮酒速度自动调节,图2.9 、2.10 计里鼓车(复原模型) 及原理,29,（5）漏水转浑天仪 公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。,图2.11 张衡水力天文仪器中齿轮系推想图,30,（6） 候风地动仪图,图2.12 候风地动仪图(复原模型)及剖面图,31,（7）水运仪象台,公元
13、1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。,32,水运仪象台枢轮和天衡装置示意图,33,2.3 控制和自动化发展简史,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),34,2.3.1 自动装置的出现和应用 （18世纪以前）,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
14、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,35,(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）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
15、保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。,36,2.3.2 自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）,公元1788年 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）,37,(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
16、在还在许多工厂中采用。,(2)自动调节系统的稳定性问题,自调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）。当时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）。,38,对象和调节器形成调节系统,39,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，创造多种稳定判剧。,40,(3) 反馈控制和频率法,稳定判据
17、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。,41,图2.18 反馈调节（控制）系统,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。,42,2.3.3 局部自动化时期 (20世纪40-50年代),2.3.3.1 经典控制理论的形成和发展,2.3.3.2 局部自动化的广泛应用,2.3.3
18、.3 电子数字计算机的发明,43,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（图2.19和图2.20）。,44,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
19、制系统（Automatic Control System）。因此，调节器现也称为控制器。,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：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题等的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有新的发展。,2.3.3.1 经典控制理论的形成和发展,45,2.3.3.2 局部自动化的广泛应用,二次大战后，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。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。,在20世纪30-
20、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。,46,智能化的仪表YS-80及所属的可编程序智能控制器SLPC,47,2.3.3.3 电子数字计算机的发明,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。,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。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
21、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。,48,图2.22 国产巨型“银河”电子数字计算机,封里彩图为国产巨型“银河”电子数字计算机,49,2.3.4 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。,2.3.4.1 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。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有
22、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了最优调节器的概念。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。,50,现代控制理论的迅速发展,(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,现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：,51,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
23、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) 自适应控制和自校正控制器,(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。,52,(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
24、。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（图2.25和图2.26）。,无人加工车间,图2.25,53,无人组装车间,图 2.24,54,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。,(6) 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、
25、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。,大系统理论的诞生,55,(7) 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，例如图2.27的智能机器人。,56,智能和水下机器人,57,3 自动控制系统的类型和组成,58,3.1 恒值自动调节系统,
