自动化学科讲演省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

自动化学科概论自动化学科概论(控制理论在冶金工程中应用控制理论在冶金工程中应用)信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院詹跃东詹跃东第1页目录1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业2.自动化基本原理自动化基本原理 3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势4.控制理论在冶金工程中应用控制理论在冶金工程中应用 第2页1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.1 自动化概念自动化概念n家庭家庭全自动摄影机、洗衣机、电饭全自动摄影机、洗衣机、电饭煲；煲；n银行银行自动取款机自动取款机ATM；n交通交通自动控制红绿灯；自动控制红绿灯；n楼宇楼宇自动门、自动自来水开关；自动门、自动自来水开关；n日常生活日常生活温度控制系统温度控制系统第3页温度系统原理图 第4页温度控制系统原理图 第5页自动化定义 自动化是指机器设备、系统自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没或过程（生产、管理过程）在没有些人或较少人直接参加下，按有些人或较少人直接参加下，按照人要求，经过自动控制、信息照人要求，经过自动控制、信息处理、分析判断、操纵控制等来处理、分析判断、操纵控制等来实现预期目标。实现预期目标。第6页1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.2 自动化内容和应用范围自动化内容和应用范围n设备、过程或系统自动化：指设备、过设备、过程或系统自动化：指设备、过程或系统自动运行或自动控制。程或系统自动运行或自动控制。n自动化技术或设备：指用于自动运行或自动化技术或设备：指用于自动运行或自动控制技术或设备。自动控制技术或设备。n自动化状态：被自动控制或自动操作状自动化状态：被自动控制或自动操作状态。态。n应用范围：自动化包括范围极其广泛，应用范围：自动化包括范围极其广泛，几乎无所不包：工业生产和工业自动化；几乎无所不包：工业生产和工业自动化；农业自动化；服务自动化（办公，楼宇，农业自动化；服务自动化（办公，楼宇，商务，交通等）各行各业。商务，交通等）各行各业。第7页1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业n1.3 自动化发展历史n我国古代指南车（公元235年）；n1788年瓦特飞球调整器；n20世纪代40年代：电子反馈放大器（火炮控制系统）（经典控制理论应用）；n20世纪5070年代（当代控制理论应用）；n人造卫星(1957年)；阿波罗飞船登上月球(1957年)；n物控机床(1952年)；工业机器人(1954年).n20世纪80年代以来:加工中心和计算机集成制造系统（CIMS）第8页1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业1.4自动化在工业化、信息化、当代化建设自动化在工业化、信息化、当代化建设中作用和地位（介绍几个概念）中作用和地位（介绍几个概念）n工业化发展三个阶段：工业化发展三个阶段：n机械化（蒸汽机、动力机）机械化（蒸汽机、动力机）n电气化（电机、发电机、供电网络）电气化（电机、发电机、供电网络）n自动化（电子控制器、自动化生产线）自动化（电子控制器、自动化生产线）第9页1.自动化与自动化学科，专业自动化与自动化学科，专业n信息化发展阶段：信息化发展阶段：n数字化（数字计算机起源数字化（数字计算机起源1946年，年，1960年年大量应用）大量应用）n网络化（通讯网络起源网络化（通讯网络起源1969年，年，1980年大年大量应用）量应用）n系统化（系统、管理、集成，起源系统化（系统、管理、集成，起源1975年，年，1990年大量应用）年大量应用）n当代化发展阶段（中国人创造）当代化发展阶段（中国人创造）n后工业化（发达国家）后工业化（发达国家）第10页1.自动化与自动化学科，专业1.5自动化学科第11页1.