自动化学科概论.ppt

1,通识课程自动化学科概论,Introduction to Disciplines of Automation Science and Technology,同类课程 电子信息学科概论 电气工程与自动化学科概论计划学时 32主讲教师:马旭东 联系方式,2,第二章 学科基础,自动化属于电子信息与电气学科(EE,E&EE)一个方向,分支工程师论证高等工程教育机械，电气，化工，计算机，电子？电气工程：“研究创造产生电气与电子系统的有关学科的总和”？用电，发电与配送电及设备，控制,信息科学与工程：电子技术，电子系统，电子工程电子科学与工程：信息技术，信息系统，信息工程自动化：,3,控制论与自动控制,自动化-基本概念,“控制论”是一种现代科学的方法论，它是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。（“控制论”就是要揭示包括机器、生物、社会在内的各种不同的控制系统的共同规律。）系统-指相互作用的两个或两个以上的元素构成的整体。同构理论信息的流通、交换 控制论中的三大要素反馈机制,4,控制论与自动控制,控制论的主要方法：功能模拟、黑箱-灰箱-白箱、形式化-数量化-最优化自动控制指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如：机器、设备或生产过程）的某一物理量（或工作状态）自动地按照预定的规律运行（或变化）。,1 用机器替代人进行工作-工厂自动化2 通过反馈检测等替代感知性行为-自动化操作技能,人的能力极限,5,自动控制基本原理与系统构成,基础自动化高级应用,东南大学,5,自动化系统基本构成(要素）,信号检测变送,期望输入,系统输出,反馈检测,偏差,ReferenceInput/OutputDeviation/ErrorController/RegulatorPlant Sensor Feedback,结构框图,扰动输入,6,自动化学科基本概念,基础自动化自动控制概念,反馈(Feedback)负反馈/正反馈静态(Static)动态(Dynamic)回路(Loop)控制(Control)-Controller 执行机构(Executer)补偿(校正)(Compensation)-Compensator调节(Regulation)-Regulator 输入(Input)控制/扰动输出(Output)状态(States),7,自动化学科基本概念,典型基础自动化系统分类,过程自动化系统运动控制系统顺序控制系统连续反馈控制系统顺序逻辑控制系统批式混合控制系统,固定(Fixed)/可编程(Programmable)/柔性(Flexible)自动化本地(Local)/远程(Remote)/分布式(Distributed),按被控对象按控制方式(开环/闭环),8,自动化专业基本方法与概念,被控制对象（Controlled Object）是控制系统的工作对象。控制就是控制器对被控制对象施加一种控制作用，以达到人们所预期的目标。自动化（控制）科学严密严格的数学（深厚的数学基础）,应用于控制工程合理的近似 因为：控制对象绝大多数非常复杂，非线性/相互耦合注：只介绍基本原理用一根主线串起来 介绍中推导不严密，但不妨碍本质的理解,9,自动化专业基本方法与概念,1.自动控制系统基本类型之一:开环控制(无反馈)简单,不准确（希望1000r/min，实际950r/min）,转速给定,控制量,转速,电动机,+V,直流电机转速开环控制,10,自动化专业基本方法与概念,人工闭环,功率放大器,+V,转速表,11,自动化专业基本方法与概念,自动闭环控制(比例控制),功率放大器,+V,测速发电机,12,自动化专业基本方法与概念,控制器,对象,反馈（测量）,参考输入,偏差,输出,执行器,13,自动化专业基本方法与概念,维纳给出的负反馈闭环控制结构图,闭环：准确 复杂、设备多基础是反馈,14,自动化专业基本方法与概念,2、自动控制包含的基本内容,（1）对象数学模型的建立与分析,控制器设计-控制的核心（2）执行器设计 测量器设计,控制器、执行器、测量器选型 安装、（现场）调试,（3）,15,自动化专业基本方法与概念,被控对象的数学模型被控制对象五花八门，从简单的的温度、湿度控制到复杂工业过程控制；从民用工业过程的控制到导弹、卫星和飞船的发射及运行控制；从技术过程到社会、经济、环境和生物过程等。但从控制的角度看，被控制对象在运动过程中所表现出来的动态行为（Dynamical Behavior,也称对象特性）有相似之处，可以用共同形式的数学模型加以描述，这就是被控制对象的动态数学模型（Mathematical Model）。