控制与自动化技术的应用范畴

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 控制与自动化技术的应用范畴,5.2 机械制造自动化 5.3 过程工业自动化,5.4 电力系统自动化 5.5 飞行器控制,5.6 智能建筑 5.7 智能交通系统,5.8 生物控制 5.9 生态与环境控制,5.10 社会经济控制,5.11 大系统控制与系统工程,5.1 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、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,“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,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、加工中心和柔性制造,三个阶段，正向计算机集成制造（CIM）发展。,5.2.1 数控技术和数控系统,简单地说，数控技术是一门以数学的形式实现控制的技术。,传统的数控系统（Numerical Control，亦即NC) 的核心数字控制装置，是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，它是由硬件来实现数控功能的。,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、可编程序控制器（PC）、主轴驱动装置和进给驱动装置组成，如图5.1所示。,图5.1 计算机数控系统结构图,计算机数字,控制装置,(,CNC装置,),可编程逻辑,控制器,(,PC,),主轴,控制单元,速度控制单元,输入设备,输出设备,程序,主轴电机,机床,进给电机,位置检测器,5.2.2 柔性制造系统(FMS),柔性制造系统（Flexible Manufacturing Systems）是在计算机直接数控（DNC）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、产品零件自动传输入设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在一定范围内完成不同工件的加工任务。,柔性制造系统一般包括以下要素：, 标准的数控机床或制造单元（制造单元是指具有自动上下料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床）；, 在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；, 发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；, 中央刀具库及其管理系统；, 自动化仓库及其管理系统。,图5.2 柔性制造系统结构图,工厂主计算机,中央管理和控制,计算机,物流控制装置,夹具站,自,动,化,仓,库,中,央,刀,具,库,自动传送车,CNC,机床,机器人,机器人,CNC,机床,附属工作站,附属工作站,制造单元,信息传输网,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、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，而且还能在定范围内完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。,实际柔性制造生产线,5.2.3 计算机集成制造系,（CIMS）,计算机集成制造系统是(Computer Integrated Manufacturing Systems)在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，,通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成,起来，构成一个优化的完整的生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期、提高产品质量、提高生产率、提高企业的应变能力和竞争能力。,图5.3 计算机集成制造系统组成框图, 设计功能,包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)等。, 加工制造,按照数控代码将一个毛坯加工成合格的零件并装配成部件、产品。, 计算机辅助生产管理,(CAPM),包括制定年、月或周的生产计划，物料需求计划，生产能力（资源）平衡以及财务、仓库等各种管理计划，还包括市场预测及制定长期发展战略计划等。,5.3 过程工业自动化,现代工业分成三类：连续型、混合型和离散型。在离散型工业中，主要对系统中的位移、速度、加速度等参数进行控制，例如数控机床、机器人控制、飞行器控制等都是离散工业中的典型控制问题。