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1、1自动化学科自动化学科23 现代社会和现代生活现代社会和现代生活 离不开对一些物理量的离不开对一些物理量的控制控制，包，包括实现对这种控制的括实现对这种控制的自动化自动化。例如公共电网上的电压是。例如公共电网上的电压是50周、周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为频率这两物理量为恒值恒值，这要采用自动调压和自动调频装，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为和压力为恒值恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属，使化学反应速
2、度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值恒值，使产，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。角都是自动控制的。 现代生活中，空调器保持室内温度为现代生活中，空调器保持室内温度为恒值恒值、卫生洁具、卫生洁具水箱的水位也保持为水箱的水位也保持为恒值恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为一些物理量的控制为恒值恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作水等操作自动按程序自动按程序进行。进行
3、。 控制的含义？控制的含义？ 现代汉语词典的控制含义是现代汉语词典的控制含义是“掌握住不使任意掌握住不使任意活动越出范围活动越出范围”。 辞海中的解释是辞海中的解释是“驾驭；支配驾驭；支配”。从管理哲学上思考，它的基本涵义是，控制是从管理哲学上思考，它的基本涵义是，控制是一种社会现象，具体说是一定的社会主体一种社会现象，具体说是一定的社会主体-通通常大量地表现为为了实现某种特定目标而组织常大量地表现为为了实现某种特定目标而组织起来的社会群体，在变革客体对象的过程中，起来的社会群体，在变革客体对象的过程中，通过具体的指挥和协调机制，来实现所预期追通过具体的指挥和协调机制，来实现所预期追求的某种价
4、值目标的活动。求的某种价值目标的活动。41.2 控制和自动化的概念控制和自动化的概念5 狭义的狭义的自动化自动化 指在没有人直接参与的情况下，利用控制装指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按预期规定运行过程中满足一定性能数自动地按预期规定运行过程中满足一定性能指标指标。自动化自动化主要研究的是人造系统的控制问题。主要研究的是人造系统的控制问题。控制器执行机构受控对象检测与变换给定输入6自动控制自动控制 是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。除了研究人造系统
5、的控制问题外，还研究社会、术。除了研究人造系统的控制问题外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。些都不能归入自动化的研究领域的。 不过广义的自动化和自动控制是相同的，目前学不过广义的自动化和自动控制是相同的，目前学术界已把自动化和控制等同起来。术界已把自动化和控制等同起来。 受控制对象模型建立；受控制对象模型建立；控制算法设计；控制算法设计；给定目标；给定目标；评价体系评价体系 7控制问题的核心：控制问题
6、的核心： 一门一门技术科学技术科学、一门一门应用基础科学应用基础科学 研究的研究的基本任务基本任务是为是为自动化技术（包括设计、（包括设计、制造、控制和管理计算机集成制造系统制造、控制和管理计算机集成制造系统CIMSCIMS、计、计算机集成过程控制系统算机集成过程控制系统CIPSCIPS等先进自动化系统）等先进自动化系统）和和控制工程（包括控制航天器这样的设备）（包括控制航天器这样的设备）提供科学理论基础。 致力于带有一定致力于带有一定普遍性或共性的新的控制原普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究理和新的系统方法的研究，使其在实际控制工程，使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用
7、。和自动化技术中发挥创新的作用。8自动化科学的定位与任务自动化科学的定位与任务 一门一门工程应用技术工程应用技术 研发的研发的基本任务基本任务： 一方面一方面将自动化科学原理与方法转换为工程实用技术（包括工具和手段），使之能应用于（包括工具和手段），使之能应用于工程实际，将自动化科学的研究成果迅速转换为工程实际，将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力；生产力； 另一方面另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼、将工程实际中遇到的技术问题提炼、抽象成为科学问题，抽象成为科学问题，为自动化科学研究提供新的为自动化科学研究提供新的研究对象。研究对象。9自动化技术的定位与任务自动化技术的定位与任务 相互
8、依存关系相互依存关系自动化科学与技术自动化科学与技术是自动化的是自动化的源泉与基础；源泉与基础； 其其物化物化是自动化设备与系统；是自动化设备与系统； 其其应用应用包括自动化设计、自动化制造、包括自动化设计、自动化制造、 自动化工程、自动化管理、自动化工程、自动化管理、 自动化决策、自动化运行等。自动化决策、自动化运行等。 自动化（应用）自动化（应用） 是自动化科学与技术的是自动化科学与技术的用武之地；用武之地； 是自动化专业毕业生的主要是自动化专业毕业生的主要用武之地。用武之地。10自动化与自动化科学技术的关系自动化与自动化科学技术的关系11自动化技术的两个方面自动化技术的两个方面动力方面的
9、自动化技术 工业化工业化 人的手、脚、各种感觉的延长 信息处理方面的自动化技术信息化信息化 延伸人的信息获取、 处理和决策控制等功能 比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品， 质量越来越好，价格越来越低。12把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）基本作用基本作用（传统观念）（传统观念） 完成人无法完成的工作 管道机器人（各种油管、水管）、 水下6000米机器人1.3 自动化的作用与地位自动化的作用与地位13扩展作用扩展作用 管理、经济、金融过程管理、经济、金融过程智能化14 自动化与工业化的关系 工业化特点：专指工
