第二讲 自动控制发展新.pptVIP

第二讲 自动控制的发展概况 自动控制由两个组成部分 自动控制理论是分析和设计自动控制系统的工具和基础，相当于“软件”；自动控制技术则着重在控制系统的硬件实现方面 第一节 自动控制技术的发展概况 自动控制技术的发展取决于每个阶段应用技术所能达到的水平； 早期的自动控制只能依靠简单的机械装置、气动机构、液压传动装置等； 随着电的发明，很多电气、电子元器件及设备相继问世，继电器、接触器、电阻、电容、电感、电位器、放大器等陆续应用于自动控制系统，使控制性能得到提升； 18世纪末发明蒸汽机及离心调速器 ? 第一次工业革命 ? 大规模使用机器系统 19世纪下半叶发明电、发电机及电动机  ? 第二次工业革命（电气化） ? 大量采用电气控制装置 20世纪上半叶的“二战”、工业化及经典控制理论的成熟推动了自动化系统的广泛应用 上述器件所构成的控制装置只能实现模拟控制，改变控制方法或控制参数就得更换相应的硬件，而且很多复杂一点的控制方法还无法实现或实现起来很困难； 计算机的出现从根本上改变了自动控制的实现方式，控制方法和控制参数在计算机里只是一组程序（称为“控制算法”），修改很方便，而且无论控制算法简单还是复杂，都一样可以实现，因此计算机在控制领域迅速推广和普及； 常用的数字化控制装置包括单片机、工业控制计算机、可编程逻辑控制器、数字信号处理器等。 单片机 工业控制计算机 可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller，简称“PLC”） 数字信号处理器（ Digital Signal Processor，简称“DSP” ） 计算机控制方式的演变 第一阶段：集中控制 用一台计算机同时控制多台机器或设备，轮流采集反馈信息，计算出所需要的控制量后轮流输出给每台机器或设备，属于“分时控制”，主要缺点是可靠性差。 第二阶段：单机控制 一台计算机只控制一台机器或设备，主要优点是控制风险小。这种方式在今天也很常见，如冰箱、空调 、电饭煲的控制等。 第三阶段：分散控制 对于多台相互关联的机器或设备，每台机器或设备都单独用一个数控装置来控制（单机控制方式），但与上层的协调和管理计算机有信息交互，属于网络化的控制系统。 典型例子有： 计算机集成制造系统 CIMS （Computer Integrated Manufacturing System） 集散控制系统 DCS （Distributed Control System） 现场总线控制系统 FCS （Fieldbus Control System） 现代计算机控制系统：管控一体化 一个生产企业往往可能同时采用了好几种网络化的控制系统，并与管理系统连为一体，实现无缝衔接。 现代生产自动化系统通常具有三层结构： 基础层主要包括DCS、FCS、各种先进控制软件、检测装置、实时数据库等； 运行优化层主要包括建模、计划与调度、实时优化、故障诊断与维护、质量控制、成本控制等； 经营优化层主要包括企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设备资源管理、企业电子商务平台等； 这样的管控一体化系统可以实现在线成本的预测、控制和反馈校正，还可以实现生产全过程的质量跟踪、安全监控、统一指挥和优化调度。 第二节自动控制理论的发展 自动控制理论的发展一直受到实际需求的驱动； 20世纪前半叶工业生产对广泛应用各种自动控制装置的需求以及“二战”期间对改进武器系统性能的需求（如雷达跟踪、火炮控制、舰船控制、飞机导航等）推动了第一代控制理论——经典控制理论的成熟与发展； 20世纪60年代航空航天领域对运载火箭、人造卫星、导弹、飞机等各类飞行器进行精确控制的需求催生了被称为“现代控制理论”的第二代控制理论； 20世纪70年代以来控制系统的规模越来越大、结构和特性越来越复杂、对控制性能的要求却越来越高，从而导致了第三代控制理论的研究和发展； 第三代控制理论至今没有明确的定义和范围，一般泛指各种先进的新型控制理论与方法，如智能控制、大系统控制、鲁棒控制、预测控制、自适应控制、多变量频域控制、非线性系统控制等，其共同特点是都针对控制难度较大的一些复杂系统，因此第三代控制理论的总体发展趋势可能是“复杂系统控制”。 1. 第一代控制理论——经典控制理论 采用的控制器结构一般很简单（如PID控制），需要设置和调整的参数很少，是以简单的控制结构来获取相对满意的控制性能。 处理的受控对象是最简单的一类系统，即单输入单输出线性定常系统，其运动规律的描述一般采用微分方程（针对连续时间系统）或差分方程（针对离散时