控制工程概论教案

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1、控制工程概论Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望联系方式联系方式王蓓王蓓办公地点：研究生楼办公地点：研究生楼1105-A室室Tel：64253581，13701843508E-mail：考核方式考核方式考勤考勤(平时成绩平时成绩)、考查、考查(期末成绩期末成绩) 参考书目参考书目过程控制工程过程控制工程，俞金寿，蒋慰孙，电子工业，俞金寿，蒋慰孙，电子工业出版社，出版社，20072007年年7 7月第月第3 3版。版。第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 控制理论控制理论

2、20 20世纪世纪4040年代开始形成的控制理论被称为年代开始形成的控制理论被称为“2020世纪上半叶三大伟绩之一世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个方，在人类社会的各个方面有着深远的影响。面有着深远的影响。 国际著名学者、哈佛大学的何毓琦教授曾提出国际著名学者、哈佛大学的何毓琦教授曾提出一个振奋人心的新观点：一个振奋人心的新观点：“控制将是控制将是2121世纪的物理世纪的物理学学(Control will be the physics of the 21st century)”。1.1 1.1 控制理论控制理论第一章第一章 绪论绪论l Nobert WeinerCybernetics

3、Or Control And Communication In The Animal And The Machine, written in 1947, published in 1948, by Norbert Wiener.1.1 1.1 控制理论控制理论第一章第一章 绪论绪论l 钱学森钱学森Engineering Cybernetics, 1954, 钱学森钱学森.工程控制论工程控制论的创始人的创始人第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l我国古代的指南车我国古代的指南车 当车子转弯偏离正南方向时当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就车辕前端就顺此方向顺此方向

4、移动，而后移动，而后端则向端则向反方向反方向移动，并将传动齿移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰下的大齿轮向相反方向转动，恰好好抵消抵消车子转弯产生的影响。车子转弯产生的影响。独臂木人独臂木人双轮独辕车双轮独辕车齿轮系齿轮系第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l瓦特的蒸汽机调速器瓦特的蒸汽机调速器 公元公元1788年，年，J.瓦特瓦特将将离心式调速器离心式调速器与与蒸汽机蒸汽机的阀门的阀门连接起来，构成蒸连接起来，构成蒸汽机转速的汽机转速的闭环自动调速闭环自动调速系统系统。第一章第一章 绪论绪论1

5、.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l第二次世界大战前后第二次世界大战前后1932年，奈奎斯特频率域分析技术；年，奈奎斯特频率域分析技术；1945年，伯德图；年，伯德图；1948年，根轨迹法。年，根轨迹法。 自动化控制技术开始形成一套完整的，以自动化控制技术开始形成一套完整的，以传递函数传递函数为为基础的，对基础的，对单输入单输出单输入单输出控制系统进行分析与设计的理论。控制系统进行分析与设计的理论。也就是今天所谓的也就是今天所谓的经典控制理论经典控制理论。第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l20世纪世纪60年代年代1960年，状态空间法；年，状态

6、空间法；1962年，极大值原理；年，极大值原理；1963年，动态规划方法。年，动态规划方法。 自动化控制技术发展迅猛，以自动化控制技术发展迅猛，以状态空间状态空间方法为基础，方法为基础，对对多输入多输出多输入多输出系统控制系统进行分析与设计的理论。基系统控制系统进行分析与设计的理论。基本形成了本形成了现代控制理论现代控制理论体系。体系。第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l20世纪世纪70年代年代 1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的优化与年左右起，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形控制问题，现代控制理论和系

7、统理论相结合，逐步发展形成了成了大系统理论大系统理论（Mohammad，1983）。）。 大系统理论的核心思想是大系统理论的核心思想是系统的分解与协调系统的分解与协调，多级递多级递阶优化与控制阶优化与控制正是应用大系统理论的典范。正是应用大系统理论的典范。第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 控制理论的发展史控制理论的发展史l20世纪世纪80年代年代 1980年代发展起来的是年代发展起来的是智能控制智能控制(Intelligent Control)。对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的的专家系统专家系统、模糊控制模糊控制、人工神

