的自動化前沿講座課件

,單擊此處編輯母版標題樣式,2020/12/9,*,#,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,自動化前沿技術,1、自動化技術的概述,(1)自動化技術誕生,(2)自動化技術發(fā)展,(3)自動化技術原理,2、自動化前沿技術,(1)自動化技術的江湖門派,(2)自動化技術的十八般武藝,3、自動化技術的應用,工業(yè)、軍事、日常生活,自動化前沿技術 1、自動化技術的概述,1,自動化的誕生,人類自開始進行勞動以來，就一直夢想著制造出能夠無需人的參與就可以自己完成任務的勞動工具。,從刀耕火種的年代起，人們就夢想著省時省力地生產(chǎn)出更多的東西，來滿足人們生活的需要。人們在幾千年的生產(chǎn)過程中，發(fā)明了很多節(jié)省力氣的工具，如在河流上建造的水車?？梢酝ㄟ^水的沖擊帶動輪子轉動，實現(xiàn)灌溉、淘米等工作。,工業(yè)革命的到來,(,1788年,),，為自動化的發(fā)展帶來了巨大的動力。,此后的,一百多年,中,，,人們一直在探索，特別是,，經(jīng)過從1934年到1947年的十幾年研究,(二戰(zhàn)期間),最終提出了自動化的理論基礎著作控制論。標志著自動化技術的正式誕生。,從誕生到現(xiàn)在，自動化技術在各個領域大顯身手，飛機導航、交通運輸、導彈控制中到處都是自動化技術的應用。,自動化的誕生 人類自開始進行勞動以來，就一直夢,2,自動化,在,炮火中發(fā)展,自動化技術從產(chǎn)生到現(xiàn)在，它的發(fā)展始終沒有離開武器裝備的需要。,在第二次世界大戰(zhàn)中，同盟國軍隊的主要作戰(zhàn)武器是火炮。當時的火炮威力大、射程遠，但是命中精度比較差。如果沒有二戰(zhàn)這個巨大的實驗場，自動化技術也不會有如此大的發(fā)展。可以這樣說“軍事裝備是自動化之父，二戰(zhàn)是自動化誕生的產(chǎn)房”。,如果說軍事設備是自動化之父，那么工業(yè)生產(chǎn)就是自動化之母。自動化生產(chǎn)是人們夢寐以求的事情。,福特發(fā)明的汽車生產(chǎn)線是最成功的早期生產(chǎn)線，1913年福特創(chuàng)建了由專用機床組成的“運動中的組裝線”在這種生產(chǎn)線上，要組裝的部件由傳送帶運到一個個工人面前，每一個工人只完成一種操作。,自動化技術為生產(chǎn)力的發(fā)展起了巨大作用，實現(xiàn)了人們擺脫繁重的勞動的愿望。同時自動化技術也在應用中得到不斷發(fā)展和完善。,自動化在炮火中發(fā)展自動化技術從產(chǎn)生到現(xiàn)在，它的發(fā)展始終,3,自動化原理,下面我們以一個簡單的例子，,來說明自動化的原理。,自動化設備和機器的關鍵就在于反饋的存在，正是有了他的存在，才使自動化成為可能。反饋就是自動化的奧妙所在。,所以自動控自原理也叫反饋控制原理。,一,個自動化系統(tǒng)無論結構多么復雜都是由下面幾部分組成：,第一，檢測比較裝置。,第二，控制器。,第三，執(zhí)行機構。,第四，控制量。,自動化原理下面我們以一個簡單的例子，來說明自動化的原理。自動,4,控制器系統(tǒng)的大腦,傳感器系統(tǒng)的耳目,執(zhí)行器系統(tǒng)的,手腳,受控對象溫柔的羔羊,穩(wěn)定性不可或缺,魯棒性健康的系統(tǒng),極點控制系統(tǒng)的精靈,控制器系統(tǒng)的大腦 傳感器系統(tǒng)的耳目,5,自動化的前沿技術,模糊控制其實我很清楚,最優(yōu)控制-“沒有更好只有最好”,自適應控制以變制變,魯棒控制以靜制動,線性控制理論縱橫,非線性控制理論的發(fā)展,PID控制簡而優(yōu)秀,預測控制未卜先知,故障診斷神醫(yī)妙手,人工智能智慧之巔,專家系統(tǒng)身邊的專家,推理控制經(jīng)驗的作用,集散控制系統(tǒng)（DCS）,自動化的前沿技術模糊控制其實我很清楚,6,模糊控制,模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產(chǎn)物。自從這門科學誕生以來，它產(chǎn)生了許多探索性甚至是突破性的研究與應用成果，同時，這一方法也逐步成為了人們思考問題的重要方法論。,1965年美國的控制論專家L.A.Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合論，從而為描述，研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了一種新的工具。一種利用模糊集合的理論來建立系統(tǒng)模型，設計控制器的新型方法模糊控制也隨之問世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。,模糊控制作為智能領域中最具有實際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領域，家用電器自動化領域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效。