电气工程与自动化专业概论课件

电气工程与自动化专业概论 电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 陈陈 冲冲1课程主要内容课程主要内容电气工程与自动化电气工程与自动化大类专业的结构及其沿革大类专业的结构及其沿革 （包括（包括:电气工程及其自动化电气工程及其自动化 和和 自动化自动化 两个专业）两个专业）自动化自动化专业概论专业概论一、自动化的概念一、自动化的概念一、自动化的概念一、自动化的概念二、自动化的研究内容二、自动化的研究内容二、自动化的研究内容二、自动化的研究内容三、自动化的作用三、自动化的作用三、自动化的作用三、自动化的作用四、自动化专业的特点四、自动化专业的特点四、自动化专业的特点四、自动化专业的特点五、五、五、五、控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术发展简史六、控制与自动化技术的应用范畴六、控制与自动化技术的应用范畴六、控制与自动化技术的应用范畴六、控制与自动化技术的应用范畴七、控制七、控制七、控制七、控制科学科学和自动化技术的展望和自动化技术的展望和自动化技术的展望和自动化技术的展望结束结束2电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革1）电气信息类（电类）专业设置）电气信息类（电类）专业设置电机电器及其控制电机电器及其控制*电力系统及其自动化电力系统及其自动化*高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术电气技术电气技术*工业自动化工业自动化*（5个专业）个专业）电电工工类类（强强电电）自动控制自动控制应用电子技术应用电子技术通信工程通信工程计算机及应用计算机及应用（14个专业）个专业）电电子子与与信信息息类类（弱弱电电）电气工程及其自动化电气工程及其自动化（以强电为主的专业）（以强电为主的专业）自动化自动化 （强、弱电结合的专业）（强、弱电结合的专业）1993年本科专业目录：年本科专业目录：1998年本科基本专业年本科基本专业目录（目录（电气信息类）电气信息类）：电子信息工程电子信息工程通信工程通信工程电子科学与技术电子科学与技术计算机科学与技术计算机科学与技术 （弱电专业）（弱电专业）电气工程与自动化电气工程与自动化（大类专业）（大类专业）1998年本科年本科引导性专业目录：引导性专业目录：信息工程信息工程319941994年全国高校相关的专业设置情况（按年全国高校相关的专业设置情况（按年全国高校相关的专业设置情况（按年全国高校相关的专业设置情况（按9393年专业目录）年专业目录）年专业目录）年专业目录）电机电器及其控制电机电器及其控制20高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术6电力系统及其自动化电力系统及其自动化37电气技术电气技术55工业自动化工业自动化157自动控制自动控制402 2）专业分布状况）专业分布状况）专业分布状况）专业分布状况19991999年以来全国高校相关的专业设置情况（按年以来全国高校相关的专业设置情况（按年以来全国高校相关的专业设置情况（按年以来全国高校相关的专业设置情况（按9898年专业目录）年专业目录）年专业目录）年专业目录）1999年年2001年年2006年年2008年年电气工程及其自动化电气工程及其自动化109149196200多多自动化自动化182197372405电气工程与自动化电气工程与自动化1414（按引导性专业目录）（按引导性专业目录）（按基本专（按基本专 业目录）业目录）43 3）研究生的对应学科专业）研究生的对应学科专业）研究生的对应学科专业）研究生的对应学科专业电电气气工工程程及及其其自自动动化化自自动动化化 一级学科一级学科电气工程电气工程*控制科学与工程控制科学与工程*二级学科二级学科电机与电器电机与电器电力系统及其自动化电力系统及其自动化电力电子与电力传动电力电子与电力传动电工理论与新技术电工理论与新技术高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术控制理论与控制工程控制理论与控制工程模式识别与智能系统模式识别与智能系统检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置系统工程系统工程导航、制导与控制导航、制导与控制5一、自动化的概念一、自动化的概念 水温的手动控制水温的手动控制水温的自动控制水温的自动控制水温的控制水温的控制:什么是自动化？什么是自动化？6现代社会和现代生活现代社会和现代生活离不开对一些物理量的离不开对一些物理量的控制控制，包括实现对这种控制的包括实现对这种控制的自动化自动化。例如：公共电网上的电压是例如：公共电网上的电压是50赫兹、赫兹、220伏的交流电。伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制为此，在发电厂就要设法控制频率、电压频率、电压这两物理量为这两物理量为恒值恒值，这要采用自动调频和自动调压装置。，这要采用自动调频和自动调压装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度温度和压力和压力，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的床上，经常是控制工件或刀具的转速转速，使产品的质量、产，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角俯仰角和方位角都是自动控都是自动控制的。制的。现代生活中，空调器保持室内现代生活中，空调器保持室内温度温度、卫生洁具水箱、卫生洁具水箱的的水位水位保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量物理量的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序自动按程序进行。