8、经网络控制人工神经网络控制、学习控制学习控制和和基于信息论的智能控制基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用，从而成为自动控制的前沿学科之一。到了广泛的应用，从而成为自动控制的前沿学科之一。第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 工业过程控制发展史工业过程控制发展史l20世纪世纪50年代年代 以以基地式控制基地式控制等组成的控制系统，如等组成的控制系统，如自力式温度控自力式温度控制器制器、就地式液位控制器就地式液位控制器等，功能往往局限于等，功能往往局限于单回路控制单回路控制。 时至今日，这类控制系统仍没有淘汰，而且还有了新时至今日，这类控制

9、系统仍没有淘汰，而且还有了新的发展，但所占的比重大为减少。的发展，但所占的比重大为减少。第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 工业过程控制发展史工业过程控制发展史l20世纪世纪60年代年代 出现了出现了单元组合仪表组成的控制系统单元组合仪表组成的控制系统，主要分为，主要分为电电动和气动动和气动两大类，其控制策略主要是两大类，其控制策略主要是简单控制系统简单控制系统（PID控制）和常用的控制）和常用的复杂控制系统复杂控制系统（串级、均匀、比值、前馈、（串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。分程和选择性控制等）。 单元组合仪表组成的控制系统，已延续单元组合仪表组成的控制系统，已延续40多年

10、，目前多年，目前国内还广泛应用。国内还广泛应用。第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 工业过程控制发展史工业过程控制发展史l20世纪世纪70年代年代 出现了出现了计算机控制系统计算机控制系统，最初是，最初是直接数字控制直接数字控制(DDC)代替了常规控制仪表。由于集中控制的固有缺陷，后又被代替了常规控制仪表。由于集中控制的固有缺陷，后又被集散控制系统集散控制系统(DCS)所替代。所替代。 就控制策略而言，就控制策略而言，DCS仍以仍以简单简单PID控制为主控制为主，再加，再加上一些上一些复杂控制算法复杂控制算法，并没有充分发挥计算机的功能和控，并没有充分发挥计算机的功能和控制水平。制水平。第一

11、章第一章 绪论绪论1.3 1.3 工业过程控制发展史工业过程控制发展史l20世纪世纪80年代年代 出现了出现了优化与控制两层结构优化与控制两层结构，在，在DCS的基础上实现的基础上实现先进控制和操作优化。在硬件上采用上位机和先进控制和操作优化。在硬件上采用上位机和DCS或电动或电动单元组合仪表相结合，构成单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制二级计算机优化控制。-多层次计算机网络构成的多层次计算机网络构成的管控一体化系统管控一体化系统（CIPS）。）。-以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯

12、的与控制系统之间进行全数字化、双向和多站通讯的现场总现场总线网络控制系统线网络控制系统（FCS） 。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 过程控制系统发展的主要特点过程控制系统发展的主要特点l生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流 先进过程控制先进过程控制(Advanced Process Control, APC)是指是指一类在动态环境中，基于模型、借助充分计算能力，为工一类在动态环境中，基于模型、借助充分计算能力，为工厂获得最大利润而事实的运行和技术策略。厂获得最大利润而事实的运行和技术策略。 先进控制策略主要有：先进控制策略主要有：多变量预测控制、推理控制及多变

13、量预测控制、推理控制及软测量技术、自适应控制、鲁棒控制、智能控制软测量技术、自适应控制、鲁棒控制、智能控制等，尤其等，尤其是智能控制已成为开发和应用的热点。是智能控制已成为开发和应用的热点。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 过程控制系统发展的主要特点过程控制系统发展的主要特点l过程优化得到迅速发展过程优化得到迅速发展稳态优化稳态优化：寻找最佳的工艺变量（参数）设定值以获得最：寻找最佳的工艺变量（参数）设定值以获得最大的经济效益；大的经济效益；离线优化离线优化：利用稳态模型在约束条件下寻优的方法，求解：利用稳态模型在约束条件下寻优的方法，求解最优的工艺变量值，提供操作指导；最优的工艺变量值，