,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。至于混合型，则介于两者之间，往往是两种控制系统均被采用。,习惯上，把连续型工业称之为过程工业(Process Industries)，有时为突出其流动的性质而称之为流程工业(Fluid Process Industries)。,其生产特征是：呈流体状的各种原材料在连续流动过程中，以过传热、传质、物理、生化和化学反应等加工，发生了相变或分子结构等的变化，失去了原有的性质，最终形成一种新的产品。,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，研究这些工业的控制和管理成为人们十分关注的领域，是本学科非常重要的应用领域之一。,5.3.1 过程工业自动化的研究内容及特点,一般把过程工业生产过程的自动控制称为过程控制。,过程控制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，提高自动化水平，优化生产过程（提高产品的产量和质量，降低原材料和能源的损耗），加强生产管理，最终显著地增加经济效益。,过程控制的特点：, 连续型工业加工过程包括了信息流、物质流和能量流，同时还伴随着物理化学反应、生化反应，还有物质和能量的转换和传递。因此，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，因而生产中的人身安全和设备安全被放在最重要的位置，相应的故障预测、预报、诊断和安全监控系统受到特别的重视。, 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。,5.3.2,基于计算机技术的过程控制系统,早期的过程控制系统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。,目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System)。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。,生产过程,数字计算机,A/D转换,D/A转换,操作台,控制变量,输出变量,扰动,图5.4 直接数字控制系统, 直接数字控制系统,直接数字控制系统(DDC)是过程控制中最先采用的计算机控制方式，如图5.4所示。, 分布式计算机控制系统,分布式计算机控制系统（DCS）又称集散控制系统、分散控制系统，其主要特点是在硬件上将控制回路分散化，而数据显示、实时监督等功能则集中化。如图5.5所示。,图5.5 分布式计算机控制系统,控制单元,可编程逻辑,控制器,多路采集器,控制单元,控制台,控制台,数据通道,过程控制计算机,其他系统,工程师/操作员控制台, 两级优化控制系统,采用上位机和分布式控制系统或电动单元组合式仪表相结合，构成两级计算机优化控制系统，实现高级过程控制和优化控制。, 现场总线控制系统,现场总线是近年来快速发展起来的一种数据总线技术，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行器等现场设备间的数字通信问题，以及现场控制设备和高级控制系统间的信息传递问题。,5.3.3 计算机集成生产系统,与机械制造系统中的计算机集成制造系统,(CIMS),类似，计算机集成生产系统(Computer Integrated Production Systems)将计划优化、生产调度、经营管理和决策引入计算机控制系统，使市场意识与优化控制相结合，管理与控制相结合，促使计算机控制系统更加完善，将产生更大的经济效益和技术进步。,为了强调与计算机集成制造系统的区别，人们常将计算机集成生产系统(CIPS)称为生产过程计算机集成控制系统。,图5.6 计算机集成生产系统的结构模型,信息,控制,目标,决策信息,经营决策,管理系统,生产调度,监控系统,控制系统,测量信息,管理信息,调度信息,工况信息,利润最大,生产管理,经营管理,优化调度,高等控制,操作优化,故障诊断,复杂控制,常规控制,生产过程,决策层,管理层,调度层,监控层,控制层,5.4 电力系统自动化,电力系统自动化是过程工业自动化重要的组成部分，但其中也有一些离散工业自动化的内容。,5.4.1 安全供电离不开自动化,即使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、轴承温度等参数需要进行检测和监控。这些都是电力系统基础自动化的基本内容。,5.4.2 经济运营需要自动化,若干联网电厂总的经济性和单个机组经济性的考虑出发点不同，不能仅考虑单个机组的经济性。