计算机时代下的自动控制理论与自动化技术(2017大学报告)

NorthChinaElectricPowerUniversity韩璞教授TEL：13703120264E-mail:[e-mail]、电子元器件与数字计算机的发展简史报告内容3、自动控制理论发展的三个阶段4、计算机时代控制理论的数学工具———数字仿真与参数优化5、系统智能建模方法6、自动控制系统分析与优化设计1、自动控制学科简述NorthChinaElectricPowerUniversity前言我们每个人都生活在4维空间，我们的思想、理念、知识、理论和技术都是时间的变量——韩璞NorthChinaElectricPowerUniversity一、自动控制的问题描述NorthChinaElectricPowerUniversity问题描述设计一个自动控制系统：控制系统任务：在一定的品质指标下消除一切扰动，维持被控量为希望值NorthChinaElectricPowerUniversity时域指标频域指标NorthChinaElectricPowerUniversity开环控制系统的品质指标品质要求：按程序步运行NorthChinaElectricPowerUniversity“自动控制理论”所要解决的问题1、被控对象的数学模型2、控制系统的调节品质指标3、控制系统的结构4、控制器结构或算法（PID等）5、最优品质指标下的控制器结构或参数NorthChinaElectricPowerUniversity自动控制对象NorthChinaElectricPowerUniversity发电过程1、过程控制石化过程NorthChinaElectricPowerUniversity2运动控制NorthChinaElectricPowerUniversity3程序控制数控机床生产线轨道交通大型设备的启停NorthChinaElectricPowerUniversity切削加工自适应控制系统理论控制参数控制装置实际控制参数切削过程●机床●刀具●工件测量传感器刀具磨损刀具变老切削力功率振动切削温度尺寸精度表面粗糙度测量值的处理约束条件目标函数刀具磨损切削力振动尺寸误差表面粗糙度生产率生产成本∙∙∙∙主轴参数进给速度背吃刀量-+NorthChinaElectricPowerUniversity&TM:INOUTST:1?s启动A引风机电机油站10HNC11AP010ACCPOPAOSGCA引风机电机油站＃1泵运行10CXC43DI001A引风机电机油站＃2泵运行10CXC43DI002A引风机电机润滑油压力低10CXC43DI004OR&NOTA引风机程控启动条件10HNC10AN001A引风机程控停条件10HNC10AN001A引风机程控启动10HLA00EC001A引风机程控停止10HLA00EC001OPTM:INOUTST:2?sTM:INOUTST:3?sTM:INOUTST:4?s&&启动A引风机10HNC10AN001A引风机合闸状态10HNC10AN001ZSA引风机冷却风机A合闸10HNC10AN011ZSA引风机冷却风机B合闸10HNC10AN012ZSOR&关A引风机静叶10HNC10AA700A引风机挡板、静叶全关10HNC10AN001关A引风机挡板10HNA16AA700A引风机合闸状态10HNC10AN001ZSOR10HNA17AA700启动A引风机冷却风机10HNC10EC002&TM:INOUTST:5?sTM:INOUTST:6?sTM:INOUTST:7?s开A引风机挡板10HNA16AA700&&TDON10sA引风机入口烟气挡板2全开10HNA16CZ700AZCA引风机入口烟气挡板1全开10HNA16CZ700AZCA引风机出口烟气挡板2全开10HNA17CZ700BZCA引风机出口烟气挡板1全开10HNA17CZ700AZC&A引风机静叶投自动10HNC10AA700A引风机静叶自动方式10HNC10AA700TM:INOUTST:end?s10HNA17AA700大型引风机启动逻辑——程序步骤NorthChinaElectricPowerUniversity混杂系统生产（运动）过程系统自动化设备（系统）自动控制理论主要针对生产（运动）过程系统4混杂系统NorthChinaElectricPowerUniversity二、电子元器件与数字计算机的发展简史NorthChinaElectricPowerUniversity电子管晶体管集成电路微处理器1947年发明50~70年代使用1971年80年代后得到了快速发展1961年发明70~80年代使用1904年发明1、控制器元器件发展运算放大器：60年代晚期集成电路1930年电子管1950年后晶体管NorthChinaElectricPowerUniversity第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：集成电路计算机第四代：大规模集成电路计算机1946年2月14日世界上第一台计算机诞生(1964-1971)（1967年—1978年）1951：无操作系统，机器指令或汇编语言（1957-1964）中国第一台19672、计算机的发展历程计算机硬件结构冯诺依曼（1.8万只，占地170m^2,30t）NorthChinaElectricPowerUniversity第五代：智能计算机：第六代：生物计算机（一个蛋白质分子就是存储体）能够模拟、延伸、扩展人类的智能（1980年代——）1983年美国提出生物计算机的概念，目前正在研究发展，还没有被商业化NorthChinaElectricPowerUniversity3、微处理器（CPU）与个人计算机（PC）1、1971年，Intel公司首先推出了世界上第一个4位微处理器芯片Intel4004同年，第一台使用了4004芯片的微型计算机诞生了。