自动控制系统的发展及技术现状

自动控制系统的发展及技术现状(技术和理论)自动控制系统设计的基本知识本章主要内容第一章绪论自动控制系统的发展及技术现状1.1.1发展过程自动控制技术的发展经历了机械自动化机械、电气自动化的过程古代中国，埃及和巴比伦等自动计时漏壶汉朝张衡浑天仪和地动仪三国公元1090年苏颂指南车水运仪象台古埃及希腊自动开启装置、自动洒圣水的铜祭司、投币式圣水箱、青铜小鸟钟壶滴漏指南车17~19世纪1642年法国物理学家帕斯卡加法器1657年荷兰机械师惠更斯钟表1745年英国机械师E.李1765年俄国波尔祖诺夫风磨水位调节器1788年英国科学家瓦特离心式节速器1854年俄国康斯坦丁诺夫电磁调速器1868年法国工程师法尔科反馈调节器惠更斯发明的钟表自动控制理论的早期发展自动控制装置的优点：改进生产技术，提高生产效率17~18世纪是自动化技术的逐渐形成时期18世纪之后是自动化技术的发展时期，期间数学描述和理论分析起到了至关重要的作用。自动调节器的稳定性问题、蒸汽机的剧烈振荡问题、自动操舵机的稳定性问题一些数学家尝试用微分方程来描述和分析系统的稳定性问题。1.1.2自动控制理论是自动控制系统工程设计的基础自动控制理论的早期发展过程英国物理学家麦克斯韦，在1868年发表了《论调速器》的文章，总结了无静差调速器的理论，对控制系统进行了最初的数字描述俄国机械学家И﹒А﹒维什涅格拉茨基1876年发表《论调节器的一般理论》的文章﹐进一步总结了调节器的理论。1877年英国数学家劳斯（E.J.Routh）提出了著名的劳斯稳定判据1895年德国数学家A.胡尔维茨提出著名的胡尔维茨稳定判据1892年俄国数学家李雅普诺夫发表了《论运动稳定性的一般问题》的专著。以数学语言形式给运动稳定性的概念下了严格的定义﹐给出了判别系统稳定的两种方法李雅普诺夫第一法李雅普诺夫第二法自动控制理论的早期发展过程自动控制理论的早期发展过程1925年英国电气工程师O.亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电网络的问题上﹐提出了运算微积分，求得瞬态过程利用拉普拉斯变换描述线性定常系统或线性元件的输入输出关系，就得到了传递函数在传递函数基础上，发展了频率响应法1927年美国贝尔电话实验室在解决电子管放大器失真问题时，电气工程师H.S.布莱克从电信号的角度引入了反馈的概念自动控制理论的早期发展过程1932年美国电信工程师奈奎斯特提出著名的奈奎斯特稳定判据﹐可以直接根据系统的传递函数来画出奈奎斯特图，判定反馈系统的稳定性1938年苏联电气工程师A.B.米哈伊洛夫应用频率法来研究自动控制系统的稳定性﹐提出著名的米哈伊洛夫稳定判据自动控制理论的早期发展带动了其它领域的发展程序控制、逻辑控制和自动机的思想同时得到了发展1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制的概念1936年英国数学家图灵提出著名的图灵机﹐成为现代数字电子计算机的雏形。图灵机定义可计算函数类﹐建立了算法理论和自动机理论。1938年美国电气工程师香农和日本数学家中岛﹐以及1941年苏联科学家В﹒И﹒舍斯塔科夫﹐分别独立地建立了逻辑自动机理论﹐用仅有两种工作状态的继电器组成了逻辑自动机﹐实现了逻辑控制控制理论的形成自动化技术的实际应用划分为自动化技术形成、局部自动化和综合自动化三个阶段自动化技术形成时期为18世纪末~20世纪30年代局部自动化时期是在20世纪40~50年代，期间形成了经典控制理论20世纪50年代之后，是综合自动化阶段，出现了各种复杂的控制系统，如：多环控制、多变量控制、分级控制、集散控制系统等。1.1.3自动控制系统设计的基本知识1.21.2.1设计的主要任务和解决的问题方案设计：具有符合要求的静态和动态特性工程设计：在方案设计正确的基础上进行，进行实际系统的选型参数整定：P、I、D参数整定主要任务解决的问题安全性稳定性经济性安全性是指在生产过程中，要保证人员的安全、设备的安全、以及生态平衡和环境卫生的安全。越限报警、联锁保护、视频监视、远程监控、安全栅等稳定性主要指系统的抗干扰能力，在出现各种可预见的干扰的情况下，系统都要保留一定的稳定裕度经济性是指节省投资、提高产品产量质量、节能降耗、提高经济效益和社会效益等控制精度和响应速度自动控制系统的工程设计流程设计任务书初步设计详细设计现场调试资料归档1.2.2设计任务书①工艺流程或对象特征②重要工艺参数及指标要求③系统运行环境④特殊工艺要求⑤系统设计目标初步设计①系统方案选择②系统结构的确定③主要设备和装置的选择④性能价格比评价详细设计①系统功能块划分②硬件设计③各功能块软件设计④辅助系统设计⑤系统离线调试与评价现场安装调试①系统现场安装②现场调试③在线测试④系统最终评价资料归档①设计图纸整理②评价结果整理③编写使用说明书④设计完成确认书系统设计流程图设计任务书设计任务书是控制系统设计、评价的主要依据，在设计任务书中要明确：①工艺流程或被控对象特征②主要工艺参数及指标要求③系统运行环境④特殊工艺要求⑤系统设计目标初步设计①系统方案选择②系统结构的确定③主要设备和装置的选择④性能价格比评价根据系统设计任务书，以及市场可入手的设备、装置以及设计者自身所掌握的技术，对可能满足设计任务书的各类系统及其特征进行分析后，选择有限条件下的最合理方案，并进行有限实验评价，以便于确定系统的最终结构详细设计根据初步设计所确定的系统方案和系统构，系统的软硬件系统进行具体详细的设计。①系统功能块划分②硬件设计③各功能块软件设计④辅助系统设计⑤系统离线调试与评价现场安装调试①系统现场安装②现场调试③在线测试④系统最终评价资料归档①设计图纸整理②评价结果整理③编写使用说明书④设计完成确认书