控制与自动化技术的应用范畴课件

5控制与自动化技术的应用范畴控制与自动化技术的应用范畴5 控制与自动化技术的应用范畴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是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从至今，可以说是已从“人类手脚的延伸人类手脚的延伸”扩展到扩展到“人类大脑的人类大脑的延伸延伸”。控制与自动化技术时时在为人类。控制与自动化技术时时在为人类“谋谋”福利，可谓无福利，可谓无所不在、无处没有。所不在、无处没有。5.2 机械制造自动化 5.3 过程工25.2机械制造自动化机械制造自动化机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从设有非常巨大的影响。机械制造自动化技术从20世纪世纪50年年代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加代至今，经历了单机自动化、刚性生产线，数控机床、加工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段，正向计算机集工中心和柔性生产线、柔性制造三个阶段，正向计算机集成制造成制造(CIM)发展发展。5.2.1数控技术和数控系统数控技术和数控系统在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上。以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中，必须经产线就显得很不合适。因为在市场经济的大潮中，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。常开发新产品，频繁地更新换代。5.2 机械制造自动化 机械制造是现代工业3图图5.1计算机数计算机数控系统结构图控系统结构图数字控制（简称数控）数字控制（简称数控）灵活、通用、高精度、高效率的灵活、通用、高精度、高效率的“柔性柔性”自动化制造技术自动化制造技术 一种灵活、通用、高精度、高效率的一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性柔性”自动化生产技自动化生产技术术数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。数字控制（简称数控）技术在这种情况下应运而生。简单地说，简单地说，数控技术数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术。是一门以数字的形式实现控制的技术。计算机数字控制系统计算机数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器编程序控制器(PC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成，如图5.l所示。所示。图5.1 计算机数数字控制（简称数控）灵活、通用、高精度45.2.2柔性制造系统柔性制造系统(FMS)柔性制造系统柔性制造系统（简称（简称FMS）是在计算机直接数控）是在计算机直接数控(DNC)基基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在定定范围内完成不同工件的加工任务。范围内完成不同工件的加工任务。柔柔性性制制造造系系统统一一般般包包括括以以下下要要素素：(1)标标准准的的数数控控机机床床或或制制造造单单元元。（制制造造单单元元是是指指具具有有自自动动上上下下料料功功能能或或具具有有多多个个工工位位的的加加工工型型及及装装配配型型的的数数控控机机床床）；(2)在在机机床床和和装装卡卡工工位位之之间间运运送送零零件件和和刀刀具具的的传传送送系系统统；(3)发发布布指指令令，协协调调机机床床、工工件件和和刀刀具具传传送送装装置置的的监监控控系系统统；(4)中中央刀具库及其管理系统；央刀具库及其管理系统；(5)自动化仓库及其管理系统。自动化仓库及其管理系统。5.2.2 柔性制造系统(FMS)柔性制造系统5由统一的控制系统由统一的控制系统和输送系统连接起来的和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而能进行自动化生产，而且还能在且还能在定范围内完定范围内完成不同工件的加工任务。成不同工件的加工任务。柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。柔性制造系统由加工系统、物流系统、中央管理系统组成。自动输送车中央管理和控制计算机物流控制装置夹具站自动化仓库工厂主计算机信息传输网库具CNC机床机器人附属工作站CNC机床机器人附属工作站制造单元刀图图5.2 5.2 柔性制造系统结构图柔性制造系统结构图 由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工65.2.3计算机集成制造系统计算机集成制造系统(CIMS)计算机集成制造系统计算机集成制造系统是是在自动化技术、计算机技术在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一统一的综合化管理，构成一个个优化的完整的生产系统优化的完整的生产系统。图图5.3计算机集成制造系计算机集成制造系统组成框图统组成框图 5.2.3 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、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。