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1、n自动控制系统的发展及技术现状自动控制系统的发展及技术现状(技术和理论技术和理论)n自动控制系统设计的基本知识自动控制系统设计的基本知识本章主要内容本章主要内容第一章 绪论自动控制系统的发展及技术现状1.1.1发展过程n自动控制技术的发展经历了机械自动化机械、电气自动化的过程古 代中国，埃及和巴比伦等自动计时漏壶汉朝 张衡浑天仪和地动仪三国公元1090年 苏颂指南车水运仪象台古埃及 希腊自动开启装置、自动洒圣水的铜祭司、投币式圣水箱、青铜小鸟钟壶滴漏指南车1719世纪1642年法国物理学家 帕斯卡加法器1657年荷兰机械师 惠更斯钟表1745年英国机械师 E.李1765年俄国 波尔祖诺夫风磨水
2、位调节器1788年英国科学家 瓦特离心式节速器1854年俄国 康斯坦丁诺夫 电磁调速器1868年法国工程师 法尔科 反馈调节器惠更斯发明的钟表惠更斯发明的钟表自动控制理论的早期发展n自动控制装置的优点：改进生产技术，提高生产效率自动控制装置的优点：改进生产技术，提高生产效率n1718世纪是自动化技术的逐渐形成时期世纪是自动化技术的逐渐形成时期n1818世纪之后是自动化技术的发展时期，期间数学描述和世纪之后是自动化技术的发展时期，期间数学描述和理论分析起到了至关重要的作用理论分析起到了至关重要的作用 。n自动调节器的稳定性问题、蒸汽机的剧烈振荡问题、自自动调节器的稳定性问题、蒸汽机的剧烈振荡问题
3、、自动操舵机的稳定性问题动操舵机的稳定性问题 n一些数学家尝试用微分方程来描述和分析系统的稳定性一些数学家尝试用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题问题。1.1.2自动控制理论是自动控制系统工程设计的基础自动控制理论是自动控制系统工程设计的基础自动控制理论的早期发展过程n英国物理学家麦克斯韦，在1868年发表了论调速器的文章，总结了无静差调速器的理论，对控制系统进行了最初的数字描述n俄国机械学家维什涅格拉茨基 1876年发表论调节器的一般理论的文章进一步总结了调节器的理论。n1877年英国数学家劳斯（E.J.Routh）提出了著名的劳斯稳定判据 n1895年德国数学家A.胡尔维茨提出著名的胡尔
4、维茨稳定判据 n1892年俄国数学家李雅普诺夫发表了论运动稳定性的一般问题的专著。以数学语言形式给运动稳定性的概念下了严格的定义给出了判别系统稳定的两种方法 n李雅普诺夫第一法 n李雅普诺夫第二法 自动控制理论的早期发展过程自动控制理论的早期发展过程n1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上提出了运算微积分，求得瞬态过程 n利用拉普拉斯变换描述线性定常系统或线性元件的输入输出关系，就得到了传递函数 n在传递函数基础上，发展了频率响应法n1927年美国贝尔电话实验室在解决电子管放大器失真问题时，电气工程师H.S.布莱克从电信号的角度引入了反馈的概念 自动控制理论的
5、早期发展过程n1932年美国电信工程师奈奎斯特提出著名的奈奎斯特稳定判据可以直接根据系统的传递函数来画出奈奎斯特图，判定反馈系统的稳定性 n1938年苏联电气工程师A.B.米哈伊洛夫应用频率法来研究自动控制系统的稳定性提出著名的米哈伊洛夫稳定判据 自动控制理论的早期发展带动了其它领域的发展n程序控制、逻辑控制和自动机的思想同时得到了发展 n1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的概念 n1936年英国数学家图灵提出著名的图灵机成为现代数字电子计算机的雏形。图灵机定义可计算函数类建立了算法理论和自动机理论。n1938年美国电气工程师香农和日本数学家中岛以及1941年苏联科学
