自动化学科讲演

自动化学科概论自动化学科概论(控制理论在冶金工程中的应用控制理论在冶金工程中的应用)1目录1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业2.自动化的基本原理自动化的基本原理 3.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势4.控制理论在冶金工程中的应用控制理论在冶金工程中的应用 21.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.1 自动化概念自动化概念u家庭家庭全自动照相机、洗衣机、电饭全自动照相机、洗衣机、电饭煲；煲；u银行银行自动取款机自动取款机ATM；u交通交通自动控制的红绿灯；自动控制的红绿灯；u楼宇楼宇自动门、自动自来水开关；自动门、自动自来水开关；u日常生活日常生活温度控制系统温度控制系统3温度系统原理图 4温度控制系统原理图 5自动化的定义 自动化是指机器设备、系统自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动控制、信照人的要求，经过自动控制、信息处理、分析判断、操纵控制等息处理、分析判断、操纵控制等来实现预期的目标来实现预期的目标61.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.2 自动化内容和应用范围自动化内容和应用范围n设备、过程或系统的自动化：指设备、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。

过程或系统的自动运行或自动控制n自动化技术或设备：指用于自动运行或自动化技术或设备：指用于自动运行或自动控制的技术或设备自动控制的技术或设备n自动化状态：被自动控制或自动操作的自动化状态：被自动控制或自动操作的状态n应用范围：自动化涉及的范围极其广泛，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；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，农业自动化；服务自动化（办公，楼宇，商务，交通等）各行各业商务，交通等）各行各业71.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.3 自动化的发展历史自动化的发展历史n我国古代的指南车（公元我国古代的指南车（公元235年）；年）；n1788年瓦特的飞球调节器；年瓦特的飞球调节器；n20世纪世纪20年代年代40年代：电子反馈放大器（火炮年代：电子反馈放大器（火炮控制系统）控制系统）（经典控制理论的应用）；（经典控制理论的应用）；n20世纪世纪5070年代（现代控制理论的应用）；年代（现代控制理论的应用）；n人造卫星人造卫星(1957年年)；阿波罗飞船登上月球；阿波罗飞船登上月球(1957年年)；n物控机床物控机床(1952年年)；工业机器人；工业机器人(1954年年).n20世纪世纪80年代以来年代以来:加工中心和计算机集成制造加工中心和计算机集成制造系统（系统（CIMS）81.自动化与自动化学科，专业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）中的作用和地位（介绍几个概念）n工业化发展的三个阶段：工业化发展的三个阶段：n机械化（蒸汽机、动力机）机械化（蒸汽机、动力机）n电气化（电机、发电机、供电网络）电气化（电机、发电机、供电网络）n自动化（电子控制器、自动化生产线）自动化（电子控制器、自动化生产线）91.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业n信息化发展阶段：信息化发展阶段：n数字化（数字计算机起源数字化（数字计算机起源1946年，年，1960年年大量应用）大量应用）n网络化（通讯网络起源网络化（通讯网络起源1969年，年，1980年大年大量应用）量应用）n系统化（系统、管理、集成，起源系统化（系统、管理、集成，起源1975年，年，1990年大量应用）年大量应用）n现代化发展阶段（中国人发明）现代化发展阶段（中国人发明）n后工业化（发达国家）后工业化（发达国家）101.自动化与自动化学科，专业1.5自动化学科111.自动化与自动化学科，专业 1.6自动化专业122.