自動化概論第4章自動化技術(shù)的主要應(yīng)用

1、自動化教研室自動化教研室第第4 4章章 自動化技術(shù)的主要應(yīng)用自動化技術(shù)的主要應(yīng)用主講：顧德英主講：顧德英 4.1 4.1 機械制造自動化機械制造自動化 4.2 4.2 過程工業(yè)過程工業(yè)自動化自動化 4.3 4.3 電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化 4.4 4.4 宇宙飛行與自動化宇宙飛行與自動化 4.54.5 智能建筑智能建筑 4.6 4.6 智能交通運輸系統(tǒng)智能交通運輸系統(tǒng) 4.7 4.7 軍事與國防的現(xiàn)代化軍事與國防的現(xiàn)代化 4.84.8 汽車中的自動化系統(tǒng)汽車中的自動化系統(tǒng) 4.9 4.9 家庭自動化家庭自動化4.1 機械制造自動化 機械制造是現(xiàn)代工業(yè)重要的組成都分，對國民經(jīng)濟建設(shè)有非常巨大

2、的影響。4.1.1 制造自動化的歷史和發(fā)展制造自動化的歷史和發(fā)展制造自動化的歷史和發(fā)展經(jīng)歷了如下五個階段：v 第一階段：剛性自動化，包括單機自動化和剛性自動化生產(chǎn)線。v 第二階段：數(shù)控加工，包括數(shù)控和計算機數(shù)控。v 第三階段：柔性制造，特征是強調(diào)對市場需求的適應(yīng)性、柔性和高效率。v 第四階段：計算機集成制造，特征是強調(diào)制造全過程的系統(tǒng)性和集成性。v 第五階段：新的制造自動化模式，如智能制造、敏捷制造、虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)制造、全球制造、綠色制造等。4.1.2 4.1.2 數(shù)控機床和數(shù)控加工中心數(shù)控機床和數(shù)控加工中心v 是微電子、計算機、自動控制、精密測量等技術(shù)與傳統(tǒng)機械技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。v 它根據(jù)機

3、械加工的工藝要求，使用計算機對整個加工過程進行信息處理與控制、較好地解決了復(fù)雜、精密、多品種、小批量機械零件加工問題，屬于靈活、通用、高效的自動化裝置也是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、柔性化的核心設(shè)備。4.1.3 數(shù)控機床系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點數(shù)控機床系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點加工程序加工程序輸入裝置輸入裝置數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)機床機床伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)輔助控制裝置輔助控制裝置檢測裝置檢測裝置 與普通機床相比，數(shù)控機床不僅適應(yīng)性強、加工效率高、精度高、質(zhì)量穩(wěn)定，而且可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動和復(fù)雜形狀零件的加工，是實現(xiàn)多品種、中小批量生產(chǎn)自動化的有效方式。 計算機數(shù)控系統(tǒng)示意圖數(shù)控車床數(shù)控車床 數(shù)控磨床數(shù)控磨床數(shù)控加工中心數(shù)控

4、加工中心 v 是在普通數(shù)控機床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要是增加了刀具庫、自動換刀裝置和移動工作臺等，因而可以在一臺機器上完成多臺機床才能完成的工作，包括銑、削、鉆、刨、鏜、攻羅紋等多種加工工序。數(shù)控加工中心數(shù)控加工中心 4.2 4.2 過程過程工業(yè)自動化工業(yè)自動化v現(xiàn)代工業(yè)分類現(xiàn)代工業(yè)分類v 連續(xù)型v 混合型v 離散型v 在離散型工業(yè)中，主要對系統(tǒng)中的位移、速度、加速度等參數(shù)進行控制，例如數(shù)控機床、機器人控制、飛行器控制等都是離散工業(yè)中的典型控制問題。v 在連續(xù)型工業(yè)中，主要對系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位(料位)、成分和物性等六大參數(shù)進行控制。v 混合型工業(yè)，則介于兩者之間，往往是兩種控制系統(tǒng)均