,对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要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，还要考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。,对于建在同一条江河上的梯级水电系统，需要考虑上下游水电厂之间的相互配合问题，还要考虑上游流到下游的时间差，经济用水和电力系统内节省燃料，这些都有很复杂的关系。,对于用水库储水发电的水电站，如何经济运行除要考虑水库的经济用水外，还须考虑来水量的随机性，考虑库容的综合利用（如防洪、灌溉、发电、保持航道水位等）。,5.4.3 供电质量的自动化要求,供电质量主要指电压质量和频率质量。,我国电力系统的频率标准是50Hz，频率偏离标准将使许多机电设备不能正常工作，会给生产带来严重后果。,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0.050.15Hz,例如频率下降时，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；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。,电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器，或影响其寿命；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。自动调节发电机的端电压、保持用户用电电压稳定是电力系统自动化的主要任务之一。,通常要求电压幅值相对额定幅值变化量不超过+-510%,电力系统的调度,5.5 飞行器控制,飞行器是人类征服自然、改造自然过程中发明的重要工具。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。,例如导弹又可以划分为反坦克导弹、地对空导弹、空对空导弹、空对地导弹、舰对舰导弹、地对地导弹、巡航导弹等。,不管是何种飞行器均离不开自动控制系统。而且不同的飞行器其控制系统也各不相同，系统的性能、功能和结构可能截然不同。,5.5.1 导弹控制系统的功用,导弹是依靠液体或固体推进剂的火箭发动机产生推进力，在控制系统的作用下，把有效载荷送至规定目标附近的飞行器。,导弹的有效载荷一般是可爆炸的战斗部，有效载荷最终偏离目标的距离是导弹系统的关键指标（命中精度）。目标可以是固定的，如敌方阵地、工厂、发电厂、重要建筑物等；目标也可以是活动的，如来袭飞机、导弹、坦克等。,导弹控制系统的主要任务是：,控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度）；对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可准确的检测和操纵发射。,图5.7 飞行器控制系统的构成,监视控制系统,测试系统,发射控制系统,飞行器控制系统,姿态控制系统,电子综合系统,制导系统,导弹系统,测试与发射控制系统,飞行控制系统,5.5.2 导航系统,所谓导航，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坐标系的角度、速度和位置等状态量。,飞行器是六自由度运动体，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。,无线电导航系统、全球卫星定位系统（GPS）。GPS接收机的恰当组合还可以测量出飞行器的姿态角度、角速度等。,5.5.3 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，保证飞行器以足够的精度命中目标。制导系统俗称大回路。,5.5.4,姿态控制系统,飞行器姿态控制系统又称为稳定控制系统，俗称小回路。姿态控制系统的作用是控制飞行器姿态、保证飞行稳定性，同时实施制导系统（制导规律）产生的制导指令。,姿态控制系统接受两个方面的控制信息。一是来自姿态敏感器的信息，该信息是由于飞行器受干扰作用使姿态偏离原来状态而产生的。,另一控制信息来自制导系统，它们是飞行器机动转弯的导引指令，在保持飞行器状态稳定的同时，改变、调整飞行器质心运动的轨迹。,5.5.5 飞行控制电子综合系统,5.5.6 测试与发射控制系统,5.6 智能建筑,5.6.1 智能建筑的概念及构成,智能建筑(Intelligent Building)，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。,世界上公认的第一座智能化大厦是1984年美国康涅狄格州哈特福特市的“城市广场”。,目前，智能建筑还没有严格、统一的公认定义。,美国智能建筑学会将智能建筑定义为：通过对建筑物的结构、系统、服务和管理这四个基本要素以及它们之间的内在关联的最优化组合，而获得的一个投资合理且高效、舒适、安全、便利的环境。