制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。5.3.1过程工业自动化的研究内容及特点过程工业自动化的研究内容及特点工业生产过程的自动控制称为工业生产过程的自动控制称为过程控制过程控制，它是过程工业，它是过程工业自动化的核心内容。自动化的核心内容。过程控制过程控制研究过程工业生产过程的描述、研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著提高自动化水平，优化生产过程，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。地增加经济效益。5.3 过程工业自动化 在连续型工业中，主要8早期的早期的过程控制系统过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。但随着但随着微处理器微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制分布式计算机控制系统系统(DistributedComputerControlSystem，简称，简称DCS)。近年来迅速发展起来的近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统现场总线网络控制系统(FCS)，更，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。是控制技术和计算机技术高度结合的产物。早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单95.3.2基于计算机技术的过程控制系统基于计算机技术的过程控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台扰动控制变量输出变量控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器可编程逻辑控制器数据通道工程师/操作员控制台其他系统 图图5.5 分布式计算机分布式计算机控制系统控制系统图图5.4 直接数字控制直接数字控制系统系统 5.3.2 基于计算机技术的过程控制系统生产过程10图图5.6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 图5.6 计算机集成生产系统的结构模型 生产过程计算机集115.4电力系统自动化电力系统自动化 5.4.1安全供电离不开自动化安全供电离不开自动化5.4.2经济运营需要开自动化经济运营需要开自动化对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要考虑考虑电厂的煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量）。此外，还要电厂的煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量）。此外，还要考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的联网时，需要依靠自动化和计算机来实现联网时，需要依靠自动化和计算机来实现最优经济运营最优经济运营。对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需要采用对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控监控。由不同规模、不同性质的电力系统形成由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网复杂的联网已经成为电已经成为电力系统发展的必然趋势。力系统发展的必然趋势。5.4 电力系统自动化 5.4.1 安全供电离125.4.3供电质量的自动化要求供电质量的自动化要求供电质量主要指供电质量主要指电压质量电压质量和和频率质量频率质量。我国电力系统的。我国电力系统的频率标准频率标准是是50hz，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。设备的影响更大。但频率变化是电力系统内但频率变化是电力系统内电力盈亏电力盈亏的标志。电力系统内的标志。电力系统内发电出力多于用电量时，多余的电力转化为加速电机转速的发电出力多于用电量时，多余的电力转化为加速电机转速的动能，动能，频率将加快频率将加快；发电不足时，发电机付出动能来满足用；发电不足时，发电机付出动能来满足用电的需要，电的需要，频率将下降频率将下降。所以，电力系统运行中，需要。所以，电力系统运行中，需要自动自动调频装置调频装置来保持电力的正常盈亏平衡，根据实际情况及时自来保持电力的正常盈亏平衡，根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。动调节电力系统的出力或限制负荷。电压质量电压质量直接影响到用户的用电质量。电压直接影响到用户的用电质量。电压过高过高会损害会损害用电电器，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不用电电器，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。