进行。7防空导弹制导控制系统防空导弹制导控制系统1-1-目标跟踪雷达目标跟踪雷达2-2-导弹导弹导引雷达导引雷达3-3-计算机控制系统计算机控制系统4-4-导弹导弹发射架发射架自动导弹自动导弹测试与测试与发射控制发射控制8自动化自动化包含了两层基本意思：包含了两层基本意思：所谓所谓“自动自动”的，即没有人或很少人直接参与；的，即没有人或很少人直接参与；自动化的概念 自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。虽然没有或不需要人，但肯定应按人的要求去做。虽然没有或不需要人，但肯定应按人的要求去做。自自动动化化是是指指设设备备、过过程程或或系系统统，在在没没有有人人或或较较少少人人的的参参与与下下，按按照照人人的的要要求求，通通过过自自动动运运行行或或自自动动控控制制，完完成其承成其承担的任务。担的任务。系统是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。自自动动控控制制系系统统则则是是指指能能够够实实现现“自自动动化化”任任务务的的设设备备，它它是是人人造造系系统统，而而且且是是工工程程技技术术领领域域的的人人造造系系统统。自自动动控制系统通常由控制系统通常由控制部分控制部分和和控制对象控制对象组成。组成。9 开环控制开环控制和和闭环控制闭环控制是按信号的传递路径来区分的是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。两种不同的控制形式。开环控制与闭环控制1.开环控制水箱液位开环控制水箱液位开环控制 10 自动控制最自动控制最基本的形式，基本的形式，将被控量测量将被控量测量出来，反馈至出来，反馈至控制系统的输控制系统的输入端与给定信入端与给定信号进行比较得号进行比较得出偏差信号，出偏差信号，然后根据偏差然后根据偏差对被控对象实对被控对象实施有效控制，施有效控制，达到消除或减达到消除或减少偏差的目的。少偏差的目的。2.2.闭环系统闭环系统水箱液位闭环自动控制水箱液位闭环自动控制11一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：给定环节：给定环节：产生给定输入信号的环节产生给定输入信号的环节 测量环节：测量环节：随时将被控制量检测出来的装置随时将被控制量检测出来的装置 比较环节：比较环节：其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较与测量环节得到的被控制量实际值加以比较 控制环节：控制环节：它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控 对象，实现被控量达到所希望的目标对象，实现被控量达到所希望的目标 执行环节：执行环节：按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的 操作操作 被控对象：被控对象：控制系统所要控制的设备或过程控制系统所要控制的设备或过程12自动化基本设备自动化基本设备 传感器传感器：信息获取信息获取 信号转换与传输网络信号转换与传输网络：信息传输信息传输 控制器控制器：信息处理信息处理 执行器执行器：信息应用信息应用13二、自动化的研究内容二、自动化的研究内容有有自自动动控控制制和和信信号号处处理理两两个个方方面面，包包括括理理论论、方法、应用硬件和软件等。方法、应用硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有：从应用观点来看，研究内容有：过程工业自动化过程工业自动化电力系统自动化电力系统自动化机械制造自动化机械制造自动化武器及军事自动化武器及军事自动化智能建筑自动化智能建筑自动化智能交通系统智能交通系统办公室自动化和家庭自动化办公室自动化和家庭自动化人工智能与机器人控制等等人工智能与机器人控制等等。自动化指挥系统公路智能系统14自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广。自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广。自动化是一门名副其实的多学科交叉学科。自动化是一门名副其实的多学科交叉学科。其它学科向自动化扩展其它学科向自动化扩展 机械工程及其自动化机械工程及其自动化 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 动力工程及其自动化动力工程及其自动化甚至：甚至：农业工程及其自动化农业工程及其自动化 交通运输自动化交通运输自动化15三、自三、自 动动 化化 的的 作作 用用1.自动化在自动化在工业化工业化进程中的作用和地位进程中的作用和地位 工业化的标志是工业化的标志是“现代工业现代工业”在国民经济中占主要地位。在国民经济中占主要地位。“现代工业现代工业”本身是一个发展的概念，本身是一个发展的概念，世界范围的工业化进世界范围的工业化进程大致可分程大致可分为顺序发展的三个阶段：为顺序发展的三个阶段：机械化、电气化、自动机械化、电气化、自动化化自动化自动化是新型工业化的最重要标志。是新型工业化的最重要标志。162.