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1、5 控制与自动化技术的应用领域控制与自动化技术的应用领域15.2机械制造自动化机械制造自动化5.3过程工业自动化过程工业自动化5.4电力系统自动化电力系统自动化5.5飞行器控制飞行器控制5.6智能建筑智能建筑5.7智能交通系统智能交通系统5.8生物控制生物控制5.9生态与环境控制生态与环境控制5.10社会经济控制社会经济控制5.11大系统控制与系统工程大系统控制与系统工程5.1 引言引言控制与自动化技术发展至今，可以说是已从控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚人类手脚的延伸的延伸”扩展到扩展到“人类大脑的延伸人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时控制与自动化技术时时在为人类时在为人类
2、“谋谋”福利，可谓无所不在、无处没有。福利，可谓无所不在、无处没有。25.2 机械制造自动化机械制造自动化机械制造自动化技术从机械制造自动化技术从20世纪世纪50年代至今，经历了：年代至今，经历了：单机自动化、刚性生产线单机自动化、刚性生产线数控机床、加工中心数控机床、加工中心柔性生产线、柔性制造柔性生产线、柔性制造正向计算机集成制造正向计算机集成制造(CIM)发展发展。35.2.1 数控技术和数控系统数控技术和数控系统45.2.2 柔性制造系统柔性制造系统(FMS)柔柔性性制制造造系系统统由由加加工工系系统统、物物流流系系统统、中中央央管管理系统组成。理系统组成。5实际柔性制造生产线 65.
3、2.3 计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)75.3 过程工业自动化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、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，液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业，称之为称之为过程工业过程工业。过程工业过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国包括电力、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。民经济中举足轻重的许多工业。8过程工业自动化的特点过程工业自动化的特点l连续型工业生产过程的变化机理十分复杂，有的还非常不连续型工业生产
4、过程的变化机理十分复杂，有的还非常不清楚。清楚。l过程工业往往处于十分苛刻的生产环境，例如高温、高压、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。真空，有时甚至是在易燃、易爆、有毒的环境。l过程工业生产过程一般具有较大的惯性或滞后性，不像机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。的对象。l过程工业的生产过程是连续的，因而强调生产控制和管理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
5、成为一个的整体性，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。最优的，应谋求全厂的最优化。9基本过程控制系统 10直接数字控制系统直接数字控制系统 11集散控制系统 12现场总线控制系统 13计算机集成生产系统的结构模型计算机集成生产系统的结构模型 生产过程计算机生产过程计算机集成控制系统集成控制系统是是一种综合自动化系一种综合自动化系统。目的是要使企统。目的是要使企业用最短的周期、业用最短的周期、最低的成本、最优最低的成本、最优的质量，生产出适的质量，生产出适销对路的产
6、品，以销对路的产品，以获取最大的经济效获取最大的经济效益，增强国内外市益，增强国内外市场的竞争能力。场的竞争能力。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，并求得全局优化行集成，并求得全局优化 145.4 电力系统自动化电力系统自动化 电力系统自动化的基本目标与任务就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、可靠及经济地运行是保障电力系统安全、可靠及经济地运行(2008雪灾、地震雪灾、地震)15电力系统自动化的递阶结构 16电力系统的频率l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
7、率相对额定频率的偏差不超过0.050.15Hz l离心式调速机工作原理图 17电力系统的电压l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+-510%。l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。18电力系统的调度19飞行器姿态控制系统 5.5 飞行器控制飞行器控制 飞行器控制系统：姿态控制、导航、制导20卫星导航 21自动寻的导弹制导系统 22制导方法制导方法图图5.8 追踪法示意图追踪法示意图 图图5.9 三点法示意图三点法示意图 图图5.10 比例导引法示意图比例导引法示意图导弹飞行方向始终指向目标，速度大于目标临近目标时，
8、目标转弯会引起脱靶导弹速度方向与导弹和目标的连线角速度成正比导弹始终在制导雷达和目标的连线上235.6 智能建筑智能建筑三大基本要素：三大基本要素：楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自楼宇自动化系统、通信自动化系统和办公自动化系统。动化系统。245.7 智能交通系统智能交通系统 5.7.1 智能交通系统的概念智能交通系统的概念（ITS，intelligent transportation system）智能交通系统智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市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