5.4.3 供电质量的自动化要求 供电质量主131965年年11月月9日下午日下午5点点16分分11秒，纽约一条线路的后备保护秒，纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们先后在先后在2.72秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而秒内断开。于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速，加速，频率上升频率上升，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电力，在大约力，在大约1.5秒内，这些线路的过负载保护先后动作而断开，秒内，这些线路的过负载保护先后动作而断开，造成纽约市缺电大约造成纽约市缺电大约130万万kw，从而又使附近纽泽西州的电力向，从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了纽约市涌进了100万万kw，以至，以至电压和频率电压和频率不能平衡。几分钟内，不能平衡。几分钟内，该区内该区内频率下降频率下降，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承损坏损坏而停运，最终导致而停运，最终导致全市停电全市停电。高楼电梯、地铁、交通信号。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作，全市大乱。灯以至路灯等都不工作，全市大乱。断电时间长达断电时间长达13.5小时小时。由此可知，先进、可靠的由此可知，先进、可靠的电力自动化系统电力自动化系统是多么重要和必是多么重要和必要！要！5.4.4从一次停电事故看电力系统自动化从一次停电事故看电力系统自动化 1965年11月9日下午5点16分11秒，纽145.5飞行器控制飞行器控制 5.5.1导弹控制系统的功用导弹控制系统的功用5.5.2导航系统导航系统5.5.3制导系统制导系统5.5.4姿态控制系统姿态控制系统5.5.5飞行控制电子综合系统飞行控制电子综合系统5.5.6测试与发射控制系统测试与发射控制系统现代现代飞行器飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器飞行器控制的内容非常丰富控制的内容非常丰富：5.5 飞行器控制 5.5.1 导弹控制系统的功用 155.5.1导弹控制系统的功用导弹控制系统的功用飞行器控制系统飞行控制系统测试发射控制系统导航系统制导系统姿态控制系统电子综合系统测试系统发射控制系统监视控制系统图图5.7飞行器控制系统的构成飞行器控制系统的构成导弹控制系统导弹控制系统的的主要任务是：控制导主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发准确的检测和操纵发射。射。控制系统控制系统的作用的作用就是消除或减小干扰就是消除或减小干扰和影响的后果，控制和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞成飞行动作，最后飞向目标。向目标。5.5.1 导弹控制系统的功用飞行器控制系统飞行控制系统165.5.2导航系统导航系统飞行器飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态如姿态角度、角速度角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如如位置、速度、加速度位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法几类。照信息的无线电测量、光学测量方法几类。所谓所谓导航导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为数的系统则称为导航系统导航系统。5.5.2 导航系统 飞行器是六自由175.5.3制导系统制导系统图图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制导系统制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。足够的精度命中目标。5.5.3 制导系统图5.8 追踪法示意图 185.6智能建筑智能建筑5.6.1智能建筑的概念及构成智能建筑的概念及构成智智能能建建筑筑，又又称称为为智智能能大大厦厦，是是把把现现代代建建筑筑技技术术和和信信息息技技术术有有机机地地结结合合起起来来，设设计计和和建建造造安安全全、舒舒适适、高高效效、节能、方便灵活的现代化建筑。节能、方便灵活的现代化建筑。智智能能建建筑筑通通过过综综合合布布线线系系统统与与各各种种信信息息终终端端来来“感感知知”建建筑筑物物内内各各个个空空间间的的信信息息，经经过过计计算算机机处处理理作作出出相相应应对对策策，使使建建筑筑物物具具有有某某种种“智智能能”。建建筑筑物物的的使使用用者者和和管管理理者者可可以以对对大大楼楼的的供供热热、供供水水、空空调调、电电气气、电电梯梯、照照明明、音音乐乐、防防火火、防防盗盗、电电话话、传传真真、闭闭路路电电视视(或或卫卫星星电电视视)、计计算算机机通通信信、购购物物、保保健健等等设设施施实实现现按按需需控控制制，对对建建筑筑物物的的关关键键部部位位或或特特殊殊部部位位进进行行监监控控并并提提供供与与互互联联网网的的有有效效连连接接。智智能能建建筑筑包包含含三三大大基基本本要要素素，即即楼楼宇宇自自动动化化，简简称称BA)系系统统、通通信信自自动动化化，简简称称CA)系系统统和和办办公公自自动动化化，简简称称OA)系统，三者是有机结合在一起，成为系统，三者是有机结合在一起，成为智能建筑智能建筑“3A”结构。