自动化学科概论 (控制理论在冶金工程中的应用 )信息工程与自动化学院 詹跃东目录1.自动化与自动化学科，专业 2.自动化的基本原理 3.自动化学科的发展趋势 4.控制理论在冶金工程中的应用1. 自动化与自动化学科，专业1.1 自动化概念u家庭全自动照相机、洗衣机、电饭 煲；u银行自动取款机ATM；u交通自动控制的红绿灯；u楼宇自动门、自动自来水开关；u日常生活温度控制系统温度系统原理图 温度控制系统原理图 自动化的定义自动化是指机器设备、系 统或过程（生产、管理过程） 在没有人或较少人的直接参与 下，按照人的要求，经过自动 控制、信息处理、分析判断、 操纵控制等来实现预期的目标 。 1.自动化与自动化学科，专业1.2 自动化内容和应用范围n设备、过程或系统的自动化：指设备、 过程或系统的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 自动控制的技术或设备。n自动化状态：被自动控制或自动操作的 状态。n应用范围：自动化涉及的范围极其广泛 ，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，商务，交通等）各行各业。 1.自动化与自动化学科，专业1.3 自动化的发展历史n我国古代的指南车（公元235年）；n1788年瓦特的飞球调节器；n20世纪20年代40年代：电子反馈放大器（火炮 控制系统） （经典控制理论的应用）；n20世纪5070年代（现代控制理论的应用）；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）1.自动化与自动化学科，专业1.4自动化在工业化、信息化、现代化建 设中的作用和地位（介绍几个概念） n工业化发展的三个阶段：n机械化（蒸汽机、动力机）n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）1.自动化与自动化学科，专业n信息化发展阶段：n数字化（数字计算机起源1946年，1960年 大量应用）n网络化（通讯网络起源1969年，1980年大 量应用）n系统化（系统、管理、集成，起源1975年， 1990年大量应用）n现代化发展阶段（中国人发明）n后工业化（发达国家）1.自动化与自动化学科，专业 1.5自动化学科1.自动化与自动化学科，专业1.6自动化专业2.自动化的基本原理2.2 自动控制系统的研究内容n系统建模：机理建模、实验建模（系统 辨识）.n系统分析：稳定性、稳态性能、暂态性 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 理论）.2.自动化的基本原理 2.3 自动控制理论2.3.1 经典控制理论 n时域分析法（数学模型:高阶微分方程 ）.n根轨迹法（数学模型: 传递函数. 1948 年W.Evans提出并完善.）n频率特性法（传递函数. 1939年奈奎斯 特图、伯德图）.n相平面法和描述函数法（传递函数.应 用于非线性系统）. 2.3 自动控制理论 2.3.2 现代控制理论 n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 ）n系统辨识（最小二乘法）n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 ）n随机控制（白噪声干扰，概率统计方法）n鲁棒控制（被控对象的不确定性）n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 分代数等）n复杂控制（大型冶炼企业，大电网的调度控 制以及社会、管理、经济等） 2.3 自动控制理论 2.3.3 智能控制技术 智能控制技术是针对难以建立精确的， 有效的数学模型，从而无法应用经典或现代 控制理论进行分析，综合的复杂对象n模糊控制n神经网络控制n专家系统n遗传算法（智能优化）n免疫算法（智能优化）n蚁群算法（智能优化）n混沌控制 2.3 自动控制理论 2.3.4 先进控制技术先进控制技术是针对工业过程生产 中，特别是化工、冶金工业，传统的 PID算法难以满足控制要求，基于计算 机的控制算法.n内模控制（IMC）n模型预测控制（MPC）n动态矩阵控制（DMC）n广义预测控制（CCPC）3.自动化学科的发展趋势 （六个方面或领域）3.1控制理论 3.2工程系统与控制 3.3系统科学与系统工程 3.4模式信息处理 3.5人工智能 3.6机器人学与机器人技术3.自动化学科的发展趋势 3.1控制理论n控制方法：系统模型的不确定性和非线性（自 适应，鲁棒，容错，先进控制和智能控制等） n研究复杂的对象：变量过多，维数太大（CMIS 、智能机器人、大型航天结构的复杂控制等） n计算机模拟试验研究：航空航天，电力，核能 ，石化工业等庞大，昂贵或带有危险性的工程 系统（CAD、实验模拟与仿真等）n许多学科相互交叉和影响：（社会经济、生态 环境、地球与大气等）3.自动化学科的发展趋势 3.2工程系统与控制 n新型执行器的传感技术:（谐振传感器、光纤传感 器、集成传感器、生物传感器等）.n递阶的分布式计算机控制系统:（现场总线，信息 集成控制技术等）.n工程系统控制管理一体化:（企业级、工厂级、车 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（CIMS ）n系统仿真3.自动化学科的发展趋势 3.3系统科学与系统工程 n系统工程的概念：如1969年7月21日，美国 “阿波罗11号”飞船登月成功历时11年的“ 阿波罗栽人登月计划”：2万多家公司，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3.自动化学科的发展趋势 3.4模式信息处理 n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 、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 汉字识别、文本的理解等）.n语音识别与理解（识别方法、语言识别与自 然语言处理相结合等）.n模式识别专用系统.3.自动化学科的发展趋势 3.5人工智能 n人工智能的概念：研究的机器或设备具有人 的推理、理解、规划、决策、抽象、学习和 创造等能力.n基于物理符号的AI的进展：（逻辑表达或代 数表达）.n联接机制AI的进展：（并行分布式处理模型 ）.n机器学习：（知识获取）.n人机共栖：（智能的人机交互界面）n专家系统.3.自动化学科的发展趋势 3.6机器人学与机器人技术 n装配机器人n自动导向可移动或行走机器人n直接驱动机器人n智能机器人n复杂的运动学、动力学和控制问题n与机器人有关的人工智能研究4. 冶金工程中的控制方法 4.1过程控制系统 常规过程控制有：n温度控制n压力控制n流量控制n物位控制n成分控制等复杂过程控制有：n前馈控制n时滞控制（史密斯预估补偿）n解耦控制n比值控制n均匀控制n超池控制n分程控制n阀位控制等 4. 冶金工程中的控制方法 4.2计算机控制系统n直接数字控制系统（DDC）n监督控制系统（SCC）n集散（分布）控制系统（DCS）n可编程控制系统（PLC）n计算机集成过程系统（CIPS）:是化工、炼 油、冶金和石化等流程工业的CIMS.n现场总线技术n信息集成控制技术谢谢！