,模糊控制 模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一,7,最優(yōu)控制,最優(yōu)控制問題研究的主要內(nèi)容是：怎樣選擇控制規(guī)律才能使控制系統(tǒng)的性能和品質在某種意義下為最優(yōu)，求解最優(yōu)控制問題的方法，目前主要的就是上述的兩種方法，另外可能還會用到一些數(shù)值解法。用這些方法已經(jīng)成功的解決了許多動態(tài)控制問題，如最小時間控制，最少燃料控制和最佳調(diào)節(jié)器等。最優(yōu)控制已經(jīng)在航天，航海，導彈，電力系統(tǒng)，控制裝置，生產(chǎn)設備和生產(chǎn)過程中得到了比較成功的應用，而且在經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。,最優(yōu)控制問題有四個關鍵點：（1）受控對象為動態(tài)系統(tǒng)。（2）初始與終端條件（時間和狀態(tài)）。（3）性能指標。（4）容許控制。而最優(yōu)控制問題的實質就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，使動態(tài)系統(tǒng)（受控對象）從初始狀態(tài)轉移到某種要求的終端狀態(tài)，并且保證某種要求的性能指標達到最小值或者是最大值。,時至今日，最優(yōu)控制理論的研究，無論在深度或是廣度上，都有了較大的進展。然而，隨著人們對客觀世界認識的不斷深化，又提出了一系列有待解決的新問題?？梢院敛豢鋸埖卣f，最優(yōu)控制理論依舊是極其活躍的科學領域之,一。,最優(yōu)控制 最優(yōu)控制問題研究的主要內(nèi)容是：怎樣選,8,自適應控制,在日常生活中，所謂自適應是指生物能改變自己的習性以適應新的環(huán)境的一種特征。因此，直觀地講，自適應控制器應當是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應對象和擾動的動態(tài)特性的變化。,自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。,任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象的數(shù)學模型的結構和參數(shù)，設計者事先并不一定能準確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產(chǎn)生的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設計適當?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應控制所要研究解決的問題。,自適應控制 在日常生活中，所謂自適應是指生物能,9,魯棒控制,魯棒控制（Robust Control）方面的研究始于20世紀50年代。在過去的,5,0年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結構，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。根據(jù)對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。,魯棒控制方法，是對時間域或頻率域來說，一般要假設過程動態(tài)特性的信息和它的變化范圍。一些算法不需要精確的過程模型，但需要一些離線辨識。,一般魯棒控制系統(tǒng)的設計是以一些最差的情況為基礎，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。常用的設計方法有：INA方法，同時,鎮(zhèn)定，完整性控制器設計，魯棒控制，,魯棒PID控制以及魯棒極點配置，魯棒觀測器等。,魯棒控制方法適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標的應用，同時過程的動態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預估。飛機和空間飛行器的控制是這類系統(tǒng)的例子。,魯棒控制 魯棒控制（Robust Contr,10,線性控制理論,線性控制理論是系統(tǒng)與控制理論中最為成熟和最為基礎的一個組成分支，是現(xiàn)代控制理論的基石。系統(tǒng)與控制理論的其他分支，都不同程度地受到線性控制理論的概念、方法和結果的影響和推動。,嚴格地說，一切實際的系統(tǒng)都是非線性的，真正的線性系統(tǒng)在現(xiàn)實世界是不存在的。但是，很大一部分實際系統(tǒng)，它們的某些主要關系特性，在一定的范圍內(nèi)，可以充分精確地用線性系統(tǒng)來加以近似地代表。并且，實際系統(tǒng)與理想化了的線性系統(tǒng)間的差別，對于所研究的問題而言已經(jīng)小到無關緊要的程度而可予以忽略不計。