,一般认为智能建筑包含三大基本要素，即楼宇自动化(Building Automation,简称BA)系统,通信自动化(Communication Automation,简称CA)系统和办公自动化(Office Automation,简称OA)系统，三者是有机结合在一起的，成为智能建筑“3A”结构。,有时为了强调消防和保安的重要性和独特性，将消防自动化(Fire-protecting Automation,简称FA)和保安自动化(Security Automation,简称SA)从楼宇自动化中单列出来，从而得到所谓的“5A”结构。“3A”结构的智能建筑功能框图如图5.11所示。,综合布线系统,楼宇自动化系统,办公自动化系统,通信自动化系统,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,日,常,事,物,处,理,中,上,层,管,理,决,策,图5.11 3A智能建筑的构成,不管是3A结构还是5A结构的智能建筑，综合布线系统(PDS)是连接所有自动化子系统的物质基础。,5.6.2 楼宇自动化系统,建筑物的智能化往往总是从楼宇自动化开始的。楼宇自动化系统是建筑智能化的必备要素之一，缺少楼宇自动化系统就不成其为“智能建筑”了。,楼宇自动化系统主要包括大楼设备监控子系统、火警消防子系统和公共安全子系统等。楼宇自动化系统结构模式如图,5.12,所示。,5.12 楼宇自动化系统的构成,楼宇自动化系统,大楼设备监控系统,火警消防系统,公共安全系统,空,调,及,通,风,系,统,卫,星,接,收,和,有,线,电,视,系,统,火,警,报,警,系,统,消,防,灭,火,和,喷,淋,系,统,消,防,联,动,系,统,出,入,口,控,制,系,统,闭,路,电,视,监,视,系,统,保,安,巡,更,管,理,系,统,电,力,供,应,和,照,明,系,统,停,车,场,管,理,系,统,多,媒,体,音,像,系,统,电,梯,安,全,及,运,行,控,制,系,统,制,冷,系,统,背,景,音,乐,系,统,给,排,水,系,统,供,热,系,统,智,能,卡,系,统,防,盗,报,警,系,统,周,界,防,卫,系,统,应,急,广,播,系,统,应,急,照,明,系,统,应,急,呼,叫,系,统,图5.13 集中式楼宇自动化系统的结构,显示,报警,费用计算,设备管理,报表生成,中央计算机,控制器,控制器,监控中心,大楼主干通信网,楼宇控制局域网,监控管理计算机系统,控制器,控制器,操作站,操作站,系统数据库,5.14 分布式楼宇自动化系统的结构,5.6.3 通信自动化系统,通信自动化系统（CAS）是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。,中心主机,高速主干网,楼层局域网,部门子网,用户设备,图5.15 智能建筑的通信网络结构,5.6.4 办公自动化系统,办公自动化，有时也称为办公室自动化。办公自动化系统（OAS）可以有效地提高工作效率和质量、辅助决策，充分利用信息资源，促进办公体制的改革和发展，使管理更加科学、更加合理。,5.6.5 综合布线系统,综合布线系统是智能大厦的基础。,建筑与建筑群综合布线系统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输信号的不同要求。,它在网络上的对象是：模拟/数字语音信号；高速/低速的数据信号；传真机、图像终端、绘图仪等需要传输的图像资料信号；电视会议、安全监示电视的视频信号；建筑楼内保安系统和各个测控器的信号。,智能大楼布线系统（IBS）能将建筑群内所有的设备子系统集为一体，具有很强的综合支持能力，系统管理效率高。,5.7 智能交通系统,智能交通系统 (,Intelligent Transportation System,，简称ITS)。,5.7.1 智能交通系统的概念,智能交通系统是将先进的数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。,智能交通系统对于公路交通带来的影响主要包括以下几个方面：, 提高公路交通的安全性。据专家估计，采用智能交通系统，在今后20年内可降低8%的交通灾难。每年交通事故的死亡人数可减小30%70%；, 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响；, 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，并对社会经济发展的各方面都将产生积极的影响；, 通过对智能交通系统的研究、开发和普及，创造出新的市场。,5.7.2 智能交通系统的主要研究内容,5.7.2.1 出行与运输管理系统,该系统包括城市道路信号控制、高速公路交通监控、交通事故处理等公路交通管理的各种功能，以及用来研究和评价交通控制系统运行功能与效果的三维交通模拟系统。