自动化在自动化在信息化信息化进程中的作用和地位进程中的作用和地位对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展与应用的角度，到目前为止，与应用的角度，到目前为止，与应用的角度，到目前为止，与应用的角度，到目前为止，“信息化信息化信息化信息化”发展也可分为发展也可分为发展也可分为发展也可分为三个阶段顺序为：三个阶段顺序为：三个阶段顺序为：三个阶段顺序为：计算机化（或称为数字化）、网络计算机化（或称为数字化）、网络计算机化（或称为数字化）、网络计算机化（或称为数字化）、网络化、化、化、化、系统化（或称为集成化）系统化（或称为集成化）系统化（或称为集成化）系统化（或称为集成化）17对工业，尤其是对制造业来说，对工业，尤其是对制造业来说，信息化信息化就是：就是：在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在自动化的机电系统中进一步使用数字计算在自动化的机电系统中进一步使用数字计算机机计算机化计算机化；再进一步联网再进一步联网网络化网络化；继而引入系统与管理继而引入系统与管理系统化或集成化系统化或集成化，从而构成计算机集成制造系统从而构成计算机集成制造系统CIMS与计算机与计算机集成过程系统集成过程系统CIPS，成为成为更先更先进的自动化系统进的自动化系统。18发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：机械化：机械化：在各种生产中大规模使用机器系统；在各种生产中大规模使用机器系统；电气化：电气化：在机器系统中普遍使用电机与供电网络；在机器系统中普遍使用电机与供电网络；基础自动化：基础自动化：在机电系统中进一步加入自动控制器；在机电系统中进一步加入自动控制器；计算机化：计算机化：在自动化机电系统中大规模使用计算机；在自动化机电系统中大规模使用计算机；网络化：网络化：在自动化机电系统中大规模实现计算机联网；在自动化机电系统中大规模实现计算机联网；先进自动化：先进自动化：综合集成了系统观念与管理理念。综合集成了系统观念与管理理念。19“工工业业化化”三三阶阶段段与与工工业业“信信息息化化”三三阶阶段段有有相当明显的一一对应关系相当明显的一一对应关系：对于工业，对于工业，“信息化信息化”实质上就是实质上就是“更先进的自动化更先进的自动化”。“先进自动化先进自动化”是制造业是制造业“信息化信息化”的最重要标的最重要标志之一。志之一。20机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）自动化自动化（加入自动控制器）工业化工业化社社 会会 总总 发发 展展数字化（应用数字计算机）网络化（实现计算机网络）先进自动化先进自动化（系统、管理）信息化信息化智能化（引入智能）知识化（处理知识）知识化知识化21（基础）自动化自动化（核心是控制控制）是工业化完成与否的标志 自动化技术是工业化的核心技术先进自动化先进自动化（核心是信息、控制、系统信息、控制、系统）是信息化完成与否的标志 先进自动化技术是信息化的核心技术223.3.自动化的作用自动化的作用1 1）提高社会生产率和工作效率；）提高社会生产率和工作效率；2 2）节约能源和原材料消耗；）节约能源和原材料消耗；3 3）保证产品质量；）保证产品质量；4 4）改善劳动条件，减轻体力和脑力劳动；）改善劳动条件，减轻体力和脑力劳动；5 5）改进生产工艺和管理体制；）改进生产工艺和管理体制；6 6）完成人无法完成的工作；）完成人无法完成的工作；像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下替代人完成各种作业。恶劣的环境下替代人完成各种作业。7 7）扩展作用扩展作用管理、经济、金融过程智能化。管理、经济、金融过程智能化。加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。23国家国家863863高科技发展计划高科技发展计划自动化是当代高科技的集中体现与应用。自动化是当代高科技的集中体现与应用。智能机器人是当代高科技的结晶。智能机器人是当代高科技的结晶。宋键宋键（原则：有所为，有所不为）（原则：有所为，有所不为）分分6个领域：个领域：自动化、能源、信息、新材料、自动化、能源、信息、新材料、生物与农业、资源环境（海洋）生物与农业、资源环境（海洋）就有一个就有一个自动化领域自动化领域分分CIMS主题、主题、机器人机器人主题主题24四、自动化专业的特点四、自动化专业的特点 国家对该国家对该专业的定义专业的定义是：培养出能够从事运动控是：培养出能够从事运动控制、工业过程控制、电力电子技术应用、检测与自动制、工业过程控制、电力电子技术应用、检测与自动化仪表、计算机技术、信息处理等领域的系统分析、化仪表、计算机技术、信息处理等领域的系统分析、设计、研究、管理与决策的高级工程技术人才。设计、研究、管理与决策的高级工程技术人才。自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。（1）学科特点学科特点（2）研究、应用特点研究、应用特点研究的内容研究的内容宽、广宽、广，并且，伴随其它技术发展，越来越广。并且，伴随其它技术发展，越来越广。控制学科具有鲜明的方法论的色彩。控制学科具有鲜明的方法论的色彩。25 自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相结合（结合（3 3C:Control Computation CommunicationC:Control Computation Communication）。）。（3）学自动化的特点学自动化的特点 是一个符合学科专业结构调整方向的宽口径的专业。是一个符合学科专业结构调整方向的宽口径的专业。特点：特点：面向控制对象，强调系统组成，强弱电并重、面向控制对象，强调系统组成，强弱电并重、软硬件兼顾；强调从理论到实践，其自然科学性与工程软硬件兼顾；强调从理论到实践，其自然科学性与工程技术性并存，它的发展与国民经济的发展息息相关。技术性并存，它的发展与国民经济的发展息息相关。自动化专业自动化专业宽基础、宽专业面宽基础、宽专业面，需要学的知识多，需要学的知识多，并要求扎实。并要求扎实。在在工工科科的的学学生生中中，自自动动化化专专业业学学习习的的计计算算机机内内容容仅次于计算机专业仅次于计算机专业。自动化专业的学生自动化专业的学生适应面宽、就业适应面宽、就业面宽面宽。