自動(dòng)化(專(zhuān)業(yè))概論

1、15 控制與自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域控制與自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域25.2 機(jī)械制造自動(dòng)化機(jī)械制造自動(dòng)化 5.3 過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化5.4 電力系統(tǒng)自動(dòng)化電力系統(tǒng)自動(dòng)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(huì)經(jīng)濟(jì)控制社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(dòng)化技術(shù)發(fā)展至今，可以說(shuō)是已從控制與自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展至今，可以說(shuō)是已從“人類(lèi)手腳人類(lèi)手腳的延伸的延伸”擴(kuò)展到擴(kuò)展到“人類(lèi)大腦的延伸人類(lèi)大腦的延伸”?？刂婆c自動(dòng)化技術(shù)時(shí)控制

2、與自動(dòng)化技術(shù)時(shí)時(shí)在為人類(lèi)時(shí)在為人類(lèi)“謀謀”福利，可謂無(wú)所不在、無(wú)處沒(méi)有。福利，可謂無(wú)所不在、無(wú)處沒(méi)有。 35.2 機(jī)械制造自動(dòng)化機(jī)械制造自動(dòng)化機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)從機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)從20世紀(jì)世紀(jì)50年代至今，經(jīng)歷了：年代至今，經(jīng)歷了：?jiǎn)螜C(jī)自動(dòng)化、剛性生產(chǎn)線單機(jī)自動(dòng)化、剛性生產(chǎn)線數(shù)控機(jī)床、加工中心數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造正向計(jì)算機(jī)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(shí)際柔性制造生產(chǎn)線 75.2.3 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)85.3 過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化 在連續(xù)型工業(yè)中，主要對(duì)系統(tǒng)的溫度，壓力、流量、在連續(xù)型工業(yè)中，主要對(duì)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(jìn)行控制的工業(yè)，液位（料位）、成分和物性等六大參數(shù)進(jìn)行控制的工業(yè)，稱(chēng)之為稱(chēng)之為過(guò)程工業(yè)過(guò)程工業(yè) 。 過(guò)程工業(yè)過(guò)程工業(yè)包括電力、石油化工、化工、造紙、冶金、制藥、輕工等國(guó)包括電力、石油化工、化工、造紙、冶金、制藥、輕工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重的許多工業(yè)。民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重的許多工

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

5、續(xù)的，因而強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)控制和管理過(guò)程工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，因而強(qiáng)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(chē)間連接在一起成為一個(gè)的整體性，應(yīng)把各種裝置和生產(chǎn)車(chē)間連接在一起成為一個(gè)整體來(lái)考慮，實(shí)現(xiàn)了個(gè)別設(shè)備或裝置的優(yōu)化不一定是整體整體來(lái)考慮，實(shí)現(xiàn)了個(gè)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(guò)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(guò)程數(shù)字計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換操作臺(tái)擾動(dòng)控制變量輸出變量12集散控制系統(tǒng) 13現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 14計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型 生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)

6、集成控制系統(tǒng)是是一種綜合自動(dòng)化系一種綜合自動(dòng)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(xiāo)對(duì)路的產(chǎn)品，以銷(xiāo)對(duì)路的產(chǎn)品，以獲取最大的經(jīng)濟(jì)效獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)外市益，增強(qiáng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 其實(shí)質(zhì)就是將過(guò)程控制、計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理和市場(chǎng)銷(xiāo)售等信息進(jìn)其實(shí)質(zhì)就是將過(guò)程控制、計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理和市場(chǎng)銷(xiāo)售等信息進(jìn)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(dòng)化電力系統(tǒng)自動(dòng)化 電力系統(tǒng)自動(dòng)化的基本目標(biāo)與任務(wù)就電力系統(tǒng)自動(dòng)化的基本目標(biāo)與任務(wù)就是保障電力系統(tǒng)安全、可靠及經(jīng)濟(jì)

7、地運(yùn)行是保障電力系統(tǒng)安全、可靠及經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行(2008雪災(zāi)、地震雪災(zāi)、地震) 16電力系統(tǒng)自動(dòng)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(yùn)行中的主要任務(wù)之一，一般要求系統(tǒng)頻率相對(duì)額定頻率的偏差不超過(guò)0.050.15Hz l離心式調(diào)速機(jī)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(gè)重要的方面，通常要求電壓幅值相對(duì)額定幅值變化量不超過(guò)+-510%。 l為了維持系統(tǒng)的電壓水平，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)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(diǎn)法示意圖三點(diǎn)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(biāo)，速度大于目標(biāo)臨近目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)彎會(huì)引起脫靶導(dǎo)彈速度方向與導(dǎo)彈和目標(biāo)的連線角速度成正比導(dǎo)彈始終在制導(dǎo)雷達(dá)和目標(biāo)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(dòng)化系統(tǒng)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)通信自動(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三大基本要素：三大基本要素：樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。動(dòng)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(yùn)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，也可應(yīng)用于數(shù)量日益增多的各種車(chē)輛。日益增多的各種車(chē)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(chē)運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響降低能源消耗，減少汽車(chē)運(yùn)輸對(duì)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(chē)運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效