,该系统有6个子系统：, 在途驾驶员信息系统；, 线路引导系统；, 出行人员服务系统；, 交通控制系统；, 突发事件管理系统；, 排放测试与污染防护系统。,5.7.2.2 出行需求管理系统,该系统向用户提供有关出行信息，改善交通需求管理。若将该系统和出行与运输管理系统结合起来，驾驶员就可以通过车载或处所的计算机和无线通讯获得各种交通信息（道路条件、交通状况、服务设施位置以及导游信息等），合理选择出行方式、时间和路线。,驾驶员还可利用车载定位导航仪-GPS，在车载计算机上给出出发地点和目的地，计算机便可根据实时交通信息自动选择出最佳,行驶路线，避开交通拥挤和阻塞，并促进高乘载率车辆的使用，从而提高运输效率。,这个系统包括3个子系统：, 出发前的出行信息系统；, 合乘配载和预约系统；, 需求管理与运营系统,。,5.7.2.3 公共交通运营系统,该系统用以提高公共交通的可靠性、安全性及其生产效率，使公共交通对潜在的用户更具有吸引力。,该系统有4个子系统：, 公共运输管理系统；, 途中换乘信息系统；, 满足个人需求的非定线公共交通系统；, 出行安全系统。,5.7.2.4 商用车辆运营系统,该系统能在州际运输管理中自动询问和接受各种交通信息，进行合理调度，包括为驾驶员提供一些特殊的公路信息，如桥梁净高、急弯陡坡路段的限速等，对运送危险品等特种车辆的跟踪以及车辆和驾驶员的状况进行安全监视与自动报警。,该系统有6个子系统：, 商用车辆电子通关系统;, 自动化路侧安全检测系统;, 商用车辆管理程序系统;, 车载安全监控系统;, 商用车辆交通信息系统;, 危险品应急反应系统.,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,可使所有地面交通收费包括道路通行费、运输费和停车费等实现自动化。,5.7.2.6 应急管理系统,该系统用以提高对突发交通事件的报警和反应能力，改善应急反应的资源配置。,该系统有2个子系统：, 紧急告警与人员安全系统；, 应急车辆管理系统。,5.7.2.7 先进的车辆控制和安全系统,该系统应用先进的传感、通讯和自动控制技术，为驾驶员提供各种形式的避撞和安全保障措施。,该系统包括7个子系统：, 纵向避撞系统；, 侧向避撞系统；, 交叉口避撞系统；, 视觉强化避撞系统；, 事故前乘员安全保护系统；, 危险预警系统；, 自动公路系统。,5.7.3 我国的智能交通系统,我国从20世纪70年代末开始利用电子技术和计算机技术改进交叉路口的信号灯控制。此后一直在探索利用电子信息技术改进交通控制与管理、提高交通效率。,20世纪90年代初，我国开始注意国际上已经提出的智能交通系统。从1995年开始，我国专家积极参与了国际上智能交通系统的研究和开发活动，并且在国内有条件的地方和高速公路上进行了初步试验。,总的说来，我国的智能交通系统还处于发展的初级阶段，尚需要包括自动化领域在内的科技工作者长期不懈的努力。,5.8 生物控制,有人预测21世纪将是生命科学和信息科学的世纪。依照这种观点，作为生命科学和信息科学相互渗透而产生的生物控制必将对人类生产、生活带来巨大影响和改变。,生物控制(Biological Control)是维纳开创的控制论在生物领域的研究体现。,5.8.1 生物控制的研究内容及特点,生物控制研究的内容十分广泛，主要包括：研究生物体中通信和控制的动态过程，研究生命体遗传、发育、进化中的动力学规律，研究生物体与周围环境相互联系和制约中的反馈机制；,进一步通过信息技术和自动化手段在不同的结构层次（群体、个体、器官、细胞、分子、量子）上予以控制，乃至把高度发达的生物机能作为工程系统或社会经济系统控制或决策中的“参考系“等。,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。,5.8.2 神经控制,动物和人体的控制系统基本上分为两大类：一类是神经控制系统，一类是体液调节系统。,由于神经控制是研究神经系统的控制调节问题的，因此神经元模型和神经网络的信息处理能力的研究是神经控制研究的一个最基本的方面。,神经系统是由大量的神经元组成的，如人类大脑皮层就大约有一百多亿个神经元，每个神经元都是一个信息处理单元。,总的说来，目前神经控制中对脑信息处理的研究、对脑模型的研究等仍较初步，但为人们研究人脑信息处理、研究脑这个复杂的自组织系统已经建立了一条有效的途经，并为发展新一代控制理论智能控制提供了宝贵的物理原型。神经控制还有待于进一步发展完善。,5.8.3 仿生技术,生物体具有高度的自适应、自学习、自修复、自繁殖能力；存在于生物群体或个体中的特异功能，特别是人脑的高级神经反馈机制，为人们的研究与开发工作提供了极为丰富的高级模型。,简单地讲，仿生(Bionics)就是用人造装置对有生命物质进行模拟。广义地，仿生技术可以概括为模拟生物系统的信息加工、能量转换和力学结构，用以改进或建造工程技术系统。,仿生技术研究的内容大致有五个方面:, 信息仿生,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。