自动化的基本原理自动化的基本原理2.2 自动控制系统的研究内容自动控制系统的研究内容n系统建模：机理建模、实验建模（系统系统建模：机理建模、实验建模（系统辨识）辨识）.n系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性能、抗干扰性、鲁棒性等能、抗干扰性、鲁棒性等.n系统综合：设计控制器（应用自动控制系统综合：设计控制器（应用自动控制理论）理论）.132.自动化的基本原理2.3 自动控制理论2.3.1 经典控制理论经典控制理论 n时域分析法（数学模型时域分析法（数学模型:高阶微分方程）高阶微分方程）.n根轨迹法（数学模型根轨迹法（数学模型:传递函数传递函数.1948年年W.Evans提出并完善提出并完善.）n频率特性法（传递函数频率特性法（传递函数.1939年奈奎斯年奈奎斯特图、伯德图）特图、伯德图）.n相平面法和描述函数法（传递函数相平面法和描述函数法（传递函数.应用应用于非线性系统）于非线性系统）.142.3 自动控制理论自动控制理论2.3.2 现代控制理论现代控制理论 n线性系统理论（数学模型：状态空间；能控性，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）能观性，系统综合或校正：极点配置法）n系统辨识（最小二乘法）系统辨识（最小二乘法）n最优控制（极大值原理，动态规划）最优控制（极大值原理，动态规划）n自适应控制（自校正控制，模型参考自适应）自适应控制（自校正控制，模型参考自适应）n随机控制（白噪声干扰，概率统计方法）随机控制（白噪声干扰，概率统计方法）n鲁棒控制（被控对象的不确定性）鲁棒控制（被控对象的不确定性）n容错控制（系统安全性、可靠性）容错控制（系统安全性、可靠性）n非线性理论（变结构控制，微分几何法，微分非线性理论（变结构控制，微分几何法，微分代数等）代数等）n复杂控制（大型冶炼企业，大电网的调度控制复杂控制（大型冶炼企业，大电网的调度控制以及社会、管理、经济等）以及社会、管理、经济等）152.3 自动控制理论自动控制理论2.3.3 智能控制技术智能控制技术 智能控制技术是针对难以建立精确的，有智能控制技术是针对难以建立精确的，有效的数学模型，从而无法应用经典或现代控制效的数学模型，从而无法应用经典或现代控制理论进行分析，综合的复杂对象理论进行分析，综合的复杂对象n模糊控制模糊控制n神经网络控制神经网络控制n专家系统专家系统n遗传算法（智能优化）遗传算法（智能优化）n免疫算法（智能优化）免疫算法（智能优化）n蚁群算法（智能优化）蚁群算法（智能优化）n混沌控制混沌控制 162.3 自动控制理论自动控制理论2.3.4 先进控制技术先进控制技术 先进控制技术是针对工业过程生产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，基于计算算法难以满足控制要求，基于计算机的控制算法机的控制算法.n内模控制（内模控制（IMC）n模型预测控制（模型预测控制（MPC）n动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMC）n广义预测控制（广义预测控制（CCPC）173.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势（六个方面或领域）（六个方面或领域）3.1控制理论控制理论3.2工程系统与控制工程系统与控制3.3系统科学与系统工程系统科学与系统工程3.4模式信息处理模式信息处理3.5人工智能人工智能3.6机器人学与机器人技术机器人学与机器人技术183.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.1控制理论控制理论n控制方法：系统模型的不确定性和非线性（自适控制方法：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）应，鲁棒，容错，先进控制和智能控制等）n研究复杂的对象：变量过多，维数太大（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）智能机器人、大型航天结构的复杂控制等）n计算机模拟试验研究：航空航天，电力，核能，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）、实验模拟与仿真等）n许多学科相互交叉和影响：（社会经济、生态环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）境、地球与大气等）193.