6、家舍斯塔科夫分别独立地建立了逻辑自动机理论用仅有两种工作状态的继电器组成了逻辑自动机实现了逻辑控制控制理论的形成n自动化技术的实际应用划分为自动化技术形成、局部自动化和综合自动化三个阶段 n自动化技术形成时期为18世纪末20世纪30年代 n局部自动化时期是在20世纪4050年代，期间形成了经典控制理论n20世纪50年代之后，是综合自动化阶段，出现了各种复杂的控制系统，如：多环控制、多变量控制、分级控制、集散控制系统等。1.1.3自动控制系统设计的基本知识 1.21.2.1设计的主要任务和解决的问题 方案设计：具有符合要求的静态和动态特性 工程设计：在方案设计正确的基础上进行，进行实际系统的选型
7、参数整定：P、I、D参数整定主要任务解决的问题解决的问题解决的问题解决的问题安全性安全性安全性安全性稳定性稳定性稳定性稳定性经济性经济性经济性经济性安安全全性性是是指指在在生生产产过过程程中中，要要保保证证人人员员的的安安全全、设设备备的的安安全全、以以及及生生态态平平衡衡和和环环境境卫卫生生的的安安全全。越越限限报报警警、联联锁锁保保护护、视视频频监监视视、远程监控远程监控、安全栅等安全栅等 稳定性主要指系统的抗干扰能稳定性主要指系统的抗干扰能力，在出现各种可预见的干扰力，在出现各种可预见的干扰的情况下，系统都要保留一定的情况下，系统都要保留一定的稳定裕度的稳定裕度 经济性是指节省投资、提高
8、产经济性是指节省投资、提高产品产量质量、节能降耗、提高品产量质量、节能降耗、提高经济效益和社会效益等经济效益和社会效益等 控制精度和响应速度控制精度和响应速度控制精度和响应速度控制精度和响应速度自动控制系统的工程设计流程n设计任务书n初步设计n详细设计n现场调试n资料归档1.2.2设计任务书设计任务书 工艺流程或对象特征工艺流程或对象特征 重要工艺参数及指标要求重要工艺参数及指标要求 系统运行环境系统运行环境 特殊工艺要求特殊工艺要求 系统设计目标系统设计目标初步设计初步设计 系统方案选择系统方案选择 系统结构的确定系统结构的确定 主要设备和装置的选择主要设备和装置的选择 性能价格比评价性能价
9、格比评价详细设计详细设计 系统功能块划分系统功能块划分 硬件设计硬件设计 各功能块软件设计各功能块软件设计 辅助系统设计辅助系统设计 系统离线调试与评价系统离线调试与评价现场安装调试现场安装调试 系统现场安装系统现场安装 现场调试现场调试 在线测试在线测试 系统最终评价系统最终评价资料归档资料归档 设计图纸整理设计图纸整理 评价结果整理评价结果整理 编写使用说明书编写使用说明书 设计完成确认书设计完成确认书系统设计流程图设计任务书n设计任务书是控制系统设计、评价的主要依据，在设计任务书中要明确：n 工艺流程或被控对象特征n 主要工艺参数及指标要求n 系统运行环境n 特殊工艺要求n 系统设计目标
10、初步设计n 系统方案选择n 系统结构的确定n 主要设备和装置的选择n 性能价格比评价根据系统设计任务书，以及市场可入手的设备、装根据系统设计任务书，以及市场可入手的设备、装置以及设计者自身所掌握的技术，对可能满足设计置以及设计者自身所掌握的技术，对可能满足设计任务书的各类系统及其特征进行分析后，选择有限任务书的各类系统及其特征进行分析后，选择有限条件下的最合理方案，并进行有限实验评价，以便条件下的最合理方案，并进行有限实验评价，以便于确定系统的最终结构于确定系统的最终结构 详细设计 根据初步设计所确定的系统方案和系统构，系统的软硬件系统进行具体详细的设计。n 系统功能块划分n 硬件设计n 各功能块软件设计n 辅助系统设计n 系统离线调试与评价现场安装调试n 系统现场安装n 现场调试n 在线测试n 系统最终评价资料归档n 设计图纸整理n 评价结果整理n 编写使用说明书n 设计完成确认书