26五、五、控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术发展简史自动装置自动装置的出现和应用（的出现和应用（18世纪以前）世纪以前）自动化自动化技术技术形成时期（形成时期（18世纪末至世纪末至20世纪世纪30年代）年代）局部自动化局部自动化时期时期（20世纪世纪40-50年代）年代）综合自动化综合自动化时期（时期（20世纪世纪50年代末起至今）年代末起至今）27（1）自动装置的出现和应用（自动装置的出现和应用（18世纪以前）世纪以前）中国和巴比伦出现了自动计中国和巴比伦出现了自动计时装置时装置刻漏、指南车刻漏、指南车、水运、水运仪象台等。公元仪象台等。公元1世纪古埃及和世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。投币式圣水箱等自动装置。1）古代自动装置古代自动装置 公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车28能自动离合的能自动离合的齿齿轮系轮系车身车身木人木人方向方向车辆车辆转弯转弯指南车指南车是一种马拉的是一种马拉的双轮双轮独辕车独辕车，车箱上立一个伸臂的，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好反方向转动，恰好抵消抵消车子转车子转弯产生的影响。弯产生的影响。29中国天文学家张衡（公元中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。候风地动仪。候候风风地地动动仪仪30公元公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台水运仪象台。“自动控制自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中。作为一种技术掌握在发明家的手中。水水运运仪仪象象台台3117世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：2）近代自动装置）近代自动装置法国物理学家法国物理学家B.帕斯卡（帕斯卡（Pascal）在公元在公元1642年发明年发明的的加法器加法器；荷兰机械师荷兰机械师C.惠更斯（惠更斯（Huygens）于公元于公元1657年发明年发明钟表钟表；英国机械师英国机械师E.李（李（Lee）在公元在公元1745年发明年发明带有风向控带有风向控制的风磨制的风磨；俄国机械师俄国机械师.波尔祖诺夫（波尔祖诺夫（）于公元于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调浮子式阀门水位调节器节器。32（2）自动化技术形成时期（自动化技术形成时期（18世世纪末至纪末至20世纪世纪30年代）年代）公元公元1788年年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统闭环自动调速系统。33控制量负荷调 节 器(控 制 器)误差 被 控 对 象输出变量(被调量)输入变量(给定规律)对象和调节器形成调节系统对象和调节器形成调节系统对象和调节器形成调节系统对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽机(对象)负荷离心式调速器(调节器)进汽阀转速测量反馈反馈控制控制（Feedback）是指将系统是指将系统的实际输出和的实际输出和期望输出进行期望输出进行比较，形成比较，形成误误差差，从而为确，从而为确定下一步的控定下一步的控制行为提供依制行为提供依据。据。反馈调节（控制）系统反馈调节（控制）系统反馈调节（控制）系统反馈调节（控制）系统前向通道反馈通道341 1）自动调节的广泛应用）自动调节的广泛应用 公公元元1868年年法法国国工工程程师师J.法法尔尔科科（Farcot）发发明明反反馈馈调调节节器器，并并把把它它与与蒸蒸汽汽阀阀连连接接起起来来，操操作作蒸蒸 汽汽 船船 的的 舵舵，他他 称称 之之 为为 伺伺 服服 机机 构构（Servo-mechanism）。）。20世世纪纪20-30年年代代，美美国国开开始始采采用用PID模模拟拟式式调调节节器器（比比例例-积积分分-微微分分调调节节器器）。现现在在还还在在许许多工厂中采用。多工厂中采用。自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节系统自动调节系统（AutomaticRegulationSystem）。由由于于第第一一次次工工业业革革命命的的需需要要，人人们们开开始始采采用用自自动动调调节节器器（Regulator）或或装装置置，使使一一些些物物理理量量保持在给定值附近。保持在给定值附近。352）自动调节系统的稳定性（）自动调节系统的稳定性（Stability）问题问题当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（振荡（不稳定不稳定）。）。这迫使一些数学家从理论上来加以研这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种究，创造多种稳定判据稳定判据。在在拉普拉斯（拉普拉斯（Laplace）变换变换的基础上，引入的基础上，引入传递传递函数函数（TransferFunction）的概念，成为分析自动调节的概念，成为分析自动调节系统的重要工具。系统的重要工具。稳定判据加上稳定判据加上公元公元1922年年N.米诺尔斯基米诺尔斯基关于船舶关于船舶自动操舵的稳定性和自动操舵的稳定性和1934年美国年美国H.L.黑曾（黑曾（Hazen）发表的关于伺服机构理论的论文标志着发表的关于伺服机构理论的论文标志着经典控制理经典控制理论论的诞生。的诞生。36（3 3）局部自动化时期局部自动化时期(20(20世纪世纪40-5040-50年代年代)经典控制理论的形成和发展经典控制理论的形成和发展 局部自动化的广泛应用局部自动化的广泛应用 电子数字计算机在控制系统的应用电子数字计算机在控制系统的应用在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。