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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（NumericalControl，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（FlexibleManufacturingSystems）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：⑴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）；⑵在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；⑶发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；⑷中央刀具库及其管理系统；⑸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(ComputerIntegratedManufacturingSystems)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分布式数据库系统数据传输网络系统市场信息自动化设计系统（CAD/CAM等）自动化制造系统（加工中心、FMS等）计算机辅助质量保障系统管理与决策支持系统技术信息售后服务信息原材料产品⑴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。⑵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。⑶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(ProcessIndustries)，有时为突出其流动的性质而称之为流程工业(FluidProcessIndustries)。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：⑴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。⑵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。⑶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(DistributedComputerControlSystem)。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⑴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。⑵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⑶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。⑷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(ComputerIntegratedProductionSystems)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0.05~0.15Hz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+-5~10%电力系统的调度一级调度中心…直属发电厂直属变电所二级调度中心……直接调度发电厂直接调度变电所三级调度中心…发电厂变电站电力公司供电所…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