,被控制对象的数学模型是控制系统设计的主要依据，这就是为什么控制科学可以广泛地用于各种不同领域，不管是技术过程还是社会、经济和生物过程等的原因。,16,被控对象的数学建模,建立被控制对象的动态数学模型，实际上就是要找出被控制对象的输出与输入之间的动态关系，即输入与输出之间的因果关系。建立被控制对象的动态数学模型的方法：机理的方法（Mechanism Based）依据被控制对象内在的机理，运用各种物理、化学、社会和经济规律建立模型的方法；辩识方法（Identification）不论内在的机理如何，仅依据动态过程中被控制对象的输出和输入数据，经过一定的数据处理，并采用特定的算法建立数学模型的方法。这种方法又称黑箱(Black Box)方法。,17,3、对象建模与分析,基础：数学、物理 例：SISO系统,东南大学,17,实际被控制对象的复杂性：非线性、时变性、分布参数、系统内部相互耦合等，以及各种干扰的存在,18,自动化专业基本方法与概念,多变量(输入输出)系统,两种溶液混合，引入多变量解。,19,4.自动控制系统分析与设计面向模型,面向(参数化)模型的分析、设计和控制（Mechanism based Modeling)）（1）建立近似微分方程式(关于时间t自变量)（2）简化微分方程式线性化常用方法(3)手工或借助计算机(仿真)计算时域特性(4)借助工程数学方法(算子)变换到频率域分析、设计（5）时域检验（仿真或物理实验）,20,自动化专业基本方法与概念,标准的一阶线性微分方程线性系统(符合叠加原理),可写成：,东南大学,20,21,自动化专业基本方法与概念,用传递函数表示对线性系统两边同求拉普拉斯变换,微分方程 代数方程,22,自动化专业基本方法与概念,23,自动化专业基本方法与概念,被控制对象（Controlled Object）是控制系统的工作对象。控制就是控制器对被控制对象施加一种控制作用，以达到人们所预期的目标。自动化（控制）科学严密严格的数学（深厚的数学基础）,24,自动化专业基本方法与概念,Qi,浮子测量元件,H,Qo,执行阀,控制器,液面给定,控制器设计,开环控制?溢出或流干,闭环控制系统,25,自动化专业基本方法与概念,问题:为何闭环控制能满足要求 直观上应能满足,控制框图方框图,原理：偏差调节,控制K,G(S),测量1,y,输出Y,Yo=Ho,r=Qi,26,自动化专业基本方法与概念,闭环传递函数,27,自动化专业基本方法与概念,反馈控制作用:,28,自动化专业基本方法与概念,设计控制器的关键问题 稳定性 什么是不稳定?简单情况:如水溢出、流干 稳定性是压倒一切的。为什么会不稳定?对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学是自动控制重要研究 内容输出回路特性?,29,自动化专业基本方法与概念,控制.vs.补偿控制与补偿的必要性：由于对象固有特性（能量/信息等）对输入的响应随着时间的动态变化,简单闭环难以满足要求非参数化模型?对象的客观特性描述-模型,t,=n阶线形模型/非线性参数化模型？,30,自动化专业基本方法与概念,稳态误差动态特性,t,Yo=Ho,Ho,y,稳态误差,闭环控制性能指标:上升时间tr,超调%稳定时间ts稳态精度,31,自动化专业基本方法与概念,控制.vs.补偿 控制器(Controller)的作用是接受传感器（变送器）来的测量信号，并与被控制量的设定值（Set Point）进行比较，得到实际测量值与设定值的偏差，然后根据偏差信号的大小、变化率和被控制对象的动态特性，经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确地到达所预定的目标值。控制器电子装置/电子机械装置/计算机 自动控制原理中称补偿器(Compensator),控制工程中又称调节器(Regulator)。补偿：从频域特性角度考虑，补偿改变时域特性（超前，滞后，滞后/超前）,32,自动化专业基本方法与概念,经典反馈控制(调节)-PID三作用 控制规律(Control Law)是自动化系统功能的主要体现。最普遍的是比例-微分-积分控制（Proportional plus Integral plus Derivative Control-PID）。比例控制作用：输出与偏差成比例，作用简单，但不能消除系统的稳态偏差(利用偏差当前信息产生快速响应）微分控制作用：输出与偏差的微分成比例。微分作用能根据偏差的变化趋势进行控制，因而能改善控制系统的性能。