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.2工程系统与控制工程系统与控制 n新型执行器的传感技术新型执行器的传感技术:（谐振传感器、光纤传感（谐振传感器、光纤传感器、集成传感器、生物传感器等）器、集成传感器、生物传感器等）.n递阶的分布式计算机控制系统递阶的分布式计算机控制系统:（现场总线，信息（现场总线，信息集成控制技术等）集成控制技术等）.n工程系统控制管理一体化工程系统控制管理一体化:（企业级、工厂级、车（企业级、工厂级、车间级、过程级、单元级）间级、过程级、单元级）.n柔性制造自动化和计算机集成制造系统（柔性制造自动化和计算机集成制造系统（CIMS）n系统仿真系统仿真203.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.3系统科学与系统工程系统科学与系统工程 n系统工程的概念：如系统工程的概念：如1969年年7月月21日，美国日，美国“阿波罗阿波罗11号号”飞船登月成功历时飞船登月成功历时11年的年的“阿波罗栽人登月计划阿波罗栽人登月计划”：2万多家公司，万多家公司，120多所大学和研究机构，多所大学和研究机构，42万余名参加人员，万余名参加人员，700多万个零部件和耗资多万个零部件和耗资300多亿美元多亿美元n理论基础：控制论（维纳），信息论（香农）理论基础：控制论（维纳），信息论（香农）和系统论（贝塔朗菲）和系统论（贝塔朗菲）n方法：集中控制；分数控制；分解协调控制方法：集中控制；分数控制；分解协调控制等等n范围：生命、气候、生态、地球表面、人口、范围：生命、气候、生态、地球表面、人口、人体和社会控制等人体和社会控制等213.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.4模式信息处理模式信息处理 n基本方法（统计模式识别和句法模式识别）基本方法（统计模式识别和句法模式识别）.n计算机视觉（马尔视觉计算理论、立体视觉、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）动态序列图像分析、视觉检测等）.n文字识别与分析（多字体印刷体识别、手写汉文字识别与分析（多字体印刷体识别、手写汉字识别、文本的理解等）字识别、文本的理解等）.n语音识别与理解（识别方法、语言识别与自然语音识别与理解（识别方法、语言识别与自然语言处理相结合等）语言处理相结合等）.n模式识别专用系统模式识别专用系统.223.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.5人工智能人工智能 n人工智能的概念：研究的机器或设备具有人的人工智能的概念：研究的机器或设备具有人的推理、理解、规划、决策、抽象、学习和创造推理、理解、规划、决策、抽象、学习和创造等能力等能力.n基于物理符号的基于物理符号的AI的进展：（逻辑表达或代数的进展：（逻辑表达或代数表达）表达）.n联接机制联接机制AI的进展：（并行分布式处理模型）的进展：（并行分布式处理模型）.n机器学习：（知识获取）机器学习：（知识获取）.n人机共栖：（智能的人机交互界面）人机共栖：（智能的人机交互界面）n专家系统专家系统.233.自动化学科的发展趋势自动化学科的发展趋势3.6机器人学与机器人技术机器人学与机器人技术 n装配机器人装配机器人n自动导向可移动或行走机器人自动导向可移动或行走机器人n直接驱动机器人直接驱动机器人n智能机器人智能机器人n复杂的运动学、动力学和控制问题复杂的运动学、动力学和控制问题n与机器人有关的人工智能研究与机器人有关的人工智能研究244.冶金工程中的控制方法冶金工程中的控制方法4.1过程控制系统过程控制系统 常规过程控制有：常规过程控制有：n温度控制温度控制n压力控制压力控制n流量控制流量控制n物位控制物位控制n成分控制等成分控制等复杂过程控制有复杂过程控制有：n前馈控制前馈控制n时滞控制（史密斯预估补偿）时滞控制（史密斯预估补偿）n解耦控制解耦控制n比值控制比值控制n均匀控制均匀控制n超池控制超池控制n分程控制分程控制n阀位控制等阀位控制等 254.冶金工程中的控制方法冶金工程中的控制方法4.2计算机控制系统计算机控制系统n直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）n监督控制系统（监督控制系统（SCC）n集散（分布）控制系统（集散（分布）控制系统（DCS）n可编程控制系统（可编程控制系统（PLC）n计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS）:是化工、炼油、是化工、炼油、冶金和石化等流程工业的冶金和石化等流程工业的CIMS.n现场总线技术现场总线技术n信息集成控制技术信息集成控制技术26谢谢！27。