和控制这一新的科学领域。37自动防空火力控制系统自动防空火力控制系统38在在代数稳定判据代数稳定判据和和传递函数传递函数的基础上加上的基础上加上W.埃文斯埃文斯（Evans）1948年的年的根轨迹法根轨迹法（RootLocusMethod），），奠定了适奠定了适用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题等的深入研究，的控制问题等的深入研究，经典控制理论经典控制理论在在20世纪世纪50年代有新的发展。年代有新的发展。1）经典控制理论的形成和发展经典控制理论的形成和发展依据频率响应的依据频率响应的频率法频率法（或称频域法，（或称频域法，FrequencyMethod）成成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为早期，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统自动控制系统（AutomaticControlSystem）。）。因此，调节器现也称为因此，调节器现也称为控制器控制器。392）局部自动化的广泛应用局部自动化的广泛应用二次大战后，在工业上已广泛应用二次大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并调节器，并用用电子模拟计算机电子模拟计算机（ElectronicAnalogComputer）来来设计自动控制系统。当时在工业上实现设计自动控制系统。当时在工业上实现局部自动化局部自动化，即，即单个过程或单个机器的自动化。单个过程或单个机器的自动化。在在20世纪世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标年代出现了统一信号的、通用的、标准的准的气动单元组合仪表气动单元组合仪表。20世纪世纪50年代研制出了年代研制出了电动单电动单元组合仪表元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。化了。403）电子数字计算机电子数字计算机在控制系统的应用在控制系统的应用目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。和算法。电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。电子数字计算机的发明，为电子数字计算机的发明，为60-70年代开始的在控年代开始的在控制系统广泛应用的制系统广泛应用的程序控制程序控制、逻辑控制逻辑控制以及以及应用数字应用数字计算机直接控制生产过程计算机直接控制生产过程，奠定了基础。，奠定了基础。41（4）综合自动化时期（）综合自动化时期（20世纪世纪50年代末至今）年代末至今）复复杂杂工工业业、复复杂杂工工业业过过程程和和航航天天技技术术的的自自动动控控制制问问题题，都都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。现代控制理论的形成和发展现代控制理论的形成和发展19561956年年前前苏苏联联数数学学家家.庞庞特特里里亚亚金金提提出出极极大大值值原原理理。同同年年美美国国数数学学家家R.R.贝贝尔尔曼曼创创立立动动态态规规划划。两两者者为为解解决决最最优优控控制制问问题提供了理论工具。题提供了理论工具。19601960年年美美国国数数学学家家R.R.卡卡尔尔曼曼提提出出能能控控性性和和能能观观性性两两个个概概念念，揭示了系统的内在属性。揭示了系统的内在属性。以上这些新概念和新方法标志着以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论现代控制理论的诞生。的诞生。卡卡尔尔曼曼引引入入状状态态空空间间法法，提提出出具具有有二二次次型型性性能能指指标标的的线线性性状态反馈控制律状态反馈控制律，为自动控制系统给出了，为自动控制系统给出了最优调节器最优调节器的概念。的概念。42现代控制理论的迅速发展现代控制理论的迅速发展现代控制理论的迅速发展现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：，形成了多个重要分支：，形成了多个重要分支：，形成了多个重要分支：（1）系统辩识系统辩识、建模与仿真建模与仿真q经经典典控控制制理理论论是是以以传传递递函函数数为为基基础础，提提供供系系统统的的输输入入/输输出出外外部部信信息息。主主要要研研究究单单输输入入、单单输输出出一一类类自自动动控控制制系系统统的的分分析析和和设设计计，并在工程上比较成功地解决了简单控制系统的控制问题。并在工程上比较成功地解决了简单控制系统的控制问题。q现现代代控控制制理理论论是是建建立立在在线线性性代代数数的的数数学学基基础础上上，以以状状态态空空间间法法（State State Space Space Method)Method)为为基基础础。不不仅仅提提供供系系统统的的外外部部信信息息，而而且且能能提提供供系系统统的的内内部部信信息息。对对研研究究多多输输入入、多多输输出出、变变参参数数、非非线线性性、高高精精度度、高高性性能能等等更更广广泛泛、更更复复杂杂控控制制系系统统的的分分析析和和设设计计提提供了有效的手段。供了有效的手段。（2）自适应控制自适应控制（3）最优控制最优控制（4）遥测遥测、遥控和遥感遥控和遥感（5）综合自动化综合自动化（6）大系统理论大系统理论（7）模式识别和人工智能模式识别和人工智能（8）智能控制智能控制431 1）系统辩识）系统辩识、建模与仿真建模与仿真(SystemIdentificationSystemIdentification、Modeling&Simulation)Modeling&Simulation)系统辩识系统辩识是以系统输入、输出数据为基础，来建是以系统输入、输出数据为基础，来建立系统数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还立系统数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。