控制与自动化技术的应用范畴课件.ppt

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1、5 控制与自动化技术的应用范畴,5.2 机械制造自动化 5.3 过程工业自动化5.4 电力系统自动化 5.5 飞行器控制 5.6 智能建筑 5.7 智能交通系统 5.8 生物控制 5.9 生态与环境控制5.10 社会经济控制5.11 大系统控制与系统工程,5.1 引言,控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。,5.2 机械制造自动化,机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建设有非常巨大的影响。机械制

2、造自动化技术从20世纪50年代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段，正向计算机集成制造(CIM)发展。,5.2.1 数控技术和数控系统,在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。,图5.1 计算机数控系统结构图,数字控制（简称数控）灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化制造技术,一种灵活、通用、高精度、高效率

3、的“柔性”自动化生产技术数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。简单地说，数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术。,计算机数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器(PC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图5.l所示。,5.2.2 柔性制造系统(FMS),柔性制造系统（简称FMS）是在计算机直接数控(DNC)基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制

4、造系统一般包括以下要素：(1)标准的数控机床或制造单元。（制造单元是指具有自动上下料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床）；(2)在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；(3)发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；(4)中央刀具库及其管理系统；(5)自动化仓库及其管理系统。,由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。,自动输送车,中央管理和控制计算机,物流控制装置

5、,夹具站,自,动,化,仓,库,工厂主计算机,信息传输网,库,具,CNC机床,机器人,附属工作站,CNC机床,机器人,附属工作站,制造单元,刀,图5.2 柔性制造系统结构图,5.2.3 计算机集成制造系统(CIMS),计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的完整的生产系统。,图5.3 计算机集成制造系统组成框图,5.3 过程工业自动化,在连续型工业

6、中，主要对系统的温度，压力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业，称之为过程工业。,过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。,5.3.1 过程工业自动化的研究内容及特点,工业生产过程的自动控制称为过程控制，它是过程工业自动化的核心内容。过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。,早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。,但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广

7、泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System，简称DCS)。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。,5.3.2 基于计算机技术的过程控制系统,生产过程,数字计算机,A/D转换,D/A转换,操作台,扰动,控制变量,输出变量,控制台,控制台,过程控制计算机,控制单元,控制单元,多路采集器,可编程逻辑控制器,数据通道,工程师/操作员控制台,其他系统,图5.5 分布式计算机控制系统,图5.4 直接数字控制系统,图5.6 计算机集成生产系统的结构模型,生产过程计算机集

8、成控制系统是一种综合自动化系统。目的是要使企业用最短的周期、最低的成本、最优的质量，生产出适销对路的产品，以获取最大的经济效益，增强国内外市场的竞争能力。,其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成，并求得全局优化,5.4 电力系统自动化,5.4.1 安全供电离不开自动化,5.4.2 经济运营需要开自动化 对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要 考虑电厂的煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量）。此外，还要考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的联网时，需要依靠自动化和计算机来实现最优经济运营。,对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需

9、要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控。由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。,5.4.3 供电质量的自动化要求,供电质量主要指电压质量和频率质量。我国电力系统的频率标准是50hz，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。,但频率变化是电力系统内电力盈亏的标志。电力系统内发电出力多于用电量时，多余的

10、电力转化为加速电机转速的动能，频率将加快；发电不足时，发电机付出动能来满足用电的需要，频率将下降。所以，电力系统运行中，需要自动调频装置来保持电力的正常盈亏平衡，根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。,电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。,1965年11月9日下午5点16分11秒，纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们先后在2.72秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速，频率上升，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电力，在大约1

11、.5秒内，这些线路的过负载保护先后动作而断开，造成纽约市缺电大约130万kw，从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了100万kw，以至电压和频率不能平衡。几分钟内，该区内频率下降，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承损坏而停运，最终导致全市停电。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作，全市大乱。断电时间长达13.5小时。,由此可知，先进、可靠的电力自动化系统是多么重要和必要！,5.4.4 从一次停电事故看电力系统自动化,5.5 飞行器控制,5.5.1 导弹控制系统的功用 5.5.2 导航系统 5.5.3 制导系统 5.5.4 姿态

12、控制系统 5.5.5 飞行控制电子综合系统 5.5.6 测试与发射控制系统,现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器控制的内容非常丰富：,5.5.1 导弹控制系统的功用,图5.7 飞行器控制系统的构成,导弹控制系统的主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。控制系