26、图3.1 炉温自动控制系统,59,由给定环节给出的电压Ur代表所要求保持的炉温，它与表示实际炉温的测温热电偶的电压Uf 相比较，形成误差电压U=Ur-Uf 。U经过放大器放大后带动电动机M向一定方向转动，并使调压器提高或降低加热电压，以使Uf达到Ur并使 U=0 。这时，电动机不再转动，自动调节系统达到新的平衡点。这里，电动机有一个正确的旋转方向问题。当 炉温自动调节系统UrUf ，即U0，此时表示炉温低于所要求保持的恒值，则电动机的旋转方向应该使调压器的滑动触点向上以增加加热电压。这里可以看到，系统的作用是闭合的，即形成闭环系统，也即说明有反馈回路。而反馈的性质使炉温回复到给定的恒值；而不是
27、炉温Uf大于Ur时，反馈使得炉温更大，或者Uf小于Ur时反馈使炉温更小。后述系统不能正常保持被调量为恒值。这说明自动调节（控制）系统，一定要有“负反馈”。在恒值自动调节系统中，由给定环节给出的给定作用为恒值。它应赋予“+”号。反馈量应赋予“-”号。这样才能保证实现“负反馈”。即误差电压U的形成是：U=Ur-Uf 。,60,3.2 程序自动控制系统,61,当自动控制系统的给定信号 (相当于上节中的Ur ) 是已知的时间函数时，称这类系统为程序控制系统（Program Control System）。图3.2表示一个仿模铣床的原理示意图。这是一个闭环控制系统。但是制做一个精确的立体木模是一个精细、
28、费工的工作。所以后来又将木模以纸带（或磁带）上的脉冲系列来代替，这时的闭环控制系统如图3.3所示。加工时，由光电阅读机把记录在穿孔纸带（或磁带）上的程序指令，变成电脉冲（即指令脉冲），送入运算控制器。运算控制器完成对控制脉冲的寄存、交换和计算，并输出控制脉冲给执行机构。执行机构根据运算控制器送来的电脉冲信号，操作机床的运动，完成切削成型的要求。,62,3.3 随动系统（伺服系统）,在反馈控制系统中，若给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数，这种自动控制系统称为随动系统（Servo-mechanism）。国防上的炮跟踪系统（图2.18和图219）、雷达导引系统（图218上的左图）和天
29、文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。,63,3.4 自动控制系统的组成,（1） 给定环节 产生给定的输入信号；,（2）反馈环节 对系统输出（被控制量）进行测量，将它转换成反馈信号；,（3） 比较环节 将给定的输入信号和反馈信号加以比较，产生“误差”信号；,（4）控制器（调节器） 根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心 部分；,（5） 执行环节（执行机构） 将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化；,（6） 被控对象 控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量；,（7） 扰动 除输入信号外能使被控量偏离输入信号所要求的值或规律的控制系
30、统内、外的物理量。,64,自动控制系统的各环节功能框图,65,3.5 自动化仪表,（1）传感器 实现对信号的检测并将被测的物理量变换为另一个物理量 (通常是电量) ，例如热电偶； （2）变送器 与传感器配套，使输出成为标准信号。例如对DDZ 电动单元组合仪表，标准信号为4 20ma ； （3）控制器（调节器） 采用模拟信号的调节器使用较多，它接受来自被控对象的测量值和给定值或它们的误差，并根据一定的控制（调节）规律产生输出信号以推动执行机构（执行器）。 控制器起了图3.4中给定环节、比较环节和控制器三者的作用； （4）放大器 用以增加信号的幅度或(和)功率，如如晶体管放大器，也可以由电信号放大
31、到气动信号（如电-气转换器）； （5）执行机构 接受控制器来的信息并对被控对象施加控制作用，如电动机M。工业控制常用的执行机构是气动薄膜调节阀、液压伺服马达、电动调节阀等。,66,3.6 控制器控制和计算机控制,以上系统的各个信号：输入信号、误差、控制器输出和输出量等都是模拟信号，即随时间连续变动的信号。在一些现代的控制系统中常用微型计算机来代替控制器，这对于实现复杂的控制性能很有必要，如最优控制、自适应控制等等。这时计算机控制系统（Computer Control System）的框图如图3.5所示。其特点是系统中一处或几处的信号具有数字代码，此外还有离散信号（采样信号）的出现如图3.6。系
32、统的另一个特点是以计算机程序来实现PID控制规律或更复杂的控制规律。,67,图35 计算机控制系统框图,图36 模拟信号采样示意图,68,3.7 自动控制和远距离控制,在一个自动化系统中各设备和自动化仪表之间的距离往往是较短的。,69,远距离测量（遥测）系统,图3.8 遥测系统框图,在一个自动化系统中，若是设备之间有较长的距离，例如数十、或数百、数千公里就不能用通常的电气或机械的联系来传递测量信号、反馈信号和控制信号。这时，需要在分离的设备之间设立专门的（通）信道。（通）信道是传输信息的媒质或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。,70,图3.9 远距离控制(遥控)系统框图,发送端
33、把所需传送的控制命令、测量数据、反馈信号等经过调制、编码等变换处理之后，再经过（通）信道传递。在接收端，即（通）信道的另一端，把收到的信号经过解调、译码等反变换处理，恢复为原来的形式（图38和图3.9）。,71,4 基本的控制方法,72,4.1 自动控制系统的行为描述,在自动控制系统进行着：不断地检测被控制量，并反馈、比较，不断地得到误差信号的过程；而且进行着：借助于此误差信号，不断地通过变换、放大使执行机构动作，力图使被控制量回复到给定值并消除误差的过程。这是一个动态过程。由于被控对象，例如图3.1中的电炉和执行机构电动机及相附的降速齿轮系都有惯性，甚至较大的惯性。这就是说：假如电炉的供电电
34、压突然降为零，电炉炉膛和工件的温度不是突然降为室温，而是慢慢下降；电动机供电电压突然降为零，电动机也要从原来的转速，逐步降为零。只不过后者的降速过程较电炉的降温过程要快得多，即电炉的惯性较电动机大得多。由此可知，电炉、电动机等惯性的存在，是自动控制系统产生动态调节过程的根本原因。,73,0,t,u,f,u,f,u,r,图4.1 自动控制系统中被控制量的振荡,图4.2 稳定的炉温调节系统的炉温变化,电炉炉膛温度Uf在t=0冷工件进入后，稍后温度开始下降，接着就开始产生力图校正误差的控制作用（图上曲线上的向上箭头，表示电炉受到的新增电能供应）。当Uf向上升并与 Ur的横线相交时Uf=Ur,U=0，
35、此时放大器输出为0，图4.1 自动控制系统中被控制量的振荡电动机降速至停止转动。但电炉受到电能的过度供应，炉膛温度继续上升。,74,不稳定的自动控制系统不能正常工作，而且系统处在振荡过程中,环节或元件很易损坏。为了正确阐明自动控制系统内在的规律，彻底解决不稳定问题，需要进行理论分析。而且这种理论分析要从每一个环节或元件的特性入手。,环节或元件的动特性,放大器输入-输出时间特性关系如图4.3所示，输入电压经放大器放大后得出输出电压，与此同时输出功率也被放大，所需功率来自放大器的电源。,75,环节或元件的动特性,电动机和电炉的时间特性比较复杂。电动机的特点是电压加上后，它不停地转动，即它输出轴的角
36、位移或调压器的滑动触点不断移动 。,电动机输出轴的角位移在原点附近有很小一段的曲线。而电炉的温度-时间特性如图4.5所示。图中在原点附近有一小段时间温度几乎不变，这是电炉输出变化的滞后。这些需要用微分方程和其解来描述。,76,要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品质等重要问题，必须用微分方程、拉普拉斯变换等高等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组成的自动控制系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系统的数学模型。而图4.1上的调节过程就是描述这个电炉温度控制系统的微分方程的解。,要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品质等重要问题，必须用微分