可以采用解析法和实验方法。在仿真设备上对系统的数学模型进行建立、修改在仿真设备上对系统的数学模型进行建立、修改和复现实验，这就称为和复现实验，这就称为系统仿真系统仿真。要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品质等重要问题，必须用微分方程、拉普拉斯变换等高质等重要问题，必须用微分方程、拉普拉斯变换等高等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组成的自动控制系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换成的自动控制系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系统的统的数学模型数学模型。442）自适应控制）自适应控制（Self-adaptiveControlSelf-adaptiveControl）自适应控制自适应控制能在对能在对象数学模型变动和系统象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况外界信息不完备的情况下，改变计算机控制的下，改变计算机控制的反馈控制器反馈控制器的特性，以的特性，以保持良好的工作品质。保持良好的工作品质。自适应控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正自校正控制系统控制系统、模型参考自模型参考自适应控制系统适应控制系统两种类型。计计算算机机自适应控制框图自适应控制框图校正作用校正作用被控对象被控对象反馈控制器反馈控制器自适应控制器自适应控制器控制输入控制输入干扰干扰 输出输出45自校正控制系统（Self-tuning RegulatorSelf-tuning Regulator）被控对象被控对象反馈控制器反馈控制器辨识器辨识器 参数参数 控制输入控制输入 干扰干扰 输出输出自校正控制框图自校正控制框图计算机计算机46 模型参考自适应控制系统 473 3）最优控制（）最优控制（OptimalControl）军事方面：军事方面：飞行器同样的飞行所消耗的燃料愈少愈好（最省燃飞行器同样的飞行所消耗的燃料愈少愈好（最省燃料的飞行器飞行控制系统）。或者同样的燃料，飞行的距离愈料的飞行器飞行控制系统）。或者同样的燃料，飞行的距离愈远愈好。远愈好。直升飞机上升：在有限的动力下，以最短的时间上升直升飞机上升：在有限的动力下，以最短的时间上升 到一定到一定的高度；的高度；工业方面：工业方面：化学工业的过程控制中，选择一个被控反应塔的温度化学工业的过程控制中，选择一个被控反应塔的温度控制规律和相应的原料配比，使得化学反应过程的产量最多。控制规律和相应的原料配比，使得化学反应过程的产量最多。工厂合理布局、物质合理调配，使运输费用最省。工厂合理布局、物质合理调配，使运输费用最省。安排生产计划：在现有的人力、物力条件下，合理安排产品安排生产计划：在现有的人力、物力条件下，合理安排产品生产，使产量最高。生产，使产量最高。设计产品，在满足性能要求的前提下，使产品成本最低。设计产品，在满足性能要求的前提下，使产品成本最低。潜艇的最速沉降问题。潜艇的最速沉降问题。48最优控制器的设计最优控制器的设计主要应用庞特里亚金提出的主要应用庞特里亚金提出的极大值原理极大值原理和和贝尔曼创立的贝尔曼创立的动态规划动态规划。3 3）最优控制（）最优控制（OptimalControl）这一类的自动控制系统中对于控制都有一定的技术指标，但这一类的自动控制系统中对于控制都有一定的技术指标，但与以往不同的是：与以往不同的是：通过设计控制作用要使这个技术指标达到通过设计控制作用要使这个技术指标达到极值极值（极大或极小）。（极大或极小）。最优控制最优控制是根据自动控制系统要实现控制要求的技术指标，是根据自动控制系统要实现控制要求的技术指标，通过设计控制作用从而使技术指标达到通过设计控制作用从而使技术指标达到极值（极大或极小）极值（极大或极小）。商业方面：商业方面：合理组织货源，既满足顾客的需求，又使企业的资金合理组织货源，既满足顾客的需求，又使企业的资金周转最快，薄利多销，使总利润最高。周转最快，薄利多销，使总利润最高。农业方面：农业方面：利用温室生产蔬菜，合理控制温度、湿度，使生产的利用温室生产蔬菜，合理控制温度、湿度，使生产的周期最短，产量最高。周期最短，产量最高。49 遥测：遥测：对被测对象的某些参数进行对被测对象的某些参数进行远距离测量远距离测量。4 4）遥测）遥测、遥控和遥感遥控和遥感 （TelemetryTelemetry、RemoteControl&RemoteSensingRemoteControl&RemoteSensing）远远距距离离控控制制(遥遥控控)系系统统遥控：遥控：对被控对象进行对被控对象进行远距离控制远距离控制。遥感：遥感：利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。全程遥控505 5）综合自动化（综合自动化（SyntheticAutomation）20世纪世纪50年代末到年代末到60年代初，出现计算机控制的化工厂；年代初，出现计算机控制的化工厂；无无无无人人人人加加加加工工工工车车车车间间间间60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全局）自动化方向发展；开始由局部自动化向综合（全局）自动化方向发展；70年代出现用专用机床组成的无人工厂；年代出现用专用机床组成的无人工厂；80年代初出现用年代初出现用柔性制造系统柔性制造系统组成的无人工厂。组成的无人工厂。