9、的各种车辆。日益增多的各种车辆。(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，减少汽车运输对环境的影响降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响(3)提高公路网络的通行能力提高公路网络的通行能力(4)提高汽车运输生产率和经济效益提高汽车运输生产率和经济效益255.7.2 智能交通系统的主要内容智能交通系统的主要内容 1.交通管理系统交通管理系统2.旅行者信息系统旅行者信息系统3.公共交通运营系统公共交通运营系统4.营运车辆调度管理系统营运车辆调度管理系统5.电子收费系统电子收费系统6.应急管理系统应急管理系统7.先进的车辆控制和安全系统先进的车辆控制和安全系统265.7.2.5
10、.7.2.1 1 交通管理系统交通管理系统该系统包括：该系统包括：（1）在途驾驶员信息；）在途驾驶员信息；（2）交通状况监视；）交通状况监视；（3）车流量管理；）车流量管理；（4）交通指挥控制；）交通指挥控制；（5）突发事件管理系统。）突发事件管理系统。275.7.2.2 5.7.2.2 旅行者信息系统旅行者信息系统 该系统包括：该系统包括：（1）出发前的出行信息；）出发前的出行信息；（2）交通线路引导；）交通线路引导；（3）拥挤区域的规避。）拥挤区域的规避。该系统包括：该系统包括：（1）公共运输管理；）公共运输管理；（2）途中换乘信息；）途中换乘信息；（3）满足个人需求的非定线公共交通。）满
11、足个人需求的非定线公共交通。5.7.2.3 5.7.2.3 公共交通运营系统公共交通运营系统285.7.2.4 5.7.2.4 营运车辆调度管理系统营运车辆调度管理系统 该系统包括：该系统包括：（1）信息查询；）信息查询；（2）自动售票；）自动售票；（3）车辆自动定位技术；）车辆自动定位技术；（4）危险品应急处理。）危险品应急处理。5.7.2.5 5.7.2.5 电子收费系统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。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。大大提高车辆通行能力。295.7.2.6 5.7.2.6 应急管理系统应急管理系统 该系统包
12、括：该系统包括：（1 1）紧急告警与人员安全；）紧急告警与人员安全；（2 2）应急车辆管理。）应急车辆管理。5.7.2.7 5.7.2.7 先进的车辆控制和安全系统先进的车辆控制和安全系统该系统包括：该系统包括：（1）纵向避撞；）纵向避撞；（2）侧向避撞；）侧向避撞；（3）交叉口避撞；）交叉口避撞；（4）视觉强化避撞；）视觉强化避撞；（5）事故安全保护；）事故安全保护；（6）危险预警；）危险预警；（7）自动驾驶等；）自动驾驶等；305.8 生物控制（生命科学）生物控制（生命科学）l“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
13、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。”31体温调节系统体温调节系统 32心血管系统生物反馈治疗 335.8.3 仿生技术仿生技术34 5.8.4 生物控制与中医学生物控制与中医学 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。系统性。其中记载的其中记载的经络学说（人体整个生命活动的功能控制系经络学说（人体整个生命活动的功能控制系统）统）实质上是世界上最早的古典实质上是世界上最早的古典生物控制生物
14、控制理论。理论。355.9 生态与环境控制生态与环境控制5.9.1生态控制生态控制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。类怎样适应和协调。5.9.2环境控制环境控制将将环境环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行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。环境控为，
15、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。治理和环境系统管理。365.10 社会经济控制社会经济控制l将将社会经济系统社会经济系统（Socioeconomic System）看成是一个具有反馈调节，特别看成是一个具有反馈调节，特别是信息反馈的控制系统；是信息反馈的控制系统；l对对社会经济系统社会经济系统进行定量的描述与处理，以进行定量的描述与处理，以求达到最优控制，作出有效、合理的经济求达到最优控制，作出有效、合理的经济决策决策;l社会经济控制社会经济控制的主要任务
16、是：给出最优的经的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。的经济指标。375.11 大系统控制与系统工程大系统控制与系统工程什么是什么是大系统？三种常见的结构形式是什么？大系统？三种常见的结构形式是什么？规模宏大、结构复杂的系统规模宏大、结构复杂的系统递阶控制、多层控制和多段控制递阶控制、多层控制和多段控制 5.11.1 5.11.1 大系统控制大系统控制38第一层第二层协调控制递阶控制递阶控制局部控制局部控制局部控制局部控制被控对象或过程总任务第三层(1)大系统多级（递阶）控制大系统多级（递阶）控制39(2)大系统多层控制大
17、系统多层控制自组织层自适应层最优化层直接控制层测量显示被控对象或过程总目标第四层第三层第二层第一层慢扰动较慢扰动较快扰动快扰动40(3)(3)大系统多段控制结构（按照被控过程的时间分段）大系统多段控制结构（按照被控过程的时间分段）第一段第二段第n段协调模块被控对象或过程全段任务415.11.2 5.11.2 系统工程系统工程 系统工程系统工程是以系统是以系统(特别是大系统特别是大系统)为研究对象的学科。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）三峡施工组织管理系统）。42