结构。5.6 智能建筑 5.6.1 智能建筑的概19图5.11 3A智能建筑的构成三大基本要素：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。图5.11 3A智能建筑的构成三大基本要素：楼宇自动化系205.6.2楼宇自动化系统楼宇自动化系统对对大大楼楼供供电电、照照明明、报报警警、消消防防、电电梯梯、空空调调等等设设备备监监控控和和管管理理，对对设设备备运运行行参参数数进进行行实实时时控控制制与与监监视视、或或节节能能控控制制、非非正正常常运运行行状状态态报报警警。并并通通过过与与办办公公自自动动化化及及通通信信自自动动化化系系统统的的综综合合设设计计，支支持持面面向向用用户户的的服服务务功功能能，提提高高大大楼楼的的舒舒适适性性、安安全全性性、节节能能性性，降降低低费费用用，实实现现高高度度的的集成化管理集成化管理。传统的楼宇传统的楼宇自动化系统自动化系统采用的是采用的是集集中监视、集中监视、集中控制中控制的方的方式。式。图图5.13集中式楼集中式楼宇自动化系统的宇自动化系统的结构结构5.6.2 楼宇自动化系统 对大楼供电、照明、报21系统数据库系统数据库大楼主干通信网大楼主干通信网楼宇控制局域网楼宇控制局域网监控中心监控中心操作站操作站操作站操作站控制器控制器监控管理计算机系统监控管理计算机系统控制器控制器由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，统的发展，分布式楼宇自动化系统分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。统广为采用的一种结构。系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。如数据采集、计算、处理、检测、控制等。图图5.14分布式分布式楼宇自动化系统楼宇自动化系统 系统数据库大楼主干通信网楼宇控制局域网监控中心操作站操225.6.3通信自动化系统通信自动化系统通通信信自自动动化化系系统统是是大大厦厦智智能能化化的的“中中枢枢神神经经”。它它由由各各种种通通信信设设备备、通通信信线线路路以以及及相相关关计计算算机机软软件件组组成成。它它主主要要包包括括传传送送话话音音、数数据据和和图图像像的的基基本本通通信信网网络络；实实现现楼楼层层间间(内内)各各种种终终端端、微微机机、工工作作站站之之间间通通信信的的楼楼层层局局域域网网；沟沟通通楼楼群群或或楼楼内内计计算算机机与与楼楼内内各各个个局局域域网网间间通通信信联联系系的的楼楼群群或或楼楼内内高高速速主主干干网网以以及及与与公公共共信信息息资资源源(如如Internet)相相通通的的远远程程数数据据通通信信网网。图图5.15智能智能建筑建筑的通的通信网信网络结络结构构 5.6.3 通信自动化系统 通信自动化系统是235.6.4办公自动化系统办公自动化系统办公自动化系统办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。5.6.5综合布线系统综合布线系统建筑与建筑群建筑与建筑群综合布线系统综合布线系统主要是针对计算机和通信设主要是针对计算机和通信设备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信号的不同要求。输信号的不同要求。智能大楼智能大楼布线系统布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，是一种灵活性很高的建筑布线网络，它能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的它能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统系统。5.6.4 办公自动化系统 办公自动化24图图5.12 楼宇自动化系统的构成楼宇自动化系统的构成图5.12 楼宇自动化系统的构成25 5.7 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 5.7 智能交通系统 5.7.1265.7.2智能交通系统的主要内容智能交通系统的主要内容 1.出行与运输管理系统出行与运输管理系统2.出行需求管理系统出行需求管理系统3.公共交通运营系统公共交通运营系统4.商用车辆运营系统商用车辆运营系统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5.7.2 智能交通系统的主要内容 1.出行与运输管275.7.2.1 5.7.2.1 出行与运输管理系统出行与运输管理系统该系统有该系统有6个子系统个子系统：（1）在途驾驶员信息系统；）在途驾驶员信息系统；（2）线路引导系统；）线路引导系统；（3）出行人员服务系统；）出行人员服务系统；（4）交通控制系统；）交通控制系统；（5）突发事件管理系统；）突发事件管理系统；（6）排放测试与污染防护系统。）排放测试与污染防护系统。5.7.2.1 出行与运输管理系统 285.7.2.2 5.7.2.2 出行需求管理系统出行需求管理系统 该系统包括该系统包括3个子系统个子系统：（1）出发前的出行信息系统；）出发前的出行信息系统；（2）合乘配载和预约系统；）合乘配载和预约系统；（3）需求管理与运营系统。）需求管理与运营系统。该系统有该系统有4个子系统个子系统：（1）公共运输管理系统；）公共运输管理系统；（2）途中换乘信息系统；）途中换乘信息系统；（3）满足个人需求的非定线公共交通系统；）满足个人需求的非定线公共交通系统；（4）出行安全系统。）