51 无人组装车间无人组装车间5260年末开始对出现的年末开始对出现的大系统大系统如大电力系统、化工如大电力系统、化工联合企业、钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进联合企业、钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。行了研究。大系统理论大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过化和控制优化，通过分解分解-协调协调以较短时间计算出优以较短时间计算出优化结果。化结果。6）大系统理论（）大系统理论（Large-scaleSystem）大系统及其控制大系统及其控制高速大型计算机的出现为高速大型计算机的出现为大系统大系统的研究和大量计的研究和大量计算提供了前提条件。算提供了前提条件。系统工程及应用系统工程及应用53（一）大系统的概念（一）大系统的概念 给大系统下定义困难，具体界定也困难。认识一个大系统，只能从它所具有的特征出发。通常，一个大系统应该具有如下基本特征：（1 1）由一些子系统组成，规模庞大；）由一些子系统组成，规模庞大；（2 2）子系统间纵横交错，关系复杂；）子系统间纵横交错，关系复杂；（3 3）整个系统目标多样，功能综合；）整个系统目标多样，功能综合；（4 4）系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往）系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往 数量较大；数量较大；（5 5）具有非线性特性和繁殖、扩展能力；）具有非线性特性和繁殖、扩展能力；（6 6）往往是有人参与的系统，人为因素影响大。）往往是有人参与的系统，人为因素影响大。v大系统及其控制541.集中控制集中控制 大系统理论的大系统理论的主要控制方法主要控制方法：将大系统按多层结构或多级结：将大系统按多层结构或多级结构分解成子系统，采用分散控制的优化控制方法。构分解成子系统，采用分散控制的优化控制方法。“化大为小，化整为零化大为小，化整为零”能对全局作出优化的控制方案，但控制系统反应迟能对全局作出优化的控制方案，但控制系统反应迟钝，应变能力差，可靠性差。钝，应变能力差，可靠性差。(二二)大系统的控制大系统的控制55 每个子系统的控制器需要处理的信息量少，处理速每个子系统的控制器需要处理的信息量少，处理速度快，增强了系统的应变能力，提高了系统局部控制效度快，增强了系统的应变能力，提高了系统局部控制效果；提高了系统可靠性。果；提高了系统可靠性。每个子系统的控制器只能获得系统的部分信息，而每个子系统的控制器只能获得系统的部分信息，而整个大系统缺乏总体控制和协调能力，很难保证全局的整个大系统缺乏总体控制和协调能力，很难保证全局的控制优化。控制优化。2.2.分散控制分散控制56 (1)(1)分级递阶控制分级递阶控制3.3.分解分解协调协调57总目标、总任务总决策目标函数、约束条件、模型参数优化控制决策控制输出(2)(2)分层分层58 按系统运行的时间顺序进行分解。如生产流水线、按系统运行的时间顺序进行分解。如生产流水线、导弹飞行控制等。导弹飞行控制等。(3)(3)分段控制分段控制59(一一)系统工程的概念系统工程的概念 系统工程是一门关于组织管理的技术。对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统广义化。它包含了如下几方面的意思：它包含了如下几方面的意思：(1)(1)它面对的是一个庞大而复杂的对象；它面对的是一个庞大而复杂的对象；(2)(2)它要达到的目标是系统的综合最优；它要达到的目标是系统的综合最优；(3)(3)它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些 思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，应用于人们的科研、生产、经济和社会活动；应用于人们的科研、生产、经济和社会活动；(4)(4)它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与v系统工程及其应用系统工程及其应用60 要建造一个系统，通常要经过五个阶段：系统规划阶段系统规划阶段 系统分析阶段系统分析阶段 系统设计阶段系统设计阶段 系统构建阶段系统构建阶段 系统运行阶段系统运行阶段提出问题、定义提出问题、定义系统、设定目标系统、设定目标目标分析、收集目标分析、收集信息、制定方案信息、制定方案(二二)系统建立和系统分析系统建立和系统分析61工程系统工程：工程系统工程：工程体系的设计、组织和管理工程体系的设计、组织和管理软件工程：软件工程：对一个庞大计算机软件的设计、开发、对一个庞大计算机软件的设计、开发、调试的组织和管理调试的组织和管理军事系统工程：军事系统工程：军事领域行为军事领域行为的组织和管理的组织和管理社会系统工程：社会系统工程：以社会活动为对象的系统工程以社会活动为对象的系统工程环境系统工程：环境系统工程：例如例如区域生态系统、流域水污染区域生态系统、流域水污染 治理系统治理系统交通系统工程：交通系统工程：例如城市智能交通管理系统例如城市智能交通管理系统企业系统工程：企业系统工程：企业的结构调整、新产品研发、市企业的结构调整、新产品研发、市 场预测、全面质量管理、成本核算、场预测、全面质量管理、成本核算、材料供应等企业管理系统材料供应等企业管理系统 (三三)系统工程的应用系统工程的应用62模式识别模式识别是使用计算机直接接受和处理各种自是使用计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。