(利用偏差历史信息产生控制累计）积分控制作用：输出与偏差的积分成比例。积分作用能消除系统的稳态偏差。积分控制常与比例控制或比例-微分控制一起组成比例-积分控制或比例-微分-积分控制。(利用偏差未来信息产生预报）,33,自动化专业基本方法与概念,经典反馈控制(调节)-PID三作用P当前、I历史、D未来（预测）(PB,Ti,TD/Kp,Ki,Kd参数),34,自动化专业基本方法与概念,经典反馈控制(调节)-PID三作用P当前、I历史、D未来（预测）,35,自动化专业基本方法与概念,经典补偿器（Compensator)补偿：从频域特性角度考虑，补偿改变时域特性 超前补偿(校正):提高高频特性 滞后补偿(校正):提高低频特性 滞后/超前补偿(校正):保证合理的中低频特性,(频率),36,控制器/补偿环节的结构与参数,通过建模-设计计算-仿真优化获得结构 补偿器:频域设计为主,闭环频域特性 PID:频域/时域设计 基于参数化/非参数化模型PID参数工程整定 频域理论:临界震荡法-ZN方法 Ziegler-Nichols提出:只保留比例控制作用，当选定了合适的控制周期后，在闭环比例控制下，采用逐渐增大比例系数Kp的方法，直至使系统产生等幅振荡为止。这时的比例系数Kp即为临界增益Kcp，振荡周期为临界振荡周期Tcp。(输出特性)经验公式计算P-I-D参数 最优理论:5%超调优化,37,控制器/补偿环节的结构与参数,ZN方法（临界震荡法）PID参数整定表,临界振荡参数:临界增益Kcp(比例系数Kp)临界振荡周期Tcp扩展到数字系统,38,控制器/补偿环节的结构与参数,ZN方法改进:改进型临界比例度法系统,39,自动化专业基本方法与概念,控制器的发展 线性非线性 简单复杂 常规智能 模拟模拟数字混合式 全数字式 计算机（软件实现）计算机（软/固件实现）(Digitalized-Computerized)多变量控制的简易性和可行性,40,自动化专业基本方法与概念,数字化与计算机控制1、模拟量到数字量,矩形近似,梯形近似,2、微分方程到差分方程,41,自动化专业基本方法与概念,3、实际处理（实现）,数字/模拟转换,模拟/数字转换,采样,42,自动化专业基本方法与概念,采用计算机控制的典型自动化系统,43,自动化专业基本方法与概念,计算机控制示意图,对象,输出,数字控制器,数/模转换,测量,模/数转换,执行器,数字给定,计算机,数字化,测量、控制设备,模拟量,44,自动化专业基本方法与概念,44,一阶滞后（惯性）滤波效果：对均值为0的噪声十分有效，T=滤波时间常数,数字滤波-滤去尖峰噪声脉冲，改善精度,45,自动化专业基本方法与概念,45,45,基本PID的离散化,位置型（全量）算式：记忆 e(n-1),2历史信息单元,差分算式（一阶近似：微分差分；积分求和）第n次计算输出 e(n)=SV(n)-PV(n),速度型（增量）算式：MV(n)=MV(n-1)+MV(n),记忆 e(n-1),e(n-2),MV(n-1)3单元,46,数字控制器/补偿环节的结构与参数,通过建模-设计计算-仿真优化获得结构 两种方法：连续/离散系统设计方法连续：同模拟系统足够小（快）离散：考虑Tc影响（变差）-频域设计,闭环频域特性 时域设计：数字仿真 基于参数化/非参数化模型PID参数整定：连续：-临界震荡法-ZN方法离散：扩展临界比例度法 Tc经验参数,47,数字控制器/补偿环节的结构与参数,扩展临界比例度法,48,数字控制器/补偿环节参数,参数自整定PID控制器,临界增益Kcp和临界振荡周期Tcp：Kcp=4*Kp*CM/(X0*)Tcp=Tc,49,控制器/补偿环节的结构与参数,PID参数自整定的启动条件：首次运行；整定外启动；设定值SV变化且响应时间最大允许响应时间；动态偏差最大动态偏差；峰值衰减比设定值且动态偏差设定值。自整定停止条件:当出现下面的情况时，自整定停止：当自整定成功，PID参数被更新，则自整定停止，进入非线性PID控制状态。整定时间最大整定时间设定值或者手动停止自整定。当自整定未完成而被中断时，PID参数恢复为原来的基准值。,50,模糊控制与模糊控制器,模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)-以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制技术非基于模型的控制器在理论上模糊控制器由N维关系R表示。关系R可视为受约于0，1区间的N个变量的函数。R是N维关系Ri的组合，每个Ri代表一条规则ri:IFTHEN。