自動化(專業(yè))概論

1、15 控制與自動化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域控制與自動化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域25.2 機械制造自動化機械制造自動化 5.3 過程工業(yè)自動化過程工業(yè)自動化5.4 電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化 5.5 飛行器控制飛行器控制 5.6 智能建筑智能建筑 5.7 智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng) 5.8 生物控制生物控制 5.9 生態(tài)與環(huán)境控制生態(tài)與環(huán)境控制5.10 社會經(jīng)濟控制社會經(jīng)濟控制5.11 大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工程大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工程5.1 引言引言控制與自動化技術(shù)發(fā)展至今，可以說是已從控制與自動化技術(shù)發(fā)展至今，可以說是已從“人類手腳人類手腳的延伸的延伸”擴展到擴展到“人類大腦的延伸人類大腦的延伸”。控制與自動化技術(shù)時控制

2、與自動化技術(shù)時時在為人類時在為人類“謀謀”福利，可謂無所不在、無處沒有。福利，可謂無所不在、無處沒有。 35.2 機械制造自動化機械制造自動化機械制造自動化技術(shù)從機械制造自動化技術(shù)從20世紀世紀50年代至今，經(jīng)歷了：年代至今，經(jīng)歷了：單機自動化、剛性生產(chǎn)線單機自動化、剛性生產(chǎn)線數(shù)控機床、加工中心數(shù)控機床、加工中心柔性生產(chǎn)線、柔性制造柔性生產(chǎn)線、柔性制造正向計算機集成制造正向計算機集成制造(CIM)發(fā)展發(fā)展。 45.2.1 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)55.2.2 柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)(FMS)柔 性 制 造 系柔 性 制 造 系統(tǒng) 由 加 工 系統(tǒng) 由 加 工 系統(tǒng) 、 物 流 系

3、統(tǒng) 、 物 流 系統(tǒng) 、 中 央 管統(tǒng) 、 中 央 管理系統(tǒng)組成。理系統(tǒng)組成。6實際柔性制造生產(chǎn)線 75.2.3 計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)85.3 過程工業(yè)自動化過程工業(yè)自動化 在連續(xù)型工業(yè)中，主要對系統(tǒng)的溫度，壓力、流量、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)進行控制的工業(yè)，液位（料位）、成分和物性等六大參數(shù)進行控制的工業(yè)，稱之為稱之為過程工業(yè)過程工業(yè) 。 過程工業(yè)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)。民經(jīng)濟中舉足輕重的許多工

4、業(yè)。9過程工業(yè)自動化的特點過程工業(yè)自動化的特點l 連續(xù)型工業(yè)生產(chǎn)過程的變化機理十分復(fù)雜，有的還非常不連續(xù)型工業(yè)生產(chǎn)過程的變化機理十分復(fù)雜，有的還非常不清楚。清楚。l 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、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。真空，有時甚至是在易燃、易爆、有毒的環(huán)境。l 過程工業(yè)生產(chǎn)過程一般具有較大的慣性或滯后性，不像機過程工業(yè)生產(chǎn)過程一般具有較大的慣性或滯后性，不像機器人、機床等控制對象那樣反映迅速，屬于一種較難控制器人、機床等控制對象那樣反映迅速，屬于一種較難控制的對象。的對象。l 過程工業(yè)的生產(chǎn)過程是連

5、續(xù)的，因而強調(diào)生產(chǎn)控制和管理過程工業(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)化不一定是整體整體來考慮，實現(xiàn)了個別設(shè)備或裝置的優(yōu)化不一定是整體最優(yōu)的，應(yīng)謀求全廠的最優(yōu)化。最優(yōu)的，應(yīng)謀求全廠的最優(yōu)化。10基本過程控制系統(tǒng) 11直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) 生產(chǎn)過程數(shù)字計算機A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺擾動控制變量輸出變量12集散控制系統(tǒng) 13現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 14計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型計算機集成生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型 生產(chǎn)過程計算機生產(chǎn)過程計算機集成控制系統(tǒng)

