自动化(专业)概论

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(2) 大系统多层控制
总目标 慢扰动
自组织层
第四层
较慢扰动
自适应层
第三层
较快扰动
最优化层
第二层
快扰动
直接控制层
第一层
测量显示
被控对象或过程
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(3)
大系统多段控制结构（按照被控过程的时间分段）
全段任务 协调模块
第一段
第二段
……
第n段
被控对象或过程
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5.11.2
系统工程
系统工程是以系统(特别是大系统)为研究对象的学科。 应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组 织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而达到 最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研 制和运用大系统而采取的各种组织管理技术的总称（如长江 三峡施工组织管理系统） 。
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5.9 生态与环境控制
5.9.1 生态控制
生态控制的基本任务之一是用系统和信息观点和方法分 析、设计、规划和控制人工生态系统、资源的合理利用和再 循环、环境的综合治理和优化以及在新的生态平衡格局下人 类怎样适应和协调。
5.9.2 环境控制
将环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行 为，使人们的生存环境质量维持在一个良好的水平。环境控 制中的控制行为主要有三个方面：局部污染处理、综合环境 治理和环境系统管理。
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(3)
(4)
提高公路网络的通行能力
提高汽车运输生产率和经济效益
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5.7.2 智能交通系统的主要内容
1. 交通管理系统 2. 旅行者信息系统
3. 公共交通运营系统
4. 营运车辆调度管理系统
5. 电子收费系统
6. 应急管理系统 7. 先进的车辆控制和安全系统
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5.7.2.1 交通管理系统
该系统包括：
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5.10 社会经济控制
将社会经济系统（Socioeconomic System）看成是一个具有反馈调节，特别 是信息反馈的控制系统； 对社会经济系统进行定量的描述与处理， 以求达到最优控制，作出有效、合理的经 济决策; 社会经济控制的主要任务是：给出最优的 经济决策，通过最优的经济管理，实现预 期的经济指标。
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5.2 机械制造自动化
机械制造自动化技术从20世纪50年代至今，经历了：
•单机自动化、刚性生产线
•数控机床、加工中心
•柔性生产线、柔性制造
正向计算机集成制造(CIM)发展。
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5.2.1 数控技术和数控系统
输入装置 CNC 装置 反馈信号 伺服系统 机床本体
测量装置
位置指令
S
伺服控制器
伺服电机
-
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计算机集成生产系统的结构模型
信 息 决策层 决策信息 控 制 经营决策 目 标 利润最大
生产过程计算机 集成控制系统是
一种综合自动化系 统。目的是要使企 业用最短的周期、 最低的成本、最优 的质量，生产出适 销对路的产品，以 获取最大的经济效 益，增强国内外市 场的竞争能力。
管ห้องสมุดไป่ตู้层
管理信息
管理系统
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5.11 大系统控制与系统工程
5.11.1 大系统控制
什么是大系统？三种常见的结构形式是什么？ •规模宏大、结构复杂的系统 •递阶控制、多层控制和多段控制
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(1) 大系统多级（递阶）控制
总任务 协调控制 第三层
递阶控制
……
递阶控制
第二层
局部控制 … 局部控制
局部控制 …局部控制 第一层
被控对象或过程
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5.7.2.4 营运车辆调度管理系统
该系统包括： （1）信息查询； （2）自动售票； （3）车辆自动定位技术；
（4）危险品应急处理。
5.7.2.5 电子收费系统
该系统通过电子卡或电子标签由计算机实现自动收费。 大大提高车辆通行能力。
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5.7.2.6 应急管理系统 该系统包括： （1）紧急告警与人员安全； （2）应急车辆管理。
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基本过程控制系统
干扰 给定值 S 被控量
控制器
执行器
生产过程
测量变送器
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直接数字控制系统
控制变量
扰动
……
输出变量 生产过程
操作台
D/A转换
数字计算机
A/D转换
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集散控制系统
操作员工作站 工程师工作站 其他系统
高速数据通道
现场控制单元
现场控制单元
现场数据采集单元
生产过程
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现场总线控制系统
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5.7 智能交通系统
5.7.1 智能交通系统的概念 （ITS，intelligent transportation system）
智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市 道路、桥梁等设施的庞大的运输网络，也可应用于数量 日益增多的各种车辆。
(1) 提高公路交通的安全性 (2) 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响
-
加速度反馈
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卫星导航
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自动寻的导弹制导系统
目标运动
导弹—目标相对 运动方程
导引头
制导规律
自动驾驶仪
导弹
导弹运动
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制导方法
导弹飞行方向始终指向目标，速度大于目标 临近目标时，目标转弯会引起脱靶
导弹始终在制导雷达和目标的连线上
图5.8 追踪法示意图 图5.9 三点法示意图 图5.10 比例导引法示意图 导弹速度方向与导弹和 目标的连线角速度成正 比