5、被采用。v 習(xí)慣上，把連續(xù)型工業(yè)稱之為過程工業(yè)，有時為突出其流動的性質(zhì)而稱之為流程工業(yè)流程工業(yè)。v 其生產(chǎn)特征是，呈流體狀的各種原材料在連續(xù)流動過程中，經(jīng)過傳熱、傳質(zhì)、物理、生化和化學(xué)反應(yīng)等加工，發(fā)生了相變或分子結(jié)構(gòu)等的變化，失去了原有的性質(zhì)，最終形成一種新的產(chǎn)品。v 過程工業(yè)包括電力、石油化工、化工、造紙、冶金、制藥、輕工等國民經(jīng)濟中舉足輕重的許多工業(yè)，研究這些工業(yè)的控制和管理成為人們十分關(guān)注的領(lǐng)域，是本學(xué)科非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。v過程控制研究的內(nèi)容v 過程控制研究過程工業(yè)生產(chǎn)過程的描述、模擬、仿真、設(shè)計、控制和管理，旨在進一步改善工藝操作，提高自動化水平，優(yōu)化生產(chǎn)過程(提高產(chǎn)品助產(chǎn)量和質(zhì)

6、量，降低原材料和能源的損耗)，加強生產(chǎn)管理，最終顯著地增加經(jīng)濟效益。v過程控制的特點v (1)連續(xù)型工業(yè)加工過程包括了信息流、物質(zhì)流和能量流，同時還伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、生化反應(yīng)，還有物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，生產(chǎn)過程的變化機理十分復(fù)雜。v (2)過程工業(yè)往往處于十分苛刻的生產(chǎn)環(huán)境，例如高溫、高壓、真空，有時甚至是在易燃、易爆、有毒的環(huán)境，因而生產(chǎn)中的人身安全和設(shè)備安全被放在員重要的位置，相應(yīng)的故障預(yù)測、預(yù)報、診斷和安全監(jiān)控系統(tǒng)受到特別的重視。v v (3)過程工業(yè)的生產(chǎn)過程是連續(xù)的，因而強調(diào)生產(chǎn)控制和管理的整體性，應(yīng)把各種裝置和生產(chǎn)車間連接在一起成為一個整體來考慮，實現(xiàn)了個別設(shè)備或裝置的優(yōu)化不一

7、定是整體最優(yōu)的，應(yīng)謀求全廠的最優(yōu)化。軋鋼生產(chǎn)線流程工業(yè)控制系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)v浮法玻璃生產(chǎn)線4.3 4.3 電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化4.3.1 4.3.1 電力系統(tǒng)自動化的基本概念電力系統(tǒng)自動化的基本概念 電力主要來源于水電、火電和核電，其他如太陽能、風(fēng)能、海洋能、生物能等產(chǎn)生的電力目前還只能是一種補充。 電力系統(tǒng)包含發(fā)電、輸電、變電、配電等多個環(huán)節(jié)，而且地域分布廣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。 電力系統(tǒng)自動化是采用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置，對電力系統(tǒng)進行就地或遠方的自動監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制和管理，保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行和具有合格的電能質(zhì)量。 4.3.2 電力

8、系統(tǒng)自動化的重要性電力系統(tǒng)自動化的重要性 v 電力系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，在電力系統(tǒng)中任何一點發(fā)生的故障，都會在瞬間影響和波及全系統(tǒng)，往往引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致事故擴大，造成大面積停電，因此電力系統(tǒng)要求進行快速的自動控制；v 被控制的參數(shù)很多，包括頻率、電壓、有功和無功功率、功率平衡等，監(jiān)視和控制成千上萬個運行參數(shù)必須依靠自動化； 存在各種干擾，包括系統(tǒng)故障等，系統(tǒng)故障有時會使電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定，造成災(zāi)難性后果，因此，如何控制才能保證穩(wěn)定，或出現(xiàn)不穩(wěn)定后怎樣恢復(fù)穩(wěn)定，已成為電力系統(tǒng)自動化的重大課題之一； 正是由于采用了自動監(jiān)控和遠動控制技術(shù)，才使得電力系統(tǒng)的規(guī)模能不斷擴大； 要保證電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運

9、行，單靠運行值班人員進行人工監(jiān)視和操作是無法實現(xiàn)的，必須依靠自動化裝置和設(shè)備； 安全供電、保證良好的電能質(zhì)量、經(jīng)濟運營都需要自動化。4.3.3 4.3.3 電力系統(tǒng)自動化的主要內(nèi)容電力系統(tǒng)自動化的主要內(nèi)容v 按電力系統(tǒng)運行管理，可將電力系統(tǒng)自動化分為調(diào)度自動化、發(fā)電廠自動化、變電站自動化；v 調(diào)度自動化又可分為輸電調(diào)度、配電網(wǎng)調(diào)度自動化；發(fā)電廠自動化又分為火電、水電、核電等；v 從電力系統(tǒng)自動控制的角度，可以將電力系統(tǒng)自動化分為電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制、電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制等。 電力系統(tǒng)的管理網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)的管理網(wǎng)絡(luò)v1. 電力調(diào)度自動化l 電力調(diào)度的主要任務(wù)可以概括為：l 控制