6、集成控制系統(tǒng)是是一種綜合自動化系一種綜合自動化系統(tǒng)。目的是要使企統(tǒng)。目的是要使企業(yè)用最短的周期、業(yè)用最短的周期、最低的成本、最優(yōu)最低的成本、最優(yōu)的質(zhì)量，生產(chǎn)出適的質(zhì)量，生產(chǎn)出適銷對路的產(chǎn)品，以銷對路的產(chǎn)品，以獲取最大的經(jīng)濟效獲取最大的經(jīng)濟效益，增強國內(nèi)外市益，增強國內(nèi)外市場的競爭能力。場的競爭能力。 其實質(zhì)就是將過程控制、計劃調(diào)度、經(jīng)營管理和市場銷售等信息進其實質(zhì)就是將過程控制、計劃調(diào)度、經(jīng)營管理和市場銷售等信息進行集成，并求得全局優(yōu)化行集成，并求得全局優(yōu)化 155.4 電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化 電力系統(tǒng)自動化的基本目標與任務(wù)就電力系統(tǒng)自動化的基本目標與任務(wù)就是保障電力系統(tǒng)安全、可靠及經(jīng)濟

7、地運行是保障電力系統(tǒng)安全、可靠及經(jīng)濟地運行(2008雪災(zāi)、地震雪災(zāi)、地震) 16電力系統(tǒng)自動化的遞階結(jié)構(gòu) 17電力系統(tǒng)的頻率l保持系統(tǒng)頻率的精度是電力系統(tǒng)運行中的主要任務(wù)之一，一般要求系統(tǒng)頻率相對額定頻率的偏差不超過0.050.15Hz l離心式調(diào)速機工作原理圖 18電力系統(tǒng)的電壓l保持系統(tǒng)電壓基本不變是電力系統(tǒng)另外一個重要的方面，通常要求電壓幅值相對額定幅值變化量不超過+-510%。 l為了維持系統(tǒng)的電壓水平，需要對發(fā)電機的勵磁電流進行自動調(diào)節(jié)。 19電力系統(tǒng)的調(diào)度20飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng) 5.5 飛行器控制飛行器控制 飛行器控制系統(tǒng) ：姿態(tài)控制、導(dǎo)航、制導(dǎo)21衛(wèi)星導(dǎo)航 22自動尋的導(dǎo)彈制導(dǎo)系

8、統(tǒng) 23制導(dǎo)方法制導(dǎo)方法圖圖5.8 追蹤法示意圖追蹤法示意圖 圖圖5.9 三點法示意圖三點法示意圖 圖圖5.10 比例導(dǎo)引法示意圖比例導(dǎo)引法示意圖導(dǎo)彈飛行方向始終指向目標，速度大于目標臨近目標時，目標轉(zhuǎn)彎會引起脫靶導(dǎo)彈速度方向與導(dǎo)彈和目標的連線角速度成正比導(dǎo)彈始終在制導(dǎo)雷達和目標的連線上245.6 智能建筑智能建筑綜合布線系統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)樓宇自動化系統(tǒng)通信自動化系統(tǒng)日常事物處理中上層管理決策設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)火警消防系統(tǒng)公共安全系統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)電視網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)三大基本要素：三大基本要素：樓宇自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)和辦公自樓宇自動化系統(tǒng)、通信自動化系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)。動化系統(tǒng)。255.7 智能交

9、通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng) 5.7.1 智能交通系統(tǒng)的概念智能交通系統(tǒng)的概念 （ITS，intelligent transportation system） 智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于包括高速公路、城市可以廣泛應(yīng)用于包括高速公路、城市道路、橋梁等設(shè)施的龐大的運輸網(wǎng)絡(luò)，也可應(yīng)用于數(shù)量道路、橋梁等設(shè)施的龐大的運輸網(wǎng)絡(luò)，也可應(yīng)用于數(shù)量日益增多的各種車輛。日益增多的各種車輛。 (1) 提高公路交通的安全性提高公路交通的安全性 (2) 降低能源消耗，減少汽車運輸對環(huán)境的影響降低能源消耗，減少汽車運輸對環(huán)境的影響 (3) 提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力 (4) 提高汽車運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟效