37、方程、拉普拉斯变换等高等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组成的自动控制系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系统的数学模型。而图4.1上的调节过程就是描述这个电炉温度控制系统的微分方程的解。,77,4.2 反馈控制和扰动补偿,由反馈控制的基本结构可以看出，控制器由误差引起了动作，因此在反馈控制系统的调节过程中误差的发生不可避免。而误差的产生是用来力图消灭误差。有时这会导致在调节过程中出现较大的误差甚至引起振荡。另一种消除被控制对象由于外界扰动引起误差的方法，称为扰动补偿。扰动补偿的原理在于扰动进入被控对象的同时也进入对象前部的控制器（图4.6）
38、。两个通道的作用是相反的（相互抵消的），结果可使得对象的输出即被调节量-方向维持近似不变。当然，如果补偿得好，也可以使被调量不变。扰动补偿形成了另一个回路，称为前馈回路，或前馈通道。,78,图4.6 复合自动控制系统框图,陕西一彩色显像管厂，实际应用计算机作为PID控制器对大型显像管玻璃炉进行炉温自动控制。控制系统中实现对两个主要扰动的扰动补偿。一个是向炉内的投料量（玻璃原料量），它是可测量的。另一个是大气温度，实现对大气温度的扰动补偿。,79,4.3 比例微分积分控制,自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的元件（环节）和（或）有滞后的元件，使力
39、图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化，如图4.1上的箭头所示。这自然令人想到：解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零，如图4.7上所示。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分”项。它能预测误差变化的趋势。,控制规律,80,控制规律中引入微分、积分 有静差和无静差,图4.7 在控制规律中引入微分,如果自动控制系统是稳定的，有一个现象很值得重视：被控制量（系统输出）在扰动出现后能否较精确地回到所要求的给定值。若是否定的，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（图4
40、.8）。,为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分”项。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，也会便随着时间的增加而积分项加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，简称无差系统。,81,4.4 最优控制,控制作用的变化规律是唯一的。 航天飞行器同样的飞行所消耗的燃料愈少愈好（最省燃料的航天器飞行控制系统）。或者同样的燃料，飞行的距离愈远愈好。 这一类的自动控制系统中对于控制都有一定的技术指标，但与以往不同的是：通过设计控制作用要使这个技术指标达到极值（极大或极小）。 这要应用庞特里亚金提出的极大值原理和贝尔曼创立的动态规划(见2.
41、3.4.1 小节)。,82,4.5 自适应控制,图2.23 自适应控制框图,图2.24 自校正控制框图,有些被控对象的数学描述（数学模型）受到无法测量的外界扰动的影响。自适应控制系统根据控制输入和输出的情况（甚至调节过程的品质）来改变计算机控制的控制器的PID参数。这时，反馈控制器和自适应控制器实际上都由一个计算机来完成。,83,显象管玻璃炉液位自校正控制,图4.11 控制管玻璃炉侧视图 图4.12 三种控制方式下液位的比较,玻璃炉在结构上可分为四个部分：熔解池、工作池、两个蓄热室和两台投料机。大型玻璃炉有2层楼高，仅熔解池就有75M2面积。,实际应用计算机作为PID控制器对大型显像管玻璃炉进
42、行炉温自动控制。,84,4.6 智能控制,对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析、设计。智能控制具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。,按照这些思路已经研究出一些智能控制的理论和技术： 专家控制系统 、模糊控制系统 、神经控制系统及学习控制 系统。,85,4.6.1 专家控制系统,操作员看着反馈环节（传感器）对被控制量的测量指示，脑里进行着复杂的推理和判断，首先判断瞬时误差的正负和大小，然后识别调节过程的特征，如超调（在调节过程中的调节过头）、振荡次数（调节过程中的）和稳态误差等
43、，再根据以往的控制知识和经验决定：应该施加多大（增加还是减少）的控制器输出至执行机构。,图4.13 专家控制器的结构,86,4.6.2 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。,87,
44、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(wji-j),88,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,89,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
45、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。,90,4.6.4 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,
46、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，改进算法更广泛地模拟人类的某些行为（如判断、推理等）。,91,4.7 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,92,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。,93,对二阶系统的相平面研究法,94,二阶线性系统的过渡过程特性x(t)和
47、对应的x(t)及其相平面的轨迹,.,95,图4.27 非线性系统的相迹图,图4.27 非线性系统的相迹图,96,图4.29 具有不灵敏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。,97,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
48、的条理性。,98,5 控制与自动化技术的应用范畴,99,5.2 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 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。,100,5.2 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、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。,