出行安全系统。5.7.2.3 5.7.2.3 公共交通运营系统公共交通运营系统5.7.2.2 出行需求管理系统 该系295.7.2.4 5.7.2.4 商用车辆运营系统商用车辆运营系统 该系统有该系统有6个子系统个子系统：（1）商用车辆电子通关系统；）商用车辆电子通关系统；（2）自动化路侧安全检测系统；）自动化路侧安全检测系统；（3）商用车辆管理程序系统；）商用车辆管理程序系统；（4）车载安全监控系统；）车载安全监控系统；（5）商用车辆交通信息系统；）商用车辆交通信息系统；（6）危险品应急反应系统。）危险品应急反应系统。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。5.7.2.4 商用车辆运营系统 该系统305.7.2.6 5.7.2.6 应急管理系统应急管理系统 该系统有该系统有2 2个子系统个子系统：（1 1）紧急告警与人员安全系统；）紧急告警与人员安全系统；（2 2）应急车辆管理系统。）应急车辆管理系统。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7个子系统个子系统：（1）纵向避撞系统；）纵向避撞系统；（2）侧向避撞系统；）侧向避撞系统；（3）交叉口避撞系统；）交叉口避撞系统；（4）视觉强化避撞系统；）视觉强化避撞系统；（5）事故前乘员安全保护系统；）事故前乘员安全保护系统；（6）危险预警系统；）危险预警系统；（7）自动公路系统。）自动公路系统。5.7.2.6 应急管理系统 该系统有2个子系统：31 5.8生物控制生物控制5.8.1生物控制的研究内容及特点生物控制的研究内容及特点具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行为控制、仿生学等等。为控制、仿生学等等。5.8.2神经控制神经控制已在已在4.6.3神经控制系统神经控制系统节中加以介绍节中加以介绍 5.8 生物控制5.8.1 生物控制的研究内容及特点325.8.3仿生技术仿生技术仿生技术仿生技术研究的内容有五个方面：研究的内容有五个方面：(1)信息仿生信息仿生包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动物间通信仿生，以及智能仿生等方面。物间通信仿生，以及智能仿生等方面。(2)控制仿生控制仿生包括体内稳态调控、肢体运动控制、动包括体内稳态调控、肢体运动控制、动物的定向导航、生态系统的涨落等。物的定向导航、生态系统的涨落等。(3)力学仿生力学仿生是关于动物飞行、运动动力学的研究。是关于动物飞行、运动动力学的研究。(4)化学仿生化学仿生研究生物体内一些特殊的化学过程，以研究生物体内一些特殊的化学过程，以便使这些过程也能在工业中实现。便使这些过程也能在工业中实现。(5)医医学学仿仿生生研研究究用用人人工工仿仿制制品品代代替替人人的的有有机机体体的的某某一部分。一部分。5.8.4生物控制与中医学生物控制与中医学就就是是用用人人造造装装置置对对有有生生命命物物质质进进行行模模拟拟。仿仿生生就就是是用人造装置对有生命物质进行模拟。用人造装置对有生命物质进行模拟。5.8.3 仿生技术 仿生技术研究的内容有五335.8.4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。其中记载的系统性。其中记载的经络学说经络学说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生物控制物控制理论。理论。根据经络学说的论述，从生物控制的观点看来，可以认根据经络学说的论述，从生物控制的观点看来，可以认为为经络经络实质上是指人体整个生命活动的实质上是指人体整个生命活动的功能控制系统功能控制系统。因为。因为它是一个功能控制系统，而不是个别的器官、组织，所以不它是一个功能控制系统，而不是个别的器官、组织，所以不能找到特定的实体结构。这个功能控制系统是一个以脑为控能找到特定的实体结构。这个功能控制系统是一个以脑为控制中心的多级闭环控制系统，在经络学说中，称脑为制中心的多级闭环控制系统，在经络学说中，称脑为“元神元神府府”，它通过督脉，它通过督脉(总督全身的阳经总督全身的阳经)、任脉、任脉(总任全身的阴总任全身的阴经经)等，控制五脏六腑、四肢百骸，而五官七窍、体表穴位等，控制五脏六腑、四肢百骸，而五官七窍、体表穴位则为测量装置则为测量装置(传感器传感器)与外界环境发生联系。与外界环境发生联系。生物控制生物控制理论及技术也可以使中医学的科学性得到准确理论及技术也可以使中医学的科学性得到准确的说明和鉴定，使中医理论真正建立在科学基础上。的说明和鉴定，使中医理论真正建立在科学基础上。5.8.4 生物控制与中医学 中医345.9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，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。5.9 生态与环境控制5.9.1 生态控制 5.9.2 355.10社会经济控制社会经济控制(1 1)将将社社会会经经济济系系统统（SocioeconomicSystem）看看成成是是一一个个具具有有反反馈馈调调节节，特特别别是是信信息息反反馈馈的的控控制制系统；系统；（2）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、合理的经济决策求达到最优控制，作出有效、合理的经济决策;(3)社社会会经经济济控控制制的的主主要要任任务务是是：给给出出最最优优的的经经济济决决策策，通通过过最最优优的的经经济济管管理理，实实现现预预期期的的经济指标。