10、益提高汽車運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益265.7.2 智能交通系統(tǒng)的主要內(nèi)容智能交通系統(tǒng)的主要內(nèi)容 1. 交通管理系統(tǒng)交通管理系統(tǒng) 2. 旅行者信息系統(tǒng)旅行者信息系統(tǒng) 3. 公共交通運營系統(tǒng)公共交通運營系統(tǒng) 4. 營運車輛調(diào)度管理系統(tǒng)營運車輛調(diào)度管理系統(tǒng) 5. 電子收費系統(tǒng)電子收費系統(tǒng) 6. 應(yīng)急管理系統(tǒng)應(yīng)急管理系統(tǒng) 7. 先進的車輛控制和安全系統(tǒng)先進的車輛控制和安全系統(tǒng)275.7.2.5.7.2.1 1 交通管理系統(tǒng)交通管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)包括：（1）在途駕駛員信息；）在途駕駛員信息；（2）交通狀況監(jiān)視；）交通狀況監(jiān)視；（3）車流量管理；）車流量管理；（4）交通指揮控制；）交通指揮控制；（5

11、）突發(fā)事件管理系統(tǒng)。）突發(fā)事件管理系統(tǒng)。285.7.2.2 5.7.2.2 旅行者信息系統(tǒng)旅行者信息系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)包括：（1）出發(fā)前的出行信息；）出發(fā)前的出行信息；（2）交通線路引導(dǎo)；）交通線路引導(dǎo)；（3）擁擠區(qū)域的規(guī)避。）擁擠區(qū)域的規(guī)避。 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)包括：（1）公共運輸管理；）公共運輸管理；（2）途中換乘信息；）途中換乘信息；（3）滿足個人需求的非定線公共交通。）滿足個人需求的非定線公共交通。5.7.2.3 5.7.2.3 公共交通運營系統(tǒng)公共交通運營系統(tǒng)295.7.2.4 5.7.2.4 營運車輛調(diào)度管理系統(tǒng)營運車輛調(diào)度管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)包括：（1）信息查詢；）

12、信息查詢；（2）自動售票；）自動售票；（3）車輛自動定位技術(shù)；）車輛自動定位技術(shù)；（4）危險品應(yīng)急處理。）危險品應(yīng)急處理。5.7.2.5 5.7.2.5 電子收費系統(tǒng)電子收費系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過電子卡或電子標簽由計算機實現(xiàn)自動收費。該系統(tǒng)通過電子卡或電子標簽由計算機實現(xiàn)自動收費。大大提高車輛通行能力。大大提高車輛通行能力。305.7.2.6 5.7.2.6 應(yīng)急管理系統(tǒng)應(yīng)急管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)包括：（1 1）緊急告警與人員安全；）緊急告警與人員安全；（2 2）應(yīng)急車輛管理。）應(yīng)急車輛管理。 5.7.2.7 5.7.2.7 先進的車輛控制和安全系統(tǒng)先進的車輛控制和安全系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括：該系統(tǒng)

13、包括：（1）縱向避撞；）縱向避撞；（2）側(cè)向避撞；）側(cè)向避撞；（3）交叉口避撞；）交叉口避撞；（4）視覺強化避撞；）視覺強化避撞；（5）事故安全保護；）事故安全保護；（6）危險預(yù)警；）危險預(yù)警；（7）自動駕駛等；）自動駕駛等；315.8 生物控制（生命科學(xué)）生物控制（生命科學(xué)）l“生物控制論的目的主要在于建立能反映人體和動物體功能的模型和理論，而且這種模型和理論中的邏輯原理和有機體本身中起作用的邏輯原理是相同的。它也試圖建立和生物系統(tǒng)有同樣物理與生物化學(xué)成分的模型?！?32體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 33心血管系統(tǒng)生物反饋治療 345.8.3 仿生技術(shù)仿生技術(shù)35 5.8.4 生物控制與中醫(yī)學(xué)生

14、物控制與中醫(yī)學(xué) 中醫(yī)學(xué)中醫(yī)學(xué)是我國人民經(jīng)過幾千年實踐總結(jié)出來的一門關(guān)于是我國人民經(jīng)過幾千年實踐總結(jié)出來的一門關(guān)于人的科學(xué)，它和生物控制研究方法的共同點是注重整體性和人的科學(xué)，它和生物控制研究方法的共同點是注重整體性和系統(tǒng)性。系統(tǒng)性。 其中記載的其中記載的經(jīng)絡(luò)學(xué)說（人體整個生命活動的功能控制系經(jīng)絡(luò)學(xué)說（人體整個生命活動的功能控制系統(tǒng)）統(tǒng)）實質(zhì)上是世界上最早的古典實質(zhì)上是世界上最早的古典生物控制生物控制理論。理論。 365.9 生態(tài)與環(huán)境控制生態(tài)與環(huán)境控制5.9.1 生態(tài)控制生態(tài)控制 生態(tài)控制生態(tài)控制的基本任務(wù)之一是用系統(tǒng)和信息觀點和方法分的基本任務(wù)之一是用系統(tǒng)和信息觀點和方法分析、設(shè)計、規(guī)劃和控