7）模式识别和人工智能）模式识别和人工智能（ImageRecognition&ArtificialIntelligenceImageRecognition&ArtificialIntelligence）人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种各种专家系统专家系统；研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。和能与人对答的机器人等等。63 机器人战胜国际象棋冠军机器人战胜国际象棋冠军20102010年年64足球机器人足球机器人小型组小型组6566足球机器人足球机器人中型组中型组678 8）智能控制（）智能控制（IntelligentControl）将将人工智能人工智能引入到自动控制系统，形成引入到自动控制系统，形成智能控制智能控制系统。这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有系统。这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。能解决的控制问题。它将人工智能中的它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑专家系统、学习控制、模糊逻辑控制控制和具有多层感知器的和具有多层感知器的神经网络等神经网络等分别与自动控制和分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的性能的智能自动控制系统智能自动控制系统，例如智能机器人。，例如智能机器人。68 智能机器人智能机器人 水下机器人水下机器人69机器手臂机器手臂70汽车加油机器人汽车加油机器人71工程机器人工程机器人带有压力传感器的机器手带有压力传感器的机器手72壁壁面面清清洗洗机机器器人人擦擦玻玻璃璃机机器器人人73飞机清洗机器人飞机清洗机器人74家用清洁机器人家用清洁机器人75高压输电线维修高压输电线维修（遥操作）机器人（遥操作）机器人76采松果机器人采松果机器人采松果机器人采松果机器人挖树根机器人挖树根机器人77采摘机器人采摘机器人嫁接机器人78医用机器人79中国骨科机器人系统中国骨科机器人系统80法法国国远远程程医医疗疗机机器器人人81智能控制系统智能控制系统（IntelligentControlSystem）对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立有效的立有效的数学模型数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析、设计。进行定量计算和分析、设计。智能控制的理论和技术：智能控制的理论和技术：智能控制的理论和技术：智能控制的理论和技术：专家控制系统专家控制系统 模糊控制系统模糊控制系统 神经控制系统神经控制系统 学习控制系统学习控制系统 智能优化算法智能优化算法 智能控制智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法是一种应用拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。实现对被控对象有效控制的技术。具有人工智能、控制具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。的分析方法特点。82a）专家控制系统专家控制系统（ExpertControlSystem）专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由由知识库知识库和和推理机推理机两部分组成。两部分组成。83专家控制器的结构专家控制器的结构专家控制器的结构专家控制器的结构控制器根据控制器根据反馈环节（传感器）反馈环节（传感器）测量被控制量，判断瞬时测量被控制量，判断瞬时误差的正负和大小；误差的正负和大小；然后识别调节过程的特征，如然后识别调节过程的特征，如超调超调（在调节过程中的调节（在调节过程中的调节过头）、过头）、振荡次数振荡次数（调节过程中的）和（调节过程中的）和稳态误差稳态误差等；等；再根据以往的再根据以往的控制知识和经验控制知识和经验决定：应该施加多大（增加决定：应该施加多大（增加还是减少）的控制器输出至执行机构。还是减少）的控制器输出至执行机构。RY特征识别特征识别信息处理信息处理SKGIU专家控制器专家控制器eU控制控制规则集规则集推理机推理机（I E）知知 识识 库（库（K B K B）对象和对象和执行机构执行机构反馈环节反馈环节RY+_84b）模糊控制系统（模糊控制系统（FuzzyControlSystem）系统根据知识和经验在对被控量（输出）的特征用系统根据知识和经验在对被控量（输出）的特征用语言信息语言信息进行识别；进行识别；然后然后根据根据模糊控制模糊控制规则进行复行复杂的的推理推理和和判断判断，它，它们也是基也是基于于语言信息的言信息的；例如，炉温作为一个语言变量例如，炉温作为一个语言变量,其温度集其温度集T T可为可为:T(T(温度温度)=)=超高超高,很高很高,较高较高,中等中等,较低较低,很低很低,过低过低 这种这种模糊控制模糊控制规则表达知表达知识既方便又有效。既方便又有效。这种种语言表达的控制言表达的控制规则，用于控制就形成了，用于控制就形成了模糊控制模糊控制。85c）神经控制系统（神经控制系统（NeuralControlSystem）人工神经元人工神经元(Artificial Neuron)Artificial Neuron)由计算机模拟一个由计算机模拟一个生物神经元；生物神经元；w11Wn ny1y3xnx1输入层输出层隐层反向传播x2y2前馈多层网络前馈多层网络神经元模型神经元模型f()-1jx1x2xny jW j1W j n y j(t)=f(wj i x i-j)在在人工神经元人工神经元基础上发展成基础上发展成人工神经网络人工神经网络，经过训练，经过训练后可以起控制器的作用，称为后可以起控制器的作用，称为神经网络控制器神经网络控制器。86水轮发电机组+fG-G+2/S同步控制器速度调节器+-NfN水轮发电机复杂控制系统水轮发电机复杂