13、统的作用就是消除或减小干扰和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,5.5.2 导航系统,飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。,所谓导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为导航系统。,5.5.3

14、制导系统,图5.8 追踪法示意图,制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。,5.6 智能建筑,5.6.1 智能建筑的概念及构成 智能建筑，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。,智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。建筑物的使用者和管理者可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视(或

15、卫星电视)、计算机通信、购物、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化，简称BA)系统、通信自动化，简称CA)系统和办公自动化，简称OA)系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑“3A”结构。,图5.11 3A智能建筑的构成,三大基本要素：楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统。,5.6.2 楼宇自动化系统,对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视、或节能控制、非正常运行状态报警。并通过与办公自动化及通信自动化系统的综合设计，支持面向用户的服务功能，提高

16、大楼的舒适性、安全性、节能性，降低费用，实现高度的集成化管理。,传统的楼宇自动化系统采用的是集中监视、集中控制的方式。图5.13 集中式楼宇自动化系统的结构,由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。,系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。,图5.14 分布式楼宇自动化系统,5.6.3 通信自动化系统,通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图像

17、的基本通信网络；实现楼层间(内)各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的楼群或楼内高速主干网以及与公共信息资源(如Internet)相通的远程数据通信网。,图5.15 智能建筑的通信网络结构,5.6.4 办公自动化系统,办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。,5.6.5 综合布线系统,建筑与建筑群综合布线系统主要是针对计算机和通信设备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信

18、号的不同要求。,智能大楼布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，它能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统。,图5.12 楼宇自动化系统的构成,5.7 智能交通系统 5.7.1 智能交通系统的概念,智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市道路、桥梁等设施的庞大的运输网络，也可应用于数量日益增多的各种车辆,(1)提高公路交通的安全性(2)降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响(3)提高公路网络的通行能力(4)提高汽车运输生产率和经济效益,5.7.2 智能交通系统的主要内容,1.出行与运输管理系统 2.出行需求管理系统 3.公共

19、交通运营系统 4.商用车辆运营系统 5.电子收费系统 6.应急管理系统 7.先进的车辆控制和安全系统,5.7.2.1 出行与运输管理系统,该系统有6个子系统：（1）在途驾驶员信息系统；（2）线路引导系统；（3）出行人员服务系统；（4）交通控制系统；（5）突发事件管理系统；（6）排放测试与污染防护系统。,5.7.2.2 出行需求管理系统,该系统包括3个子系统：（1）出发前的出行信息系统；（2）合乘配载和预约系统；（3）需求管理与运营系统。,该系统有4个子系统：（1）公共运输管理系统；（2）途中换乘信息系统；（3）满足个人需求的非定线公共交通系统；（4）出行安全系统。,5.7.2.3 公共交通运营

20、系统,5.7.2.4 商用车辆运营系统,该系统有6个子系统：（1）商用车辆电子通关系统；（2）自动化路侧安全检测系统；（3）商用车辆管理程序系统；（4）车载安全监控系统；（5）商用车辆交通信息系统；（6）危险品应急反应系统。,5.7.2.5 电子收费系统 该系统通过电子卡或电子标签由计算机实现自动收费。,5.7.2.6 应急管理系统,该系统有2个子系统：（1）紧急告警与人员安全系统；（2）应急车辆管理系统。,5.7.2.7 先进的车辆控制和安全系统 该系统包括7个子系统：（1）纵向避撞系统；（2）侧向避撞系统；（3）交叉口避撞系统；（4）视觉强化避撞系统；（5）事故前乘员安全保护系统；（6）危

21、险预警系统；（7）自动公路系统。,5.8 生物控制,5.8.1 生物控制的研究内容及特点,具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行为控制、仿生学等等。,5.8.2 神经控制,已在 4.6.3 神经控制系统 节中加以介绍,5.8.3 仿生技术,仿生技术研究的内容有五个方面：,(1)信息仿生 包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动物间通信仿生，以及智能仿生等方面。,(2)控制仿生 包括体内稳态调控、肢体运动控制、动物的定向导航、生态系统的涨落等。,(3)力学仿生 是关于动物飞行、运动动力学

