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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u家庭全自动照相机、洗衣机、电饭 煲;u银行自动取款机ATM;u交通自动控制的红绿灯;u楼宇自动门、自动自来水开关;u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
2、与自动化学科,专业1.2 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、 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 状态。n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n我国古代的指南车(公元235年);n1788年瓦特的飞球调节器;n20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);n20世纪5070年代(现代控制理
3、论的应用);n人造卫星(1957年);阿波罗飞船登上月球(1957年) ; n物控机床(1952年);工业机器人(1954年).n20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) n工业化发展的三个阶段:n机械化(蒸汽机、动力机)n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)1.自动化与自动化学科,专业n信息化发展阶段:n数字化(数字计算机起源1946年,1960年 大量应用)n网络化(通讯网络起源1969年,1980年大 量应用)n系统化(系统、管理、
4、集成,起源1975年, 1990年大量应用)n现代化发展阶段(中国人发明)n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n系统建模:机理建模、实验建模(系统 辨识).n系统分析:稳定性、稳态性能、暂态性 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 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 n时域分析法(数学模型:高阶微分方程 ).n根轨迹法(数学模型: 传递函数. 1948 年W.Evans提出并完善.)n频率特性法(传递函数.
5、 1939年奈奎斯 特图、伯德图).n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 n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 )n系统辨识(最小二乘法)n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 )n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)n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 分代数等)n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
6、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n模糊控制n神经网络控制n专家系统n遗传算法(智能优化)n免疫算法(智能优化)n蚁群算法(智能优化)n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.n内模控制(IMC)n模型预测控制(MPC)n动态矩阵控制(DMC)n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
7、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n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) n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) n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)n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 n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).n递阶的分布式计算机控制系
8、统:(现场总线,信息 集成控制技术等).n工程系统控制管理一体化:(企业级、工厂级、车 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(CIMS )n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 n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n理论基础:控制论(维纳),信息论(香农 )和系统论(贝塔朗菲)n方法:集中控制;分数控制;分解协调控 制等n范围:生命、气候、生态、地球表面、人口 、人体和社
9、会控制等3.自动化学科的发展趋势 3.4模式信息处理 n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 、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 然语言处理相结合等).n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 n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.n基于物理符号的AI的进展:(逻辑表达或代 数表达).n联接机制AI的进展:(并行分布式处理模型 ).n机器学习:(知识获取).n人机共栖:
10、(智能的人机交互界面)n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 n装配机器人n自动导向可移动或行走机器人n直接驱动机器人n智能机器人n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:n温度控制n压力控制n流量控制n物位控制n成分控制等复杂过程控制有:n前馈控制n时滞控制(史密斯预估补偿)n解耦控制n比值控制n均匀控制n超池控制n分程控制n阀位控制等 4. 冶金工程中的控制方法 4.2计算机控制系统n直接数字控制系统(DDC)n监督控制系统(SCC)n集散(分布)控制系统(DCS)n可编程控制系统(PLC)n计算机集成过程系统(CIPS):是化工、炼 油、冶金和石化等流程工业的CIMS.n现场总线技术n信息集成控制技术谢谢!