因此，從這個意義上說，線性系統(tǒng)或者可線性化的系統(tǒng)又是大量存在的，而這正是研究線性系統(tǒng)的實際背景。,簡單說，線性系統(tǒng)理論主要研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性方法，建立和揭示系統(tǒng)結構、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關系。在對系統(tǒng)進行研究的過程中，建立合理的系統(tǒng)數(shù)學模型是首要的前提，對于線性系統(tǒng)，常用的模型有時間域模型和頻率域模型，時間域模型比較直觀，而頻率域模型則是一個更強大的工具，而者建立的基本途徑一般都通過解析法和實驗法。,線性控制理論 線性控制理論是系統(tǒng)與控制理論中最,11,非線性控制理論,對非線性控制系統(tǒng)的研究，到,上個,世紀四十年代，已取得一些明顯的進展。主要的分析方法有：相平面法、李亞普諾夫法和描述函數(shù)法等。這些方法都已經(jīng)被廣泛用來解決實際的非線性系統(tǒng)問題。但是這些方法都有一定的局限性，都不能成為分析非線性系統(tǒng)的通用方法。例如，用相平面法雖然能夠獲得系統(tǒng)的全部特征，如穩(wěn)定性、過渡過程等，但大于三階的系統(tǒng)無法應用。李亞普諾夫法則僅限于分析系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性問題，而且要求非線性元件的特性滿足一定條件。雖然這些年來，國內(nèi)外有不少學者一直在這方面進行研究，也研究出一些新的方法，如頻率域的波波夫判據(jù)，廣義圓判據(jù)，輸入輸出穩(wěn)定性理論等。但總的來說，非線性控制系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展階段，遠非完善，很多問題都還有待研究解決，領域十分寬,。,非線性控制理論作為很有前途的控制理論，將成為二十一世紀的控制理論的主旋律，將為我們?nèi)祟惿鐣峁└冗M的控制系統(tǒng)，使自動化水平有更大的飛越。,非線性控制理論 對非線性控制系統(tǒng)的研究，到上,12,PID控制簡而優(yōu)秀,PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。,PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為,:,因此它的傳遞函數(shù)為：,它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設定三個參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的,。,PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器,PID控制簡而優(yōu)秀 PID（比例-積分-微,13,預測控制,預測控制是近年來發(fā)展起來的一類新型的計算機控制算法。由于它采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，所以它一出現(xiàn)就受到國內(nèi)外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、冶金、機械等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)得到了成功的應用。,下面以模型算法控制為例子來說明預測控制的基本原理,:,由于預測控制具有適應復雜生產(chǎn)過程控制的特點，所以預測控制具有強大的生命力?？梢灶A言，隨著預測控制在理論和應用兩方面的不斷發(fā)展和完善，它必將在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮出越來越大的作用，展現(xiàn)出廣闊的應用的前景,預測控制 預測控制是近年來發(fā)展起來的一類新型的,14,故障診斷,現(xiàn)代的機械制造系統(tǒng)具有控制規(guī)模大、自動化程度高和柔性化強的特點。由于制造系統(tǒng)的結構越來越復雜，價格越來越昂貴，因此因為各種故障而導致的停機都是不可忍受的負擔。故障診斷系統(tǒng)就能夠在這個情況下滿足需要，也就是能夠合理制定維修計劃，最大限度減少停機維修的時間，以及在故障發(fā)生之后能夠迅速做出反應。因此，故障診斷系統(tǒng)在現(xiàn)在得到了迅速的發(fā)展。,故障診斷是隨著生產(chǎn)過程的復雜化而產(chǎn)生的一種技術，由于和現(xiàn)代傳感器技術、專家系統(tǒng)技術相結合，已經(jīng)展現(xiàn)出了很強的生命力，必將為提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性提供越來越強大的支持。,故障診斷 現(xiàn)代的機械制造系統(tǒng)具有控制規(guī)模大、自,15,人工智能,人工智能是一門邊緣學科，用來模擬人的思維，已經(jīng)引起