1、自动化教研室自动化教研室第第4 4章章 自动化技术的主要应用自动化技术的主要应用主讲：顾德英主讲：顾德英 4.1 4.1 机械制造自动化机械制造自动化 4.2 4.2 过程工业过程工业自动化自动化 4.3 4.3 电力系统自动化电力系统自动化 4.4 4.4 宇宙飞行与自动化宇宙飞行与自动化 4.5 4.5 智能建筑智能建筑 4.6 4.6 智能交通运输系统智能交通运输系统 4.7 4.7 军事与国防的现代化军事与国防的现代化 4.84.8 汽车中的自动化系统汽车中的自动化系统 4.9 4.9 家庭自动化家庭自动化4.1 机械制造自动化 机械制造是现代工业重要的组成都分，对国民经济建设有非常巨
2、大的影响。4.1.1 制造自动化的历史和发展制造自动化的历史和发展制造自动化的历史和发展经历了如下五个阶段：v 第一阶段：刚性自动化，包括单机自动化和刚性自动化生产线。v 第二阶段：数控加工，包括数控和计算机数控。v 第三阶段：柔性制造，特征是强调对市场需求的适应性、柔性和高效率。v 第四阶段：计算机集成制造，特征是强调制造全过程的系统性和集成性。v 第五阶段：新的制造自动化模式，如智能制造、敏捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造、绿色制造等。4.1.2 4.1.2 数控机床和数控加工中心数控机床和数控加工中心v 是微电子、计算机、自动控制、精密测量等技术与传统机械技术相结合的产物。v 它根据
3、机械加工的工艺要求，使用计算机对整个加工过程进行信息处理与控制、较好地解决了复杂、精密、多品种、小批量机械零件加工问题，属于灵活、通用、高效的自动化装置也是实现生产过程自动化、柔性化的核心设备。4.1.3 数控机床系统的基本构成及特点数控机床系统的基本构成及特点加工程序加工程序输入装置输入装置数控系统数控系统机床机床伺服系统伺服系统辅助控制装置辅助控制装置检测装置检测装置 与普通机床相比，数控机床不仅适应性强、加工效率高、精度高、质量稳定，而且可实现多坐标联动和复杂形状零件的加工，是实现多品种、中小批量生产自动化的有效方式。计算机数控系统示意图数控车床数控车床 数控磨床数控磨床数控加工中心数控
4、加工中心 v 是在普通数控机床的基础上发展起来的，主要是增加了刀具库、自动换刀装置和移动工作台等，因而可以在一台机器上完成多台机床才能完成的工作，包括铣、削、钻、刨、镗、攻罗纹等多种加工工序。数控加工中心数控加工中心 4.2 4.2 过程过程工业自动化工业自动化v现代工业分类现代工业分类v 连续型v 混合型v 离散型v 在离散型工业中，主要对系统中的位移、速度、加速度等参数进行控制，例如数控机床、机器人控制、飞行器控制等都是离散工业中的典型控制问题。v 在连续型工业中，主要对系统的温度、压力、流量、液位(料位)、成分和物性等六大参数进行控制。v 混合型工业，则介于两者之间，往往是两种控制系统均
5、被采用。v 习惯上，把连续型工业称之为过程工业，有时为突出其流动的性质而称之为流程工业流程工业。v 其生产特征是，呈流体状的各种原材料在连续流动过程中，经过传热、传质、物理、生化和化学反应等加工，发生了相变或分子结构等的变化，失去了原有的性质，最终形成一种新的产品。v 过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业，研究这些工业的控制和管理成为人们十分关注的领域，是本学科非常重要的应用领域之一。v过程控制研究的内容v 过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程(提高产品助产量和质
6、量，降低原材料和能源的损耗)，加强生产管理，最终显著地增加经济效益。v过程控制的特点v (1)连续型工业加工过程包括了信息流、物质流和能量流，同时还伴随着物理化学反应、生化反应，还有物质和能量的转换和传递，生产过程的变化机理十分复杂。v (2)过程工业往往处于十分苛刻的生产环境，例如高温、高压、真空，有时甚至是在易燃、易爆、有毒的环境，因而生产中的人身安全和设备安全被放在员重要的位置，相应的故障预测、预报、诊断和安全监控系统受到特别的重视。v v(3)过程工业的生产过程是连续的，因而强调生产控制和管理的整体性，应把各种装置和生产车间连接在一起成为一个整体来考虑，实现了个别设备或装置的优化不一定
7、是整体最优的，应谋求全厂的最优化。轧钢生产线流程工业控制系统三层结构v浮法玻璃生产线4.3 4.3 电力系统自动化电力系统自动化4.3.1 4.3.1 电力系统自动化的基本概念电力系统自动化的基本概念 电力主要来源于水电、火电和核电，其他如太阳能、风能、海洋能、生物能等产生的电力目前还只能是一种补充。电力系统包含发电、输电、变电、配电等多个环节，而且地域分布广，系统结构复杂，如何保障电力系统的稳定运行至关重要。电力系统自动化是采用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，对电力系统进行就地或远方的自动监视、调节、控制和管理，保证电力系统的安全经济运行和具有合格的电能质量。4.3.2 电力系统自动
