(自动化学科讲演2.ppt

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50—70年代（现代控制理论的应用）； 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，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.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