22、的研究。,(4)化学仿生 研究生物体内一些特殊的化学过程，以便使这些过程也能在工业中实现。,(5)医学仿生 研究用人工仿制品代替人的有机体的某一部分。,5.8.4 生物控制与中医学 就是用人造装置对有生命物质进行模拟。仿生就是用人造装置对有生命物质进行模拟。,5.8.4 生物控制与中医学,中医学是我国人民经过几千年实践总结出来的一门关于人的科学，它和生物控制研究方法的共同点是注重整体性和系统性。其中记载的经络学说实质上是世界上最早的古典生物控制理论。,根据经络学说的论述，从生物控制的观点看来，可以认为经络实质上是指人体整个生命活动的功能控制系统。因为它是一个功能控制系统，而不是个别的器官、组织

23、，所以不能找到特定的实体结构。这个功能控制系统是一个以脑为控制中心的多级闭环控制系统，在经络学说中，称脑为“元神府”，它通过督脉(总督全身的阳经)、任脉(总任全身的阴经)等，控制五脏六腑、四肢百骸，而五官七窍、体表穴位则为测量装置(传感器)与外界环境发生联系。,生物控制理论及技术也可以使中医学的科学性得到准确的说明和鉴定，使中医理论真正建立在科学基础上。,5.9 生态与环境控制,5.9.1 生态控制 生态控制的基本任务之一是用系统和信息观点和方法分析、设计、规划和控制人工生态系统、资源的合理利用和再循环、环境的综合治理和优化以及在新的生态平衡格局下人类怎样适应和协调。,5.9.2 环境控制 将

24、环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行为，使人们的生存环境质量维持在一个良好的水平。环境控制中的控制行为主要有三个方面：局部污染处理、综合环境治理和环境系统管理。,5.10 社会经济控制,(1)将社会经济系统（Socioeconomic System）看成是一个具有反馈调节，特别是信息反馈的控制系统；,（2）对社会经济系统进行定量的描述与处理，以求达到最优控制，作出有效、合理的经济决策;,(3)社会经济控制的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。,5.11 大系统控制与系统工程,大系统就是规模宏大、结构复杂的系统。例如，现代大型企业的多级计算机管理和控

25、制系统（如大型钢铁联合企业），大型工程项目的计划协调与组织管理系统全国性或地区性的供电网络的调度、管理和优化运行系统，社会经济系统，大都市的交通管理与控制系统，环境生态系统以及航天运载火箭、洲际导弹等，都是典型的大系统。,5.11.1 大系统控制,在现代控制理论的基础上，形成了所谓的大系统理论。主要研究内容有大系统建模、分析与综合等方面，包括研究系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。主要有三种控制结构方案，即多级（递阶）控制、多层控制和多段控制。,第一层,第二层,协调控制,递阶控制,递阶控制,局部控制,局部控制,局部控制,局部控制,被控对象或过程,总任务,第三层,(1)多级（递

26、阶）控制,第一级为局部控制级，它直接控制大系统的各局部过程或对象，构成小系统；第二级为递阶控制级，它对第一级各子系统进行协调控制；第三级为协调控制级，根据大系统的总目标，,金字塔式递阶控制结构,对第二级进行协调控制，完成大系统管理、控制的总任务。,图5.16 三层递阶控制结构,(2)多层控制,自组织层,自适应层,最优化层,直接控制层,测量显示,被控对象或过程,总目标,第四层,第三层,第二层,第一层,慢扰动,较慢扰动,较快扰动,快扰动,多层控制方案的特点是按任务或功能分层。各层之间的关系具有“分工”性质，上下层之间也有隐含的“支配”与“被支配”的关系。,图5.17 多层控制结构,图5.18 多段

27、控制结构,第一段,第二段,第n段,协调模块,被控对象或过程,全段任务,多段控制结构方案的特点是按被控过程时间分段，根据被控过程先后时间顺序或“航程”，将全过程分为若干时段，每一时段形成一个小系统，如图5.18所示。这里的协调模块按衔接条件进行,协调，把前时段终点边界条件与后时段初始边界条件衔接起来，完成全过程的控制任务。,图5.18 多段控制结构,5.11.2 系统工程,系统工程是以系统(特别是大系统)为研究对象的一门跨学科的边缘科学。是应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用大系统而采取的各种组织管理技术的总称（如长江三峡施工组织管理系统）。,系统工程涉及的领域非常广泛，除了各种工程领域，还涉及社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。其应用范围包括社会系统、军事系统、生产系统以及流通服务系统、人体对象系统等等。目前被人们广泛重视并取得有价值结果的应用领域有宏观经济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、运输系统工程、农业系统工程、工程项目管理系统工程、人口系统工程、军事系统工程等，如“西气东输”、“南水北调”、黄河水资源系统、国民经济宏观调控系统等。,