自动化与自动化学科，专业 1.6自动化专业第12页2.自动化基本原理自动化基本原理2.2 自动控制系统研究内容自动控制系统研究内容n系统建模：机理建模、试验建模（系统系统建模：机理建模、试验建模（系统辨识）辨识）.n系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性能、抗干扰性、鲁棒性等能、抗干扰性、鲁棒性等.n系统综合：设计控制器（应用自动控制系统综合：设计控制器（应用自动控制理论）理论）.第13页2.自动化基本原理2.3 自动控制理论2.3.1 经典控制理论经典控制理论 n时域分析法（数学模型时域分析法（数学模型:高阶微分方程）高阶微分方程）.n根轨迹法（数学模型根轨迹法（数学模型:传递函数传递函数.1948年年W.Evans提出并完善提出并完善.）n频率特征法（传递函数频率特征法（传递函数.1939年奈奎斯年奈奎斯特图、伯德图）特图、伯德图）.n相平面法和描述函数法（传递函数相平面法和描述函数法（传递函数.应用应用于非线性系统）于非线性系统）.第14页2.3 自动控制理论自动控制理论2.3.2 当代控制理论当代控制理论 n线性系统理论（数学模型：状态空间；能控性，线性系统理论（数学模型：状态空间；能控性，能观性，系统综合或校正：极点配置法）能观性，系统综合或校正：极点配置法）n系统辨识（最小二乘法）系统辨识（最小二乘法）n最优控制（极大值原理，动态规划）最优控制（极大值原理，动态规划）n自适应控制（自校正控制，模型参考自适应）自适应控制（自校正控制，模型参考自适应）n随机控制（白噪声干扰，概率统计方法）随机控制（白噪声干扰，概率统计方法）n鲁棒控制（被控对象不确定性）鲁棒控制（被控对象不确定性）n容错控制（系统安全性、可靠性）容错控制（系统安全性、可靠性）n非线性理论（变结构控制，微分几何法，微分非线性理论（变结构控制，微分几何法，微分代数等）代数等）n复杂控制（大型冶炼企业，大电网调度控制以复杂控制（大型冶炼企业，大电网调度控制以及社会、管理、经济等）及社会、管理、经济等）第15页2.3 自动控制理论自动控制理论2.3.3 智能控制技术智能控制技术 智能控制技术是针对难以建立准确，有效智能控制技术是针对难以建立准确，有效数学模型，从而无法应用经典或当代控制理论数学模型，从而无法应用经典或当代控制理论进行分析，综合复杂对象进行分析，综合复杂对象n含糊控制含糊控制n神经网络控制神经网络控制n教授系统教授系统n遗传算法（智能优化）遗传算法（智能优化）n免疫算法（智能优化）免疫算法（智能优化）n蚁群算法（智能优化）蚁群算法（智能优化）n混沌控制混沌控制 第16页2.3 自动控制理论自动控制理论2.3.4 先进控制技术先进控制技术 先进控制技术是针对工业过程生产先进控制技术是针对工业过程生产中，尤其是化工、冶金工业，传统中，尤其是化工、冶金工业，传统PID算法难以满足控制要求，基于计算机控算法难以满足控制要求，基于计算机控制算法制算法.n内模控制（内模控制（IMC）n模型预测控制（模型预测控制（MPC）n动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMC）n广义预测控制（广义预测控制（CCPC）第17页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势（六个方面或领域）（六个方面或领域）3.1控制理论控制理论3.2工程系统与控制工程系统与控制3.3系统科学与系统工程系统科学与系统工程3.4模式信息处理模式信息处理3.5人工智能人工智能3.6机器人学与机器人技术机器人学与机器人技术第18页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.1控制理论控制理论n控制方法：系统模型不确定性和非线性（自适应，控制方法：系统模型不确定性和非线性（自适应，鲁棒，容错，先进控制和智能控制等）鲁棒，容错，先进控制和智能控制等）n研究复杂对象：变量过多，维数太大（研究复杂对象：变量过多，维数太大（CMIS、智能机器人、大型航天结构复杂控制等）智能机器人、大型航天结构复杂控制等）n计算机模拟试验研究：航空航天，电力，核能，计算机模拟试验研究：航空航天，电力，核能，石化工业等庞大，昂贵或带有危险性工程系统石化工业等庞大，昂贵或带有危险性工程系统（CAD、试验模拟与仿真等）、试验模拟与仿真等）n许多学科相互交叉和影响：（社会经济、生态环许多学科相互交叉和影响：（社会经济、生态环境、地球与大气等）境、地球与大气等）第19页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.2工程系统与控制工程系统与控制 