10、整個電力系統(tǒng)的運行方式，使其在正常狀態(tài)下能滿足安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟供電的要求；l 在缺電狀態(tài)下做好負荷管理；l 在事故狀態(tài)下能迅速消除故障，恢復(fù)供電。 l 調(diào)度自動化是綜合利用電子計算機、遠動和遠程通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)度管理自動化，有效地幫助電力系統(tǒng)調(diào)度員完成調(diào)度任務(wù)。調(diào)度自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)度自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)v 遠動終端 rtu：remote terminal unit主站 ms：main stationv調(diào)度自動化系統(tǒng)的工作方式l 主站ms安裝在調(diào)度所，遠動終端rtu安裝在各發(fā)電廠和變電站，ms和rtu之間通過遠動通道相互通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制。l rtu采集所在廠（站）設(shè)備的運行狀

11、態(tài)和運行參數(shù)，如電壓、電流、有功和無功功率、有功和無功電量、頻率、斷路器分合信號、繼電保護動作信號等，送至主站，并接收來自主站的調(diào)度命令，輸出斷路器控制信號、功率調(diào)節(jié)信號或改變設(shè)備整定值的信號給其所在廠（站）的自動控制裝置，并向主站返回已完成的操作信息。 電力調(diào)度中心電力調(diào)度中心v2. 發(fā)電廠自動化l 無論是火電、水電、核電或其他發(fā)電方式，都是通過某種動力機械驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，因此其自動化系統(tǒng)也具有很多共同點，既要分別控制動力裝置、發(fā)電機及其他輔助設(shè)備，又要對各個控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)和統(tǒng)一關(guān)管理。l 核電已成為繼火電、水電之后的第三大能源，對自動化系統(tǒng)的要求更為嚴格和苛刻，特別是可靠性。火力發(fā)電原理

12、火力發(fā)電原理水水力力發(fā)發(fā)電電原原理理v火電自動化v 火電廠利用化石燃料釋放出來的熱能發(fā)電，以蒸汽動力發(fā)電為主，也有少量采用內(nèi)燃機發(fā)電。蒸汽動力發(fā)電廠的主要動力設(shè)備有鍋爐、汽輪機、汽輪發(fā)電機及輔助設(shè)備。v 火電廠自動化是一門綜合技術(shù)，具有自動檢測、自動保護、順序控制、連續(xù)控制、管理和信息處理等功能。v 包含各種自動化系統(tǒng)，主要有數(shù)據(jù)采集及計算機監(jiān)視系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)、汽輪機控制系統(tǒng)、發(fā)電機控制系統(tǒng)、機爐協(xié)調(diào)主控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備及各種支持系統(tǒng)等。火電廠的基本構(gòu)成火電廠的基本構(gòu)成火電廠外觀火電廠外觀v水電自動化v 水電廠需要控制水輪機、調(diào)速器以及水輪發(fā)電機勵磁裝置等，水電自動化系統(tǒng)可自動地對水電廠進

13、行監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和管理，以提高水電廠運行的安全性、經(jīng)濟性、勞動生產(chǎn)率和供電質(zhì)量。v 水電廠自動化可分為單機自動化（包括水輪發(fā)電機組自動控制、水輪機調(diào)速和水輪發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)的自動控制）、公用設(shè)備自動化、全廠綜合自動化（包括水電廠自動發(fā)電控制、水電廠自動電壓控制、水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)）和梯級水電站綜合自動化。v 水電廠自動發(fā)電控制是在水輪發(fā)電機組自動控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全廠自動化的一種方式，它根據(jù)水庫上游來水量或電力系統(tǒng)的要求，考慮全廠及機組的運行限制條件，以經(jīng)濟運行為原則，確定電站機組運行的臺數(shù)、運行機組的組合和機組間負荷分配。v 隨著先進控制理論和計算機數(shù)字監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了

