东北大学自动化专业概论x

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1、第二章自动化的概念和发展简史2.1控制和自动化的概念现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸，如图2.1所示。图2.1防空导弹的制导1—目标跟踪雷达；2—导弹导引雷达；3—计算机；4—导弹发射架312••••••目标交会点4自动化(Automation):表示机器或设备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制以达到预定的要求。图2.2(a)和(b)是水温的手动控制漫画和采用自动控制的示意图。图2.2水温的手动控制和自动

2、控制的示意图(a)手动控制漫画•调节记录仪温水测温计冷水蒸汽调节阀(b)自动控制图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。自动化是新的技术革命的一个重要方面。2.2我国古代自动装置⑴指南车车身齿轮系木人车辆转弯方向图2.3指南车方向自动装置框图⑵铜壶滴漏⑶饮酒速度的自动调节⑷计里鼓车⑸漏水转浑天仪⑹候风地动仪⑺水运仪象台2.3控制和自动化技术发展简史控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。⑴古代自动装置⑵近代自动装置

3、2.3.1自动装置的出现和应用(18世纪以前)2.3.2自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）公元1788年英国机械师J.瓦特(Watt)发明离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接进来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重要影响。⑴自动调节的广泛应用⑵自动调节系统的稳定性问题图2.4对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽负荷离心式调速器转速测量进汽-+⑶反馈控制和频率法图2.5反馈调节（控制）系统调节器（控制器）被控对象输出变量控制量前向通道误差输入变量（给定规律）反馈通道-+2.3.3局部自动化时期(20世纪40～50

4、年代)在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。目标方向敏感元件计算机定位伺服机构跟踪误差跟踪环路瞄准环路视线瞄准误差火炮瞄准命令火炮方向图2.6自动防空火力控制系统原理图伺服机构（控制绕垂直轴转动）伺服机构（控制仰角）炮管中心线视线计算机指挥仪敏感元件图2.7自动防空火力控制系统2.3.3.1经典控制理论的形成和发展在代数稳定判据、传递函数和频率法判据的基础上，再加上W.埃文斯1948年提出的根轨迹法，奠定了适宜用于单变量控制问题的经（古）典控制理论的基础。

5、经典控制理论→单变量控制问题频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反馈控制系统一般称为自动调节系统，后称为自动控制系统。因此，调节器现在也称为控制器。1945年，美国数学家、控制理论专家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一些控制系统。1948年他出版了名著《控制论》一书，为控制理论的发展奠定了基础。1954年，中国科学家钱学森全面地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)一书。2.3.3.2局部自动化的广泛应用第二次世界大战后，在工业上已广泛应用PI

6、D调节器，并用电子模拟计算机(ElectronicAnalogComputer)来设计自动控制系统。2.3.3.3电子数字计算机的发明1943～1946年，美国电气工程师J.埃克脱(Eckert)和物理学家J.莫奇利(Mauchly)为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机(ElectronicDigitComputer)——电子数字积分和自动计数器(ENIAC)。2.3.4综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）复杂工业过程和航天、航海技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。但经典的控制理论的直接应用遇到了困难。20世纪7

7、0年代微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。2.3.4.1现代控制理论的形成和发展公元1956年，前苏联数学家JI.庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。现代控制理论迅速发展，形成了多个重要分支。现代控制理论→多变量控制问题⑴系统辨识、建模与仿真,系统辨识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。⑵自适应控制和自校正控制器⑶遥测、遥控和遥感