14、提供操作指导；在线优化在线优化：周期性完成模型计算、模型和参数修正，并将：周期性完成模型计算、模型和参数修正，并将最优变量值直接送到控制器作为设定值。最优变量值直接送到控制器作为设定值。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 过程控制系统发展的主要特点过程控制系统发展的主要特点l故障预报与诊断收到各方普遍关注故障预报与诊断收到各方普遍关注 故障预报与诊断技术故障预报与诊断技术(Fault Estimation and Diagnosis Technology)，是指对系统的异常状态的，是指对系统的异常状态的检测检测、异常状态原、异常状态原因的因的识别识别以及包括异常状态以及包括异常状态预报预报在

15、内的各种技术的总称。在内的各种技术的总称。 故障预报与诊断技术是一门故障预报与诊断技术是一门综合性技术综合性技术，涉及了多门，涉及了多门学科。其目的是力求提高故障的正确检测率，学科。其目的是力求提高故障的正确检测率，降低故障的降低故障的漏报率和误报率漏报率和误报率。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 过程控制系统发展的主要特点过程控制系统发展的主要特点l传统的传统的DCS走向国际统一标准的开放式系统走向国际统一标准的开放式系统 随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，随着综合自动化的潮流和计算机科学与技术的发展，诞生了一种国际标准的诞生了一种国际标准的现场总线现场总线(Fieldbus

16、)控制系统控制系统。 现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，是现场总线是自动化领域技术发展的热点之一，是新一新一代分布式计算机控制系统代分布式计算机控制系统，标志着工业控制技术领域有一，标志着工业控制技术领域有一个新时代的开始，成为个新时代的开始，成为21世纪自动控制系统的主流。世纪自动控制系统的主流。第一章第一章 绪论绪论1.4 1.4 过程控制系统发展的主要特点过程控制系统发展的主要特点l综合自动化系统是发展方向综合自动化系统是发展方向 综合自动化综合自动化就是在计算机通信网络和分布式数据库的就是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成，进而充分调动人的因素支持下，实

17、现信息与功能的集成，进而充分调动人的因素的经营系统、技术系统及组织系统的集成，最终形成一个的经营系统、技术系统及组织系统的集成，最终形成一个能能适应生产环境不确定性适应生产环境不确定性和和市场需求多变性市场需求多变性的的全局优化全局优化的的高质量、高效益、高柔性的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统智能生产系统。第一章第一章 绪论绪论1.5 1.5 过程控制工程的研究对象与任务过程控制工程的研究对象与任务l过程控制的研究任务过程控制的研究任务（1） 对已有的对已有的控制系统控制系统进行进行分析分析，总结控制系统的特点，总结控制系统的特点，发现发现存在的存在的不足不足并加以并加以改进改进；（2）

18、生产过程的）生产过程的工艺流程确定工艺流程确定后，后，设计设计出满足工艺要求出满足工艺要求的的控制方案控制方案；（3）在控制方案确定后，如何）在控制方案确定后，如何使控制系统使控制系统能够能够正常运行正常运行，并发挥其功能。并发挥其功能。第一章第一章 绪论绪论1.5 1.5 过程控制工程的研究对象与任务过程控制工程的研究对象与任务l过程控制工程的学科结构图过程控制工程的学科结构图第一章第一章 绪论绪论1.5 1.5 过程控制工程的研究对象与任务过程控制工程的研究对象与任务l过程控制系统过程控制系统的控制结构的控制结构控制工程控制工程控制原理控制原理与方法与方法最优化最优化方法与技术方法与技术对象机理对象机理测量与控制测量与控制仪表仪表计算机计算机与网络技术与网络技术系统仿真系统仿真技术技术第一章第一章 绪论绪论1.5 1.5 过程控制工程的研究对象与任务过程控制工程的研究对象与任务第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 简单控制系统简单控制系统第三章第三章 复杂控制系统复杂控制系统第四章第四章 先进控制系统先进控制系统第五章第五章 智能控制系统智能控制系统主要内容主要内容