自动化概论(第四讲).ppt

第4章自动控制的发展概况

;本章内容;自动控制的两个组成部分;1、动控制技术的发展概况;上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难；

计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及；

常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。;单片机;工业控制计算机;可编程逻辑控制器

（ProgrammableLogicController，“PLC”）;数字信号处理器

（DigitalSignalProcessor，简称“DSP”）;计算机控制方式的演变;第二阶段：单机控制

一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调、电饭煲的控制等。;第三阶段：分散控制

对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。

典型例子有：

计算机集成制造系统CIMS

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）

集散控制系统DCS

（DistributedControlSystem）

现场总线控制系统FCS

（FieldbusControlSystem）

;一种网络化的现场总线控制系统;现代计算机控制系统：管控一体化;基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等；

运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等；

经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等；

这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。;生产自动化系统的层次结构示意图;2、自动控制理论的发展概况;②定常系统和时变系统

定常系统的所有参数是固定的，不随时间而改变；时变系统则正好相反，有随时间而改变的参数。

;③单变量系统和多变量系统

单变量系统是说系统只有一个输入和一个输出，又称为“单输入单输出系统”；多变量系统则指输入或输出不止一个，也叫“多输入多输出系统”。

;0;⑤恒值与随动控制系统;随动控制系统：

又称为伺服（servo）控制系统，系统的给定输入是随时间任意变化的函数，控制目标是使系统输出（受控量）以尽可能小的误差跟随输入量的变化。

如数控机床按设定轨迹加工零件，雷达及高炮跟踪飞机，太阳能电池板跟踪太阳等。;自动控制理论发展的三个阶段;20世纪70年代以来控制系统的规模越来越大、结构和特性越来越复杂、对控制性能的要求却越来越高，从而导致了第三代控制理论的研究和发展；

第三代控制理论至今没有明确的定义和范围，一般泛指各种先进的新型控制理论与方法，如智能控制、大系统控制、鲁棒控制、预测控制、自适应控制、多变量频域控制、非线性系统控制等，其共同特点是都针对控制难度较大的一些复杂系统，因此第三代控制理论的总体发展趋势可能是“复杂系统控制”。;（1）第一代控制理论——经典控制理论;分析和设计主要通过作图，直观简便，物理概念清楚，参数调整的方针明确，最具代表性、实际应用最多的是“频率分析法”，即根据频率响应特性分析反馈系统的性能；

主要缺点是只能用于单输入单输出线性定常系统，设计过程需要多次尝试，设计结果不具备最优性；

数学基础主要是以微积分为主要内容的高等数学、面向工程应用的复变函数和积分变换。

;（2）第二代控制理论——状态空间方法;“能控性”体现了能否对系统进行有效控制，“能观测性”则反映了能够充分地获取反馈信息；

与经典控制理论相比较，状态空间法的优点体现在一方面能够获取更充分的反馈信息，另一方面在控制方式上一般寻求最优解，如最少能量控制、最短时间控制等；

状态空间法的主要缺点是基于精确数学模型，而且实现状态反馈通常需要构建“状态观测器”，使系统结构复杂，控制性能下降，因而在工业控制领域的应用远不如经典理论普遍；

数学基础主要是线性代数、矩阵理论等。

;（3）第三代控制理论——

各种新型控制理论及方法;现代频域控制理论

（Modernfreque