2、1972年Intel公司推出了8位微处理器芯片8008，之后的几年中，8位微型计算机得到了飞速的发展。其中最为著名的是苹果公司的AppleII3、1978年Intel公司推出了16位微处理器芯片80865、1985年Intel公司推出32位微处理器803864、1981年第一部桌上型计算机IBM—PC(personalcomputer）计算机硬件结构——总线结构NorthChinaElectricPowerUniversity三、自动控制理论发展的三个阶段NorthChinaElectricPowerUniversityJ.C.Maxwell发表了“论调节器”1868年1948年维纳发表了《控制论》在这一时期，使用的电子元器件是电子管，存在着体积、质量和使用寿命等都诸多问题，当时又没有计算机作为计算工具，所以，不得不根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，采用人工做草图和表的方法，对控制系统进行分析与优化设计，进而使得控制算法能在实际工程中得以实现并能满足控制品质要求。1、经典控制理论阶段(1868-1948年）NorthChinaElectricPowerUniversity不能在时域求出微分方程的解析解和数值解变换到复频域用做草图的方法求解微分方程控制器：P超前—滞后补偿1,11111TsTsTsTsvcK速度误差系数剪切频率，增益裕度相角裕度,Lg（超调量和过渡时间）频率域品质指标：rye)(skGNorthChinaElectricPowerUniversity比例控制是有差控制，仅适合无自平衡对象经典控制理论更适合运动过程系统)2+(4=)(ssKsWs例：)1+01.0)(1+05.0(=)(sssKsWs)1+5.0)(1+(=)(sssKsWs)6+3)(6+(6=)(sssKsWsNorthChinaElectricPowerUniversity经典控制理论主要贡献NorthChinaElectricPowerUniversity1）传递函数1942年H.Harris定义了传递函数：在零初始条件下，系统输出的拉氏变换与输入拉氏变换只比。然而，拉氏变换是法国数学家、天文学家拉普拉斯（Laplace）于1812年提出来的，主要用来求解微分、积分方程，偏微分方程。NorthChinaElectricPowerUniversity2）劳斯稳定性判据01110111)()(asasasabsbsbsbsRsYnnnnmmmm闭环传函0)()(0111KaKsasasannnn特征方程劳斯表：缺陷：1、求闭环传递函数困难2、只能得到临界稳定点劳斯于1877年提出的稳定性判据能够判定一个多项式方程中是否存在位于复平面右半部的正根，而不必求解方程NorthChinaElectricPowerUniversity3）根轨迹法判据0)()(0111KaKsasasannnn特征方程缺陷：1、求闭环传递函数困难2、绘制根轨迹困难3、只能是一个参数的根轨迹4、很难给出闭环极点要求1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，这一方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系NorthChinaElectricPowerUniversity4）奈奎斯特稳定性判据)()()(jGjejGjG开环频率特性函数ImRe00缺陷：1、给出频域品质指标困难2、频率特性曲线难于绘制美国学者H.奈奎斯特1932年提出：根据闭环控制系统的开环频率响应判断闭环系统稳定性的准则。奈奎斯特稳定判据只能用于单变量线性定常系统。NorthChinaElectricPowerUniversity伯德图是由贝尔实验室的荷兰裔科学家Bode，H.W.在1940年提出。Bode发明了一种简单但准确的方法绘制增益及相位的图。5）伯德图缺陷：必须已知传递函数中的所有参数NorthChinaElectricPowerUniversity对离散时间系统进行拉普拉斯变换时，遇到了。定义：sTsesTsez1947年由W.Hurewicz提出，用来解决线性常系数差分方程1952年，在哥伦比亚大学被Ragazzini和Zadeh冠以“thez-transform”称为Z变换6）z传递函数nnmmzazazaazbzbzbbzUzYzG2211022110)()()(——脉冲传递函数XjY缺陷：1、求脉冲传递函数困难2、分析方法难于掌握NorthChinaElectricPowerUniversity7）描述函数与相平面相平面描述函数缺陷：频域法的所有缺陷NorthChinaElectricPowerUniversity8）PID控制律1936年考德伦)1.0111(11.01)()(sTsTsTsTsKsKKsEsUddiddipPID控制律蕴含着“哲学”思想：P（比例）——根据当下（现在）的偏差实施控制；I（积分）——根据积累（过去）的偏差实施控制；D（微分）——根据偏差的变化率（未来）实施控制。NorthChinaElectricPowerUniversity经典控制理论的无能为力!NorthChinaElectricPowerUniversity)(tIR2)13.73(93.0sye)11(1sTi%30Mp100rt400st98.076.0品质要求：u2)(tu某火电站主汽温度控制系统?=,iTδNorthChinaElectricPowerUniversity0dipkskk101s5232ssPID某飞机俯仰姿态自动控制系统控制器升降舵伺服电机飞机本体垂直陀螺仪?,,dipkkkNorthChinaElectricPowerUni