例如，模仿青蛙眼睛制成的电子蛙眼，可以用来识别飞行中的导弹。现在已投入使用的一种人造卫星自反差跟踪系统就是模仿蛙眼制成的。, 控制仿生,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。例如蜜蜂具有天然“太阳罗盘”，人们模仿它制成了导航设备偏光罗盘。,又如，借助超声波回音定位，海豚在3km以外便能发现鱼类，蝙蝠在飞行中能分辨直径0.1mm的线。这些功能对提高雷达的灵敏度和抗干扰性能极有参考价值。, 力学仿生,主要是关于动物飞行、运动动力学的研究。例如，按照海豚体形和身体各部位比例建造的新型核潜艇，速度提高了,25%。,又如，模拟企鹅体形的雪地汽车速度可达,50km/h,。, 化学仿生,主要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。, 医学仿生,主要是研究用人工仿制品代替人的有机体的某一部分，如人工心脏、人工肾、人造假肢等等。,仿生技术有着极为广阔的发展前景，各行各业、各个学科都可以从中得到启示，对生物控制无疑也起着很大的促进作用。,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。,我国早在两千多年前已成书的黄帝内经，可以说是世界上最早的生物控制论著。其中记载的经络学说实质上是世界上最早的古典生物控制理论。,中医长期的医疗实践与临床现象表明，经络的功能是客观存在的，但是至今在解剖上还没有发现奇异的经络实体，这引起了许多人对经络学说科学性的怀疑。,经络的实质究竟是什么呢？根据经络学说的论述，从生物控制的观点看来，可以认为经络实质上是指人体整个生命活动的功能控制系统。,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“元神府”，它通过督脉（总督全身的阳经）、任脉（总任全身的阴经）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（传感器）与外界环境发生联系。,总之，中医理论对控制科学的许多思想、观点、方法都可以有所启发和丰富。反过来，生物控制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，以进一步得到发展。生物控制和中医理论的结合将为中医理论的发展开辟一条新的广阔途径。,5.9 生态与环境控制,人类只有一个地球，保护地球生态，保护人类环境，是造福子孙后代的战略问题，意义非常深远、巨大。生态控制、环境控制的意义正在于此。,5.9.1 生态控制,自然生态系统,(Ecological System,)在演化过程中，依靠生物与环境的相互作用自动地逼近最优目标。,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的结构要素、工艺流程、反馈机制，使之最大限度地符合人类整体和长远利益。,资源的合理利用和再循环、环境的综合治理和优化、在新的生态平衡格局下人类怎样适应和协调，都是生态控制研究的重点。,5.9.2 环境控制,环境控制(Environment Control)就是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。,综合环境治理采用反馈控制的原理，开展下列工作：,掌握环境与污染物之间的信息流；, 努力减少或阻断从资源（原料）转变为污染物的物质流；, 力图削弱污染物流通途径上的能量流以把污染效应降低到最小水平；, 改变或转移污染物的流动路径或方向；, 按系统分析的一般步骤安排环境治理。,环境系统管理主要包括：, 建设区域性或全国性环境监测系统或监测网；, 根据监测系统获取的信息做出实时反馈控制；, 充分利用大自然的自我净化能力和生物降解污物的能力，最大限度地降低环保费用。,5.10 社会经济控制,控制科学在各种工程系统中取得了举世瞩目的成就，在生物系统、生态系统及环境系统等领域也大显身手、崭露头角，人们自然会问能否开展社会控制的研究呢？答案是肯定的。,然而，社会控制(Social Control)较之工程控制要复杂得多，涉及社会学、国家管理、行政管理、法与法律、经济学、人口学、企业管理等等。,其研究对象是包括人在内的,结构复杂、规模宏大、具有多种不确定因素的大系统，涉及人与政治、经济、道德、伦理、法律的交互作用、相互影响。,目前，社会控制中相对成熟的是社会经济控制(Socioeconomic Control)。,简单地讲，社会经济控制就是将控制科学中的原理、概念和方法应用于经济领域（包括经济活动和经济管理）。,它有两个突出的特点：,(1)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。