10、业，尤其是制造业 工业化发展三阶段：机械化（大规模使用机器系统） 电气化（加入电机、电网络） 自动化自动化（加入自动控制器） 实现了自动化，就完成了工业化实现了自动化，就完成了工业化 目前来说：自动化是工业化的最重要标志目前来说：自动化是工业化的最重要标志 （国内从总体来说，已机械化、电气化）（国内从总体来说，已机械化、电气化）自动化在工业化中的作用自动化在工业化中的作用15 自动化与信息化的关系 信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业 仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段： 一定要在工业化的基础上 数字化（大规模使用数字计算机） 网络化（实现计算机网络） 先进自动化先进自动化（综合集成了
11、系统、管理） 实现先进自动化，就完成了（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志先进自动化是信息化的最重要标志（国内从总体来说，数字化、网络化已有一定（国内从总体来说，数字化、网络化已有一定规模）规模）自动化在信息化中的作用自动化在信息化中的作用16工业化与信息化的关系图工业化与信息化的关系图17（基础）自动化自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志 自动化技术是工业化的核心技术先进自动化先进自动化（核心是信息、控制、系统） 是信息化完成与否的标志 先进自动化技术是信息化的核心技术18学科组成示意图学科组成示意图自动化自动化 自动控制自动控制 控制理论控制理论 电气工程与自动化电气工程
12、与自动化 工业自动化工业自动化 机械制造自动化机械制造自动化 电力系统自动化电力系统自动化 1920一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程(2)给定环节 产生给定输入信号的环节(3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置(4)比较环节 其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较(5)控制环节 它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标(6)执行环节 按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作2.12.1自动控制理论自动控制理论21 自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行
13、研究和阐述： 系统的模型 系统的分析 控制系统的综合不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术 22工程技术领域的被控对象不同的分类法（1）按被控对象的特性可分为线性线性和非线性非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常定常和时变时变（3）按系统传输信号的性质可分为连续系统连续系统和离散系统离散系统（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为恒值控制系统恒值控制系统和随动控制系统随动控制系统2.22.2 被控对象及其数学模型的建立被控对象及其数学模型的建立23 建立被控对象数学模型的方法主要有解析法和实验法两种。解析法-建立起输入与输出之间的
14、因果关系实验法-把需建模的对象看成为一个“黑箱”24 复杂系统的建模，会存在更多的困难： 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象，不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达式去描述。 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微分方程或大维数的状态方程。 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统的模型应为变参数微分方程。 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏微分方程描述。251、自动控制系统的基本性能要求、自动控制系统的基本性能要求一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过程称为动态动态，处于平衡状态时称为静态静态。 自动控制系统动态过程常见形式：2.3 2.3
15、 自动控制基本原理自动控制基本原理26自动控制系统的基本性能 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个控制系统过渡过程的好坏。 快速性 准确性 对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行的。272、开环控制与闭环控制、开环控制与闭环控制开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。 1） 开环控制 扰动补偿控制，也称为“前馈控制”282）闭环系统 自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。 按负反馈原理组成的闭环控制系统
16、才是真正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕反馈控制来研究自动控制系统的。29液位自动控制系统 30 比例控制 比例+积分控制 比例+微分控制 在实际的自动控制系统中，为保持系统具有良好的动态特性和静态特性，往往使控制器同时具有比例、微分、积分控制作用，构成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I（积分）D（微分）控制。3、控制规则的确定是控制器设计的核心 314、非线性系统控制及其困难、非线性系统控制及其困难非线性系统是指含有非线性元件的系统，需用非线性微分方程或状态方程描述。饱和特性典型非线性特性32非线性控制系统与线性系统相比的特点： 线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参数，与系统的初始条件以及外加输入无关。 对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。33非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法各种智能控制方法341、从模拟量到数字量、从模拟量到数字量 绝大多