过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国
民经济中举足轻重的许多工业。
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过程工业自动化的特点
连续型工业生产过程的变化机理十分复杂，有的还非常不 清楚。 过程工业往往处于十分苛刻的生产环境，例如高温、高压、 真空，有时甚至是在易燃、易爆、有毒的环境。 过程工业生产过程一般具有较大的惯性或滞后性，不像机 器人、机床等控制对象那样反映迅速，属于一种较难控制 的对象。 过程工业的生产过程是连续的，因而强调生产控制和管理 的整体性，应把各种装置和生产车间连接在一起成为一个 整体来考虑，实现了个别设备或装置的优化不一定是整体 最优的，应谋求全厂的最优化。
生产管理 经营管理
调度层
调度信息
生产调度
优化调度
监控层
工况信息
监控系统
高等控制 操作优化 故障诊断
控制层
测量信息
控制系统
复杂控制 常规控制
生产过程
其实质就是将过程控制、计划调度、经营管理和市场销售等信息进 行集成，并求得全局优化
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5.4 电力系统自动化
电力系统自动化的基本目标与任务就 是保障电力系统安全、可靠及经济地运行 (2008雪灾、地震)
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电力系统的调度
一级调度中心
直属发电厂
… …
二级调度中心
… …
直属变电所
直接调度 发电厂
三级调度中心
直接调度 变电所
…
发电厂 电力公司 供电所 变电站
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5.5 飞行器控制
飞行器控制系统 ：姿态控制、导航、制导
飞行器姿态控制系统
干扰 制导指令 S K1 S K2 舵伺服系统 角速度反馈 导弹弹体
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5.6 智能建筑
综合布线系统 办公自动化系统 中 上 层 管 理 决 策 楼宇自动化系统 通信自动化系统
日 常 事 物 处 理
设 备 监 控 系 统
火 警 消 防 系 统
公 共 安 全 系 统
电 信 网 络
电 视 网 络
计 算 机 网 络
三大基本要素：楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自 动化系统。
速度反馈 位置反馈
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5.2.2 柔性制造系统(FMS)
夹具站
工厂其他计算机系统
中央管理和控制计算机
中央刀具库
信息传输网
柔性制造系 统由加工系 统、物流系 统、中央管 理系统组成。
… …
CNC机床 机器人 CNC机床 机器人
自 动 化 仓 库
附属工作站 自动输送车
附属工作站
5
实际柔性制造生产线
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5.2.3 计算机集成制造系统(CIMS)
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体温调节系统
外层(皮肤) 中间层（肌肉等）
环 境
中央 （内脏等）
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心血管系统生物反馈治疗
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5.8.3 仿生技术
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5.8.4
生物控制与中医学
中医学是我国人民经过几千年实践总结出来的一门关于 人的科学，它和生物控制研究方法的共同点是注重整体性和 系统性。 其中记载的经络学说（人体整个生命活动的功能控制系 统）实质上是世界上最早的古典生物控制理论。
（1）在途驾驶员信息；
（2）交通状况监视； （3）车流量管理； （4）交通指挥控制； （5）突发事件管理系统。
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5.7.2.2
旅行者信息系统 该系统包括：
（1）出发前的出行信息；
（2）交通线路引导； （3）拥挤区域的规避。
5.7.2.3
公共交通运营系统
该系统包括： （1）公共运输管理； （2）途中换乘信息； （3）满足个人需求的非定线公共交通。
5.7.2.7 先进的车辆控制和安全系统 该系统包括： （1）纵向避撞； （2）侧向避撞； （3）交叉口避撞； （4）视觉强化避撞； （5）事故安全保护； （6）危险预警； （7）自动驾驶等；
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5.8 生物控制（生命科学）
“生物控制论的目的主要在于建立能反映 人体和动物体功能的模型和理论，而且这 种模型和理论中的逻辑原理和有机体本身 中起作用的逻辑原理是相同的。它也试图 建立和生物系统有同样物理与生物化学成 分的模型。”
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电力系统自动化的递阶结构
管理与决策 控 制 信 息 状 态 信 息
协调与优化
监督与控制
电力设备
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电力系统的频率
保持系统频率的精度是电力系统运行中的 主要任务之一，一般要求系统频率相对额 定频率的偏差不超过0.05~0.15Hz 离心式调速机工作原理图
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电力系统的电压
保持系统电压基本不变是电力系统另外一 个重要的方面，通常要求电压幅值相对额 定幅值变化量不超过+-5~10%。 为了维持系统的电压水平，需要对发电机 的励磁电流进行自动调节。
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控制与自动化技术的应用领域
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5.1 引言
控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚 的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。 控制与自动化技术时 时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。 5.2 机械制造自动化 5.3 5.4 电力系统自动化 5.5 5.6 智能建筑 5.7 5.8 生物控制 5.9 5.10 社会经济控制 5.11 大系统控制与系统工程 过程工业自动化 飞行器控制 智能交通系统 生态与环境控制
市场信息 管理与决策 支持系统 售后服务信息 计算机辅助 质量保障系统 自动化制造系统 （加工中心、FMS等） 原材料 数据传输网络系统 产品 自动化设计系统 （CAD/CAM等） 技术信息
分布式数据库系统
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5.3 过程工业自动化
在连续型工业中，主要对系统的温度，压力、流量、
液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业， 称之为过程工业 。