社会经济控制的主要内容包括以下几个方面：, 建立社会经济控制系统的数学模型；, 通过计算机仿真比较各种方案，寻找最优或次优的经济决策；, 运用自动控制理论、系统工程、运筹学等方法和工具，从整体上研究社会经济控制系统的各种特性，特别是系统的稳定性；设计相应的施控系统，通过信息反馈对其受控系统进行及时的、有效的自动调节和控制，力求通过最优的途径保证指标或目标的实现；, 建立完善而合理的经济信息系统。,5.11 大系统控制与系统工程,现代科学技术正在以前所未有的高速度飞快发展，一方面学科越分越细，产生了越来越多新的学科分支、学科领域；另一方面，学科之间相互渗透、相互影响，形成了许多崭新的交叉学科、交叉领域。,尤其是后者更加引人注目，过去不太相关的学科今天正在有机地结合，为人们解决以前单一学科望尘莫及的各种问题提供了可能，是现代科学技术发展中一个显著的特点。大系统理论、系统工程就是这样正在形成和发展的科学技术。,5.11.1 大系统控制,简单地讲，所谓大系统就是规模宏大、结构复杂的的系统。例如，现代大型企业的多级计算机管理和控制系统（如大型钢铁联合企业），大型工程项目的计划协调与组织管理系统（如长江三峡施工组织管理系统），全国性或地区性的供电网络的调度、管理和优化运行系统，社会经济系统，大都市的交通管理与控制系统，环境生态系统以及航天运载火箭、洲际导弹等，都是典型的大系统。,大系统理论研究的对象是规模庞大、结构复杂的各种工程或非工程系统的自动化问题。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。,在目前大系统的研究中，主要有三种控制结构方案，即多级（递阶）控制、多层控制和多段控制。, 多级（递阶）控制,这是受到广泛注意的方案，以三级递阶结构为例，结构图如图5.16所示。,其中，第一级为局部控制级，它直接控制大系统的各局部过程或对象，构成各局部的小系统；第二级为递阶控制级，它对第一级各子系统进行协调控制；第三级为协调控制级，根据大系统的总目标，对第二级进行协调控制，完成大系统管理、控制的总任务。,图5.16 三层递阶控制结构,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,第一层,第三层,第二层, 多层控制,多层控制方案的特点是按任务或功能分层。较高层的任务功能较复杂，所受扰动因素变动较慢；较低层的任务功能较简单，所受扰动变化较快。,各层之间的关系具有“分工”性质，上下层之间也有隐含的“支配”与“被支配”的关系。大系统的多层控制结构方案如图5.17所示。,图5.17 多层控制结构,自组织层,自适应层,最优化层,直接控制层,被控对象或过程,测量显示,总目标,第四层,第三层,第二层,第一层,快扰动,较快扰动,较慢扰动,慢扰动,其中，第一层为直接控制层，它根据最优控制层的指令，直接控制生产过程或被控制对象的运行壮态，克服快,变化的扰动的影响；,第二层为最优化层，它根据给定的目标函数、约束条件及系统的数学模型，进行最优化控制；,第三层为自适应层，它根据对象特性或运行情况变化，对最优化层的目标函数、约束条件及数学模型进行适当的修正，保证系统最优运行；,第四层为自组织层，它根据大系统的总目标和总任务，考虑环境变化的条件，制定决策、计划协调与组织管理。, 多段控制,多段控制结构方案的特点是按被控过程时间分段，根据被控过程先后时间顺序或“航程”，将全过程分为若干时段，每一时段形成一个小系统，如图5.18所示。,协调模块,第一段,第二段,第n段,被控对象或过程, ,全段任务,图5.18 多段控制结构,这里的协调模块按衔接条件进行协调，把前时段终点边界条件与后时段初始边界条件衔接起来，完成全过程的控制任务。,5.11.2 系统工程, 系统工程的概念,系统工程是以系统（特别是大系统）为研究对象的一门跨学科的边缘科学。,它是根据总体协调的需要，把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等从横的方面有效地组织起来应用于人类实践中，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。,系统工程的研究对象主要是大系统。像“阿波罗登月计划”那种举世闻名的大系统，全部构件达,300,多万个，调动了,2,万多家公司、工厂和,120,所大学、实验室的,42,万余名研制人员，耗资,300,多亿美元，历时,11,年，终于把人送到月球又安全返回地面，取得了实验的成功，就是系统工程的典型运用。, 系统工程与自动化的关系,系统工程与自动化密切相关。任何现代化的大系统都是与自动化密切相关的，越是庞大的、复杂的系统就越需要自动化；而自动化水平越高的系统，就越要用系统工程的方法去实现。, 系统工程的应用范围,系统工程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。其应用范围包括国家系统、社会系统、军事系统、生产系统和各种工业系统，以及流通服务系统、自然对象系统、人体对象系统等等。,