自动化概论赵曜第2章节4自动控制发展.ppt

2.4 自动控制的发展概况 自动控制的两个组成部分 自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于“软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面 2.4.1 自动控制技术的发展概况 自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平； 早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等； 随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升； 上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难； 计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及； 常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。 单片机 工业控制计算机 可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，简称“PLC”） 数字信号处理器（ Digital Signal Processor，简称“DSP” ） 计算机控制方式的演变 第一阶段：集中控制 用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。 第二阶段：单机控制 一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调 、电饭煲的控制等。 第三阶段：分散控制 对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。 典型例子有： 计算机集成制造系统 CIMS （Computer Integrated Manufacturing System） 集散控制系统 DCS （Distributed Control System） 现场总线控制系统 FCS （Fieldbus Control System） 现代计算机控制系统：管控一体化 一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。 现代生产自动化系统通常具有三层结构： 基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等； 运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等； 经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等； 这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。 2.4.2 自动控制理论的发展概况 几个常用术语： ①线性系统和非线性系统 线性系统可以用线性方程来描述其运动规律，否则就是非线性系统。线性系统满足“均匀性” 和“叠加性”。 ② 定常系统和时变系统 定常系统制系统的所有参数是固定的，不随时间而改变；时变系统则正好相反，有随时间而改变的参数。 ③单变量系统和多变量系统 　单变量系统是说系统只有一个输入和一个输出，又称为“单输入单输出系统 ”；多变量系统则指输入或输出不止一个，也叫“多输入多输出系统” 。 ⑤ 恒值与随动控制系统 恒值控制系统： 系统输入（给定信号）为一常值，控制目标是使系统输出（被控量）保持恒定。 如温度、水位、转速控制系统 自动控制理论发展的三个阶段 自动控制理论的发展一直受到实际需求的驱动； 20世纪前半叶工业生产对广泛应用各种自动控制装置的需求以及“二战”期间对改进武器系统性能的需求（如雷达跟踪、火炮控制、舰船控制、飞机导航等）推动了第一代控制理论——经典控制理论的成熟与发展； 20世纪60年代航空航天领域对运载火箭、人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求催生了被称为“现代控制理论”的第二代控制理论； 20世纪70年代以来控制系统的规模越来越大、结构和特性越来越复杂、对控制性能的要求却越来越高，从而导致了第三代控制理论的研究和发展； 第三代控制理论至今没有明确的定义和范围，一般泛指各种先进的新型控制理论与方法，如智能控制、大系统控制、鲁棒控制、预测控制、自适应控制、多变量频域控制、非线性系统控制等，