经济指标。5.10 社会经济控制(1)将社会经济系统（Soc365.11大系统控制与系统工程大系统控制与系统工程大大系系统统就就是是规规模模宏宏大大、结结构构复复杂杂的的系系统统。例例如如，现现代代大大型型企企业业的的多多级级计计算算机机管管理理和和控控制制系系统统（如如大大型型钢钢铁铁联联合合企企业业），大大型型工工程程项项目目的的计计划划协协调调与与组组织织管管理理系系统统全全国国性性或或地地区区性性的的供供电电网网络络的的调调度度、管管理理和和优优化化运运行行系系统统，社社会会经经济济系系统统，大大都都市市的的交交通通管管理理与与控控制制系系统统，环环境境生生态态系系统统以以及及航航天天运运载载火箭、洲际导弹等，都是典型的火箭、洲际导弹等，都是典型的大系统大系统。5.11.1 5.11.1 大系统控制大系统控制在现代控制理论的基础上，形成了所谓的在现代控制理论的基础上，形成了所谓的大系统理论大系统理论。主要研究内容有大系统建模、分析与综合等方面，包括研究主要研究内容有大系统建模、分析与综合等方面，包括研究系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。主要有三种控制结构方案，即主要有三种控制结构方案，即多级多级（递阶）控制、（递阶）控制、多层多层控制控制和和多段多段控制。控制。5.11 大系统控制与系统工程 大系统就37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)多级（递阶）控制多级（递阶）控制第一级第一级为局部控制级，它直接控制大系统的各局部过为局部控制级，它直接控制大系统的各局部过程或对象，构成小系统；程或对象，构成小系统；第二级第二级为递阶控制级，它对第一为递阶控制级，它对第一级各子系统进行协调控制；级各子系统进行协调控制；第三级第三级为协调控制级，根据大为协调控制级，根据大系统的总目标，系统的总目标，金字塔式金字塔式递阶控制结构递阶控制结构对第二级进对第二级进行协调控制，行协调控制，完成大系统完成大系统管理、控制管理、控制的总任务。的总任务。图图5.16三层三层递阶控制结递阶控制结构构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38(2)多层控制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多层控制多层控制方方案的特点是按任案的特点是按任务或功能分层。务或功能分层。各层之间的关系各层之间的关系具有具有“分工分工”性性质，上下层之间质，上下层之间也有隐含的也有隐含的“支支配配”与与“被支配被支配”的关系。的关系。图图5.17多层控制结构多层控制结构(2)多层控制自组织层自适应层最优化层直接控制层测量39图图5.18 5.18 多段控制结构多段控制结构第一段第二段第n段协调模块被控对象或过程全段任务多段控制结构多段控制结构方案的特点是按被控过程时间分段，方案的特点是按被控过程时间分段，根根据被控过程先后时间顺序或据被控过程先后时间顺序或“航程航程”，将全过程分为若干时，将全过程分为若干时段，每一时段形成一个小系统，如图段，每一时段形成一个小系统，如图5.18所示。这里的协调所示。这里的协调模块按衔接条件进行模块按衔接条件进行协调，把前时协调，把前时段终点边界条段终点边界条件与后时段初件与后时段初始边界条件衔始边界条件衔接起来，完成接起来，完成全过程的控制全过程的控制任务。任务。图图5.18多段控制结构多段控制结构图5.18 多段控制结构第一段第二段第n段协调模块被控对405.11.2 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)为研究对象的一门跨为研究对象的一门跨学科的边缘科学。是应用现代数学和电子计算机等工具，对学科的边缘科学。是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，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）术的总称（如长江三峡施工组织管理系统）。系统工程系统工程涉及的领域非常广泛，除了各种工程领域，还涉及的领域非常广泛，除了各种工程领域，还涉及社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。其应用涉及社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。其应用范围包括社会系统、军事系统、生产系统以及流通服务系统、范围包括社会系统、军事系统、生产系统以及流通服务系统、人体对象系统等等。目前被人们广泛重视并取得有价值结果人体对象系统等等。目前被人们广泛重视并取得有价值结果的应用领域有宏观经济系统工程、区域规划系统工程、环境的应用领域有宏观经济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、运输系统生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、运输系统工程、农业系统工程、工程项目管理系统工程、人口系统工工程、农业系统工程、工程项目管理系统工程、人口系统工程、军事系统工程等，如程、军事系统工程等，如“西气东输西气东输”、“南水北调南水北调”、黄、黄河水资源系统、国民经济宏观调控系统等。河水资源系统、国民经济宏观调控系统等。5.11.2 系统工程 系统工程是以系统(41