控制器的输入x被模糊化为一关系X，它对于多输入单输出(MISO)控制时为(N-1)维。模糊输出Y可应用合成推理规则进行计算。对模糊输出Y进行非模糊化(模糊判决)，可得精确的数值输出y。,51,模糊控制与模糊控制器,模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴非基于模型的控制器,模糊控制器设计:1选定结构(输入输出变量，量程转换)2确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化3建立模糊控制规则或控制算法。规则来源:人类实际经验-模糊规则和语言,52,模糊控制与模糊控制器,模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)模糊语言值通常选取3、5或7个，例如取为负，零，正，负大，负小，零，正小，正大，或负大，负中，负小，零，正小，正中，正大等。再对所选取的模糊集定义其隶属函数，可取三角形 或梯形隶属函数，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀的；也可采用单点模糊集方法进行模糊化,53,模糊控制与模糊控制器,模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control),模糊规则和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现计算控制系统广泛应用-成为自动控制领域中极为重要的分支，并形成了一定的编程标准（如IEC61131-7）。应用:家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。模糊PID，变参数PID，智能控制算法,54,自动化专业基本方法与概念,复杂/广义控制:智能机器人系统框图,55,控制科学与工程学科,核心问题:信息-提取、传播、处理、存储和利用特点：用较抽象的方式来研究一切控制系统的信息传输与信息处理的特点和规律，研究不同的控制规律，达到不同的控制目的vs.信息学科：研究信息的测度(measure)，在此基础上研究实际系统中的有效传输和有效处理等问题，如编码、译码、信道容量及传输速率（安全）。控制与通信：测量-反馈-通信-控制-作用-loop 不可分割:人控制机器，人操纵计算机，计算机控制机器=双向的信息流（HRI，HMI）,56,控制科学与工程学科,学科：自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属控制与工程的范畴。研究内容：自动控制与信号处理（理论，系统，工程应用）。国外：交叉学科,跨学科国内:本科(BSc):自动化类MSc/PhD:一级学科：控制科学与工程二级学科：控制理论与控制工程检测技术与自动化装置系统工程模式识别与智能系统飞行器导航、智能与控制,57,控制科学与工程学科,MSc/PhD:一级学科：控制科学与工程二级学科：控制理论与控制工程检测技术与自动化装置系统工程模式识别与智能系统飞行器导航、智能与控制飞机控制、导弹控制、卫星控制、传舶控制、车辆控制、交通自动化、通信自动化、化工自动化、冶金自动化、电力系统自动化、机械制造自动化、农业自动化、图书馆自动化、办公自动化、家庭自动化.,58,二级学科：控制理论与控制工程自动控制理论:线性系统理论 非线性控制理论经典/现代;连续/离散;定常/随机控制工程:工业自动化 系统开发 系统技术 工程控制应用技术 自动化工程,59,二级学科：检测技术与自动化装置 传感信号处理 自动仪表（放大，变送，控制，执行）控制器（硬件电路，系统与开发）,60,二级学科：系统工程最优化方法（运筹学）离散模型大系统理论决策分析信息管理,61,二级学科：模式识别与智能系统 模式识别原理(AI,建模,判断)-语音识别/分析,目标识别,语音合成 人机系统 智能控制 智能监控 智能控制设备,62,二级学科：飞行器导航、智能与控制 大气层内外空间飞行器械=飞行器(航空器航天器火箭-导弹)火箭:以火箭发动机为动力的飞行器导弹:装有战斗部的可控制的火箭特点:空间广阔,智能和机动性,精确建模可能 先进的新型控制理论和技术需求与应用 来源,63,相关学科：计算机科学与工程:(CE)计算机应用电气工程(与自动化,EE):电力电子信息工程:信息处理-软件电子工程:控制器硬件自动化：应用数学/运筹/规划模型-理论 电子信息与电气-应用学科 系统论、信息论、控制论的组合应用,部件与系统开发基础,