10、益提高汽車(chē)運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)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(yùn)營(yíng)系統(tǒng)公共交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng) 4. 營(yíng)運(yùn)車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng) 5. 電子收費(fèi)系統(tǒng)電子收費(fèi)系統(tǒng) 6. 應(yīng)急管理系統(tǒng)應(yīng)急管理系統(tǒng) 7. 先進(jìn)的車(chē)輛控制和安全系統(tǒng)先進(jìn)的車(chē)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(chē)流量管理；）車(chē)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(yùn)輸管理；）公共運(yùn)輸管理；（2）途中換乘信息；）途中換乘信息；（3）滿足個(gè)人需求的非定線公共交通。）滿足個(gè)人需求的非定線公共交通。5.7.2.3 5.7.2.3 公共交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)公共交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)295.7.2.4 5.7.2.4 營(yíng)運(yùn)車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)車(chē)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(dòng)售票；）自動(dòng)售票；（3）車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)；）車(chē)輛自動(dòng)定位技術(shù)；（4）危險(xiǎn)品應(yīng)急處理。）危險(xiǎn)品應(yīng)急處理。5.7.2.5 5.7.2.5 電子收費(fèi)系統(tǒng)電子收費(fèi)系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過(guò)電子卡或電子標(biāo)簽由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)。該系統(tǒng)通過(guò)電子卡或電子標(biāo)簽由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)。大大提高車(chē)輛通行能力。大大提高車(chē)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(chē)輛管理。）應(yīng)急車(chē)輛管理。 5.7.2.7 5.7.2.7 先進(jìn)的車(chē)輛控制和安全系統(tǒng)先進(jìn)的車(chē)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(jué)強(qiáng)化避撞；）視覺(jué)強(qiáng)化避撞；（5）事故安全保護(hù)；）事故安全保護(hù)；（6）危險(xiǎn)預(yù)警；）危險(xiǎn)預(yù)警；（7）自動(dòng)駕駛等；）自動(dòng)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(dòng)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(jī)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(guó)人民經(jīng)過(guò)幾千年實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的一門(mén)關(guān)于是我國(guó)人民經(jīng)過(guò)幾千年實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的一門(mén)關(guān)于人的科學(xué)，它和生物控制研究方法的共同點(diǎn)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(diǎn)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(shuō)（人體整個(gè)生命活動(dòng)的功能控制系經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)（人體整個(gè)生命活動(dòng)的功能控制系統(tǒng)）統(tǒng)）實(shí)質(zhì)上是世界上最早的古典實(shí)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(diǎn)和方法分的基本任務(wù)之一是用系統(tǒng)和信息觀點(diǎn)和方法分析、設(shè)計(jì)、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(jì)、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(lèi)怎樣適應(yīng)和協(xié)調(diào)。類(lèi)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(dāng)作受控的開(kāi)放系統(tǒng)，研究、實(shí)施有效的控制行當(dāng)作受控的開(kāi)放系統(tǒng)，研究、實(shí)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(gè)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(gè)良好的水平。環(huán)境控制中的控制行為主要有三個(gè)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(gè)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(huì)經(jīng)濟(jì)控制社會(huì)經(jīng)濟(jì)控制l將將社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)（Socioeconomic System）看成是一個(gè)具有反饋調(diào)節(jié)，特別看成是一個(gè)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(duì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行定量的描述與處理，進(jìn)行定量的描述與處理，以求達(dá)到最優(yōu)控制，作出有效、合理的經(jīng)以求達(dá)到最優(yōu)控制，作出有效、合理的經(jīng)濟(jì)決策濟(jì)決策;l社會(huì)經(jīng)濟(jì)控制社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jì)決策，通過(guò)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)管理，實(shí)現(xiàn)預(yù)經(jīng)濟(jì)決策，通過(guò)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)管理，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。期的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。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(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是什么？大系統(tǒng)？三種常見(jiàn)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(duì)象或過(guò)程總?cè)蝿?wù)第三層 (1) 大系統(tǒng)多級(jí)（遞階）控制大系統(tǒng)多級(jí)（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(cè)量顯示被控對(duì)象或過(guò)程總目標(biāo)第四層第三層第二層第一層慢擾動(dòng)較慢擾動(dòng)較快擾動(dòng)快擾動(dòng)41(3) (3) 大系統(tǒng)多段控制結(jié)構(gòu)（按照被控過(guò)程的時(shí)間分段）大系統(tǒng)多段控制結(jié)構(gòu)（按照被控過(guò)程的時(shí)間分段）第一段第二段第n段協(xié)調(diào)模塊被控對(duì)象或過(guò)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