《控制工程概論》PPT課件.ppt

控制工程概論,聯(lián)系方式 王蓓 辦公地點(diǎn)：研究生樓1105-A室 Tel：64253581E-mail：,考核方式 考勤(平時成績)、考查(期末成績) 參考書目 過程控制工程，俞金壽，蔣慰孫，電子工業(yè)出版社，2007年7月第3版。,第一章 緒論,1.1 控制理論,20世紀(jì)40年代開始形成的控制理論被稱為“20世紀(jì)上半葉三大偉績之一”，在人類社會的各個方面有著深遠(yuǎn)的影響。,國際著名學(xué)者、哈佛大學(xué)的何毓琦教授曾提出一個振奮人心的新觀點(diǎn)：“控制將是21世紀(jì)的物理學(xué)(Control will be the physics of the 21st century)”。,第一章 緒論,Nobert Weiner,Cybernetics Or Control And Communication In The Animal And The Machine, written in 1947, published in 1948, by Norbert Wiener.,1.1 控制理論,第一章 緒論,錢學(xué)森,Engineering Cybernetics, 1954, 錢學(xué)森.,工程控制論的創(chuàng)始人,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,我國古代的指南車,當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。,獨(dú)臂木人,雙輪獨(dú)轅車,齒輪系,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器,公元1788年，J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)。,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,第二次世界大戰(zhàn)前后,1932年，奈奎斯特頻率域分析技術(shù)； 1945年，伯德圖； 1948年，根軌跡法。,自動化控制技術(shù)開始形成一套完整的，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，對單輸入單輸出控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論。也就是今天所謂的經(jīng)典控制理論。,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,20世紀(jì)60年代,1960年，狀態(tài)空間法； 1962年，極大值原理； 1963年，動態(tài)規(guī)劃方法。,自動化控制技術(shù)發(fā)展迅猛，以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)，對多輸入多輸出系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的理論?；拘纬闪爽F(xiàn)代控制理論體系。,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,20世紀(jì)70年代,1970年左右起，為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問題，現(xiàn)代控制理論和系統(tǒng)理論相結(jié)合，逐步發(fā)展形成了大系統(tǒng)理論（Mohammad，1983）。 大系統(tǒng)理論的核心思想是系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)，多級遞階優(yōu)化與控制正是應(yīng)用大系統(tǒng)理論的典范。,第一章 緒論,1.2 控制理論的發(fā)展史,20世紀(jì)80年代,1980年代發(fā)展起來的是智能控制(Intelligent Control)。對于含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜系統(tǒng)，基于知識的專家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和基于信息論的智能控制等應(yīng)運(yùn)而生，它們在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，從而成為自動控制的前沿學(xué)科之一。,第一章 緒論,1.3 工業(yè)過程控制發(fā)展史,20世紀(jì)50年代,以基地式控制等組成的控制系統(tǒng)，如自力式溫度控制器、就地式液位控制器等，功能往往局限于單回路控制。 時至今日，這類控制系統(tǒng)仍沒有淘汰，而且還有了新的發(fā)展，但所占的比重大為減少。,第一章 緒論,1.3 工業(yè)過程控制發(fā)展史,20世紀(jì)60年代,出現(xiàn)了單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)，主要分為電動和氣動兩大類，其控制策略主要是簡單控制系統(tǒng)（PID控制）和常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)（串級、均勻、比值、前饋、分程和選擇性控制等）。 單元組合儀表組成的控制系統(tǒng)，已延續(xù)40多年，目前國內(nèi)還廣泛應(yīng)用。,第一章 緒論,1.3 工業(yè)過程控制發(fā)展史,20世紀(jì)70年代,出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，最初是直接數(shù)字控制(DDC)代替了常規(guī)控制儀表。由于集中控制的固有缺陷，后又被集散控制系統(tǒng)(DCS)所替代。 就控制策略而言，DCS仍以簡單PID控制為主，再加上一些復(fù)雜控制算法，并沒有充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能和控制水平。,第一章 緒論,1.3 工業(yè)過程控制發(fā)展史,20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了優(yōu)化與控制兩層結(jié)構(gòu)，在DCS的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制和操作優(yōu)化。在硬件上采用上位機(jī)和DCS或電動單元組合儀表相結(jié)合，構(gòu)成二級計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。 多層次計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的管控一體化系統(tǒng)（CIPS）。 以現(xiàn)場總線為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)以微處理器為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行全數(shù)字化、雙向和多站通訊的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（FCS） 。,第一章 緒論,1.4 過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn),生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)控制成為發(fā)展主流,先進(jìn)過程控制(Advanced Process Control, APC)是指一類在動態(tài)環(huán)境中，基于模型、借助充分計(jì)算能力，為工廠獲得最大利潤而事實(shí)的運(yùn)行和技術(shù)策略。 先進(jìn)控制策略主要有：多變量預(yù)測控制、推理控制及軟測量技術(shù)、自適應(yīng)控制、魯棒控制、智能控制等，尤其是智能控制已成為開發(fā)和應(yīng)用的熱點(diǎn)。,第一章 緒論,1.4 過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn),過程優(yōu)化得到迅速發(fā)展,穩(wěn)態(tài)優(yōu)化：尋找最佳的工藝變量（參數(shù)）設(shè)定值以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益； 離線優(yōu)化：利用穩(wěn)態(tài)模型在約束條件下尋優(yōu)的方法，求解最優(yōu)的工藝變量值，提供操作指導(dǎo)； 在線優(yōu)化：周期性完成模型計(jì)算、模型和參數(shù)修正，并將最優(yōu)變量值直接送到控制器作為設(shè)定值。,第一章 緒論,1.4 過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn),故障預(yù)報(bào)與診斷收到各方普遍關(guān)注,故障預(yù)報(bào)與診斷技術(shù)(Fault Estimation and Diagnosis Technology)，是指對系統(tǒng)的異常狀態(tài)的檢測、異常狀態(tài)原因的識別以及包括異常狀態(tài)預(yù)報(bào)在內(nèi)的各種技術(shù)的總稱。 故障預(yù)報(bào)與診斷技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，涉及了多門學(xué)科。其目的是力求提高故障的正確檢測率，降低故障的漏報(bào)率和誤報(bào)率。,第一章 緒論,1.4 過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn),傳統(tǒng)的DCS走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng),隨著綜合自動化的潮流和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，誕生了一種國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線(Fieldbus)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，是新一代分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域有一個新時代的開始，成為21世紀(jì)自動控制系統(tǒng)的主流。,第一章 緒論,1.4 過程控制系統(tǒng)發(fā)展的主要特點(diǎn),綜合自動化系統(tǒng)是發(fā)展方向,綜合自動化就是在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫的支持下，實(shí)現(xiàn)信息與功能的集成，進(jìn)而充分調(diào)動人的因素的經(jīng)營系統(tǒng)、技術(shù)系統(tǒng)及組織系統(tǒng)的集成，最終形成一個能適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性的全局優(yōu)化的高質(zhì)量、高效益、高柔性的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。,第一章 緒論,1.5 過程控制工程的研究對象與任務(wù),過程控制的研究任務(wù) （1） 對已有的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)存在的不足并加以改進(jìn)； （2）生產(chǎn)過程的工藝流程確定后，設(shè)計(jì)出滿足工藝要求的控制方案； （3）在控制方案確定后，如何使控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并發(fā)揮其功能。,第一章 緒論