15、制人工生態(tài)系統(tǒng)、資源的合理利用和再析、設(shè)計、規(guī)劃和控制人工生態(tài)系統(tǒng)、資源的合理利用和再循環(huán)、環(huán)境的綜合治理和優(yōu)化以及在新的生態(tài)平衡格局下人循環(huán)、環(huán)境的綜合治理和優(yōu)化以及在新的生態(tài)平衡格局下人類怎樣適應(yīng)和協(xié)調(diào)。類怎樣適應(yīng)和協(xié)調(diào)。 5.9.2 環(huán)境控制環(huán)境控制 將將環(huán)境環(huán)境當作受控的開放系統(tǒng)，研究、實施有效的控制行當作受控的開放系統(tǒng)，研究、實施有效的控制行為，使人們的生存環(huán)境質(zhì)量維持在一個良好的水平。環(huán)境控為，使人們的生存環(huán)境質(zhì)量維持在一個良好的水平。環(huán)境控制中的控制行為主要有三個方面：局部污染處理、綜合環(huán)境制中的控制行為主要有三個方面：局部污染處理、綜合環(huán)境治理和環(huán)境系統(tǒng)管理。治理和環(huán)境系統(tǒng)管理

16、。375.10 社會經(jīng)濟控制社會經(jīng)濟控制l將將社會經(jīng)濟系統(tǒng)社會經(jīng)濟系統(tǒng)（Socioeconomic System）看成是一個具有反饋調(diào)節(jié)，特別看成是一個具有反饋調(diào)節(jié)，特別是信息反饋的控制系統(tǒng)；是信息反饋的控制系統(tǒng)；l對對社會經(jīng)濟系統(tǒng)社會經(jīng)濟系統(tǒng)進行定量的描述與處理，進行定量的描述與處理，以求達到最優(yōu)控制，作出有效、合理的經(jīng)以求達到最優(yōu)控制，作出有效、合理的經(jīng)濟決策濟決策;l社會經(jīng)濟控制社會經(jīng)濟控制的主要任務(wù)是：給出最優(yōu)的的主要任務(wù)是：給出最優(yōu)的經(jīng)濟決策，通過最優(yōu)的經(jīng)濟管理，實現(xiàn)預(yù)經(jīng)濟決策，通過最優(yōu)的經(jīng)濟管理，實現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟指標。期的經(jīng)濟指標。385.11 大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工程大系統(tǒng)控制與系統(tǒng)工

17、程 什么是什么是大系統(tǒng)？三種常見的結(jié)構(gòu)形式是什么？大系統(tǒng)？三種常見的結(jié)構(gòu)形式是什么？規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)遞階控制、多層控制和多段控制遞階控制、多層控制和多段控制 5.11.1 5.11.1 大系統(tǒng)控制大系統(tǒng)控制39第一層第二層協(xié)調(diào)控制遞階控制遞階控制局部控制局部控制局部控制局部控制被控對象或過程總?cè)蝿?wù)第三層 (1) 大系統(tǒng)多級（遞階）控制大系統(tǒng)多級（遞階）控制40 (2) 大系統(tǒng)多層控制大系統(tǒng)多層控制自組織層自適應(yīng)層最優(yōu)化層直接控制層測量顯示被控對象或過程總目標第四層第三層第二層第一層慢擾動較慢擾動較快擾動快擾動41(3) (3) 大系統(tǒng)多段控制結(jié)構(gòu)（按照被控過程的時間分段）大系統(tǒng)多段控制結(jié)構(gòu)（按照被控過程的時間分段）第一段第二段第n段協(xié)調(diào)模塊被控對象或過程全段任務(wù)425.11.2 5.11.2 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程 系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程