14、發(fā)電機綜合自動控制系統(tǒng)，其功能包括發(fā)電機組開停順序控制、勵磁控制、調(diào)速控制、穩(wěn)定裕度監(jiān)視控制等。水電站的基本構(gòu)成水電站的基本構(gòu)成三峽水電站外觀三峽水電站外觀三峽電站控制室三峽電站控制室4.4 4.4 飛行器控制飛行器控制v 飛機在運動過程中，由六個坐標(biāo)來描述其運動和姿態(tài)。也就是飛機飛行時有六個自由度。v 其中三個坐標(biāo)是描述飛機質(zhì)心的空間位置的，可以是相對地面的靜止的直角坐標(biāo)系的xyz坐標(biāo)，也可以是相對地心的極坐標(biāo)或球坐標(biāo)系的極徑和兩個極角，在地面上相當(dāng)于距離地心的高度和經(jīng)度緯度。v 另外三個坐標(biāo)是描述飛機的姿態(tài)的，其中第一個是表示機頭俯仰程度的仰角或機翼的迎角，第二個是表示機頭水平方向的方位角

15、，一般用偏離正北的逆時針轉(zhuǎn)角來表示。這兩個角度就確定了飛機機身的空間方向，第三個叫傾斜角就是表示飛機橫側(cè)向滾動的程度的側(cè)滾角。當(dāng)兩側(cè)翅膀保持相同高度時傾斜角為零機翼機翼與與機翼的迎角示意圖機翼的迎角示意圖 4.5 4.5 智能建筑智能建筑v智能建筑，又稱為智能大廈，是把現(xiàn)代建筑技術(shù)和信息技術(shù)有機地結(jié)合起來，設(shè)計和建造安全、舒適、高效、節(jié)能、方便靈活的現(xiàn)代化建筑。v世界上公認的第一座智能化大廈是1984年美國慶涅狄格州哈持福特市的“城市廣場”。v 智能建筑包含三大基本要素：智能建筑包含三大基本要素：v 樓宇自動化（樓宇自動化（ba)系統(tǒng)，系統(tǒng)，v 通信自動化通信自動化(ca)系統(tǒng)系統(tǒng)v 辦公自動

16、化辦公自動化(oa)系統(tǒng)，系統(tǒng)，v 三者有機結(jié)合，成為智能建筑三者有機結(jié)合，成為智能建筑“3a”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。4.5.1 4.5.1 樓宇自動化系統(tǒng)（樓宇自動化系統(tǒng)（bas）4.5.2 4.5.2 辦公自動化系統(tǒng)和通訊自動化系統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)和通訊自動化系統(tǒng)4.5.3 4.5.3 安保自動化系統(tǒng)（安保自動化系統(tǒng)（sas）4.5.4 4.5.4 防火監(jiān)控系統(tǒng)（防火監(jiān)控系統(tǒng)（fas）4.6 4.6 智能交通運輸系統(tǒng)智能交通運輸系統(tǒng)v 交通運輸是國民經(jīng)濟支柱性產(chǎn)業(yè)，對人類的生產(chǎn)、生活有著非常重要的影響。不僅發(fā)展中國家，發(fā)達國家同樣面臨道路交通口益擁擠、路網(wǎng)通行能力不能滿足交通量增長需要的問題。v智能交

17、通系統(tǒng)(its)正是為了改變現(xiàn)在的交通狀況、減輕交通擁擠、減少交通事故、制止交通環(huán)境的惡化，使現(xiàn)代化的交通更好地為經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)而出現(xiàn)和發(fā)展起來的一個綜合領(lǐng)域。v 自動控制和自動化技術(shù)在其中扮演著十分重要的角色。典型智能交通系統(tǒng)的基本框架示意圖 4.7 4.7 生物控制論及信息處理生物控制論及信息處理生物控制論是研究生物體內(nèi)信息處理和調(diào)節(jié)控制過程規(guī)律的學(xué)科。包括人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳進化算法、蟻群算法和模擬退火算法等。 4.8 4.8 社會經(jīng)濟控制社會經(jīng)濟控制v 社會經(jīng)濟控制是以社會經(jīng)濟系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)的。v 社會經(jīng)濟系統(tǒng)的模型以系統(tǒng)動力學(xué)方法建立，它是研究復(fù)雜的社會經(jīng)濟系統(tǒng)動態(tài)特性的定量方法。這種方法是由美國麻省理工學(xué)院的福雷特教授在上世紀50年代創(chuàng)立的，是借鑒機械系統(tǒng)的動力學(xué)基本原理創(chuàng)立的。v 機械系統(tǒng)的動力學(xué)就是根據(jù)推動力和定量惰性之間的關(guān)系來建立運動的動態(tài)方程式，進而來研究機械系統(tǒng)的動態(tài)特性和速度特性