n新型执行器传感技术新型执行器传感技术:（谐振传感器、光纤传感器、（谐振传感器、光纤传感器、集成传感器、生物传感器等）集成传感器、生物传感器等）.n递阶分布式计算机控制系统递阶分布式计算机控制系统:（现场总线，信息集（现场总线，信息集成控制技术等）成控制技术等）.n工程系统控制管理一体化工程系统控制管理一体化:（企业级、工厂级、车（企业级、工厂级、车间级、过程级、单元级）间级、过程级、单元级）.n柔性制造自动化和计算机集成制造系统（柔性制造自动化和计算机集成制造系统（CIMS）n系统仿真系统仿真第20页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.3系统科学与系统工程系统科学与系统工程 n系统工程概念：如1969年7月21日，美国“阿波罗11号”飞船登月成功历时“阿波罗栽人登月计划”：2万多家企业，120多所大学和研究机构，42万余名参加人员，700多万个零部件和耗资300多亿美元n理论基础：控制论（维纳），信息论（香农）和系统论（贝塔朗菲）n方法：集中控制；分数控制；分解协调控制等n范围：生命、气候、生态、地球表面、人口、人体和社会控制等第21页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.4模式信息处理模式信息处理 n基本方法（统计模式识别和句法模式识别）基本方法（统计模式识别和句法模式识别）.n计算机视觉（马尔视觉计算理论、立体视觉、计算机视觉（马尔视觉计算理论、立体视觉、动态序列图像分析、视觉检测等）动态序列图像分析、视觉检测等）.n文字识别与分析（多字体印刷体识别、手写汉文字识别与分析（多字体印刷体识别、手写汉字识别、文本了解等）字识别、文本了解等）.n语音识别与了解（识别方法、语言识别与自然语音识别与了解（识别方法、语言识别与自然语言处理相结合等）语言处理相结合等）.n模式识别专用系统模式识别专用系统.第22页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.5人工智能人工智能 n人工智能概念：研究机器或设备含有些人推理、人工智能概念：研究机器或设备含有些人推理、了解、规划、决议、抽象、学习和创造等能力了解、规划、决议、抽象、学习和创造等能力.n基于物理符号基于物理符号AI进展：（逻辑表示或代数表示）进展：（逻辑表示或代数表示）.n联接机制联接机制AI进展：（并行分布式处理模型）进展：（并行分布式处理模型）.n机器学习：（知识获取）机器学习：（知识获取）.n人机共栖：（智能人机交互界面）人机共栖：（智能人机交互界面）n教授系统教授系统.第23页3.自动化学科发展趋势自动化学科发展趋势3.6机器人学与机器人技术机器人学与机器人技术 n装配机器人装配机器人n自动导向可移动或行走机器人自动导向可移动或行走机器人n直接驱动机器人直接驱动机器人n智能机器人智能机器人n复杂运动学、动力学和控制问题复杂运动学、动力学和控制问题n与机器人相关人工智能研究与机器人相关人工智能研究第24页4.冶金工程中控制方法冶金工程中控制方法4.1过程控制系统过程控制系统 常规过程控制有：常规过程控制有：温度控制温度控制压力控制压力控制流量控制流量控制物位控制物位控制成份控制等成份控制等复杂过程控制有复杂过程控制有：前馈控制前馈控制时滞控制（史密斯预估赔偿）时滞控制（史密斯预估赔偿）解耦控制解耦控制比值控制比值控制均匀控制均匀控制超池控制超池控制分程控制分程控制阀位控制等阀位控制等 第25页4.冶金工程中控制方法冶金工程中控制方法4.2计算机控制系统计算机控制系统n直接数字控制系统（直接数字控制系统（DDC）n监督控制系统（监督控制系统（SCC）n集散（分布）控制系统（集散（分布）控制系统（DCS）n可编程控制系统（可编程控制系统（PLC）n计算机集成过程系统（计算机集成过程系统（CIPS）:是化工、炼油、是化工、炼油、冶金和石化等流程工业冶金和石化等流程工业CIMS.n现场总线技术现场总线技术n信息集成控制技术信息集成控制技术第26页谢谢！第27页