8、化的重要性电力系统自动化的重要性 v 电力系统复杂而庞大，在电力系统中任何一点发生的故障，都会在瞬间影响和波及全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩大，造成大面积停电，因此电力系统要求进行快速的自动控制；v 被控制的参数很多，包括频率、电压、有功和无功功率、功率平衡等，监视和控制成千上万个运行参数必须依靠自动化；存在各种干扰，包括系统故障等，系统故障有时会使电力系统失去稳定，造成灾难性后果，因此，如何控制才能保证稳定，或出现不稳定后怎样恢复稳定，已成为电力系统自动化的重大课题之一；正是由于采用了自动监控和远动控制技术，才使得电力系统的规模能不断扩大；要保证电力系统安全、优质、经济运行，单靠运行值
9、班人员进行人工监视和操作是无法实现的，必须依靠自动化装置和设备；安全供电、保证良好的电能质量、经济运营都需要自动化。4.3.3 4.3.3 电力系统自动化的主要内容电力系统自动化的主要内容v 按电力系统运行管理，可将电力系统自动化分为调度自动化、发电厂自动化、变电站自动化；v 调度自动化又可分为输电调度、配电网调度自动化；发电厂自动化又分为火电、水电、核电等；v 从电力系统自动控制的角度，可以将电力系统自动化分为电力系统频率和有功功率自动控制、电力系统电压和无功功率自动控制等。电力系统的管理网络电力系统的管理网络v1.电力调度自动化l 电力调度的主要任务可以概括为：l 控制整个电力系统的运行方
10、式，使其在正常状态下能满足安全、优质和经济供电的要求；l 在缺电状态下做好负荷管理；l 在事故状态下能迅速消除故障，恢复供电。l 调度自动化是综合利用电子计算机、远动和远程通信技术，实现电力系统调度管理自动化，有效地帮助电力系统调度员完成调度任务。调度自动化系统的结构调度自动化系统的结构v 远动终端 RTU：Remote Terminal Unit主站 MS：Main Stationv调度自动化系统的工作方式l 主站MS安装在调度所，远动终端RTU安装在各发电厂和变电站，MS和RTU之间通过远动通道相互通信，实现数据采集、监视和控制。l RTU采集所在厂（站）设备的运行状态和运行参数，如电压、
11、电流、有功和无功功率、有功和无功电量、频率、断路器分合信号、继电保护动作信号等，送至主站，并接收来自主站的调度命令，输出断路器控制信号、功率调节信号或改变设备整定值的信号给其所在厂（站）的自动控制装置，并向主站返回已完成的操作信息。电力调度中心电力调度中心v2.发电厂自动化l 无论是火电、水电、核电或其他发电方式，都是通过某种动力机械驱动发电机发电，因此其自动化系统也具有很多共同点，既要分别控制动力装置、发电机及其他辅助设备，又要对各个控制系统进行协调和统一关管理。l 核电已成为继火电、水电之后的第三大能源，对自动化系统的要求更为严格和苛刻，特别是可靠性。火力发电原理火力发电原理水水力力发发电
12、电原原理理v火电自动化v 火电厂利用化石燃料释放出来的热能发电，以蒸汽动力发电为主，也有少量采用内燃机发电。蒸汽动力发电厂的主要动力设备有锅炉、汽轮机、汽轮发电机及辅助设备。v 火电厂自动化是一门综合技术，具有自动检测、自动保护、顺序控制、连续控制、管理和信息处理等功能。v 包含各种自动化系统，主要有数据采集及计算机监视系统、锅炉控制系统、汽轮机控制系统、发电机控制系统、机炉协调主控制系统、辅助设备及各种支持系统等。火电厂的基本构成火电厂的基本构成火电厂外观火电厂外观v水电自动化v 水电厂需要控制水轮机、调速器以及水轮发电机励磁装置等，水电自动化系统可自动地对水电厂进行监视、控制、调节和管理，
13、以提高水电厂运行的安全性、经济性、劳动生产率和供电质量。v 水电厂自动化可分为单机自动化（包括水轮发电机组自动控制、水轮机调速和水轮发电机励磁调节的自动控制）、公用设备自动化、全厂综合自动化（包括水电厂自动发电控制、水电厂自动电压控制、水电站计算机监控系统）和梯级水电站综合自动化。v 水电厂自动发电控制是在水轮发电机组自动控制的基础上实现全厂自动化的一种方式，它根据水库上游来水量或电力系统的要求，考虑全厂及机组的运行限制条件，以经济运行为原则，确定电站机组运行的台数、运行机组的组合和机组间负荷分配。v 随着先进控制理论和计算机数字监控技术在电力系统中的广泛应用，出现了发电机综合自动控制系统，其
14、功能包括发电机组开停顺序控制、励磁控制、调速控制、稳定裕度监视控制等。水电站的基本构成水电站的基本构成三峡水电站外观三峡水电站外观三峡电站控制室三峡电站控制室4.4 4.4 飞行器控制飞行器控制v 飞机在运动过程中，由六个坐标来描述其运动和姿态。也就是飞机飞行时有六个自由度。v 其中三个坐标是描述飞机质心的空间位置的，可以是相对地面的静止的直角坐标系的XYZ坐标，也可以是相对地心的极坐标或球坐标系的极径和两个极角，在地面上相当于距离地心的高度和经度纬度。v 另外三个坐标是描述飞机的姿态的，其中第一个是表示机头俯仰程度的仰角或机翼的迎角，第二个是表示机头水平方向的方位角，一般用偏离正北的逆时针转
15、角来表示。这两个角度就确定了飞机机身的空间方向，第三个叫倾斜角就是表示飞机横侧向滚动的程度的侧滚角。当两侧翅膀保持相同高度时倾斜角为零机翼机翼与与机翼的迎角示意图机翼的迎角示意图 4.5 4.5 智能建筑智能建筑v智能建筑，又称为智能大厦，是把现代建筑技术和信息技术有机地结合起来，设计和建造安全、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。v世界上公认的第一座智能化大厦是1984年美国庆涅狄格州哈持福特市的“城市广场”。v 智能建筑包含三大基本要素：智能建筑包含三大基本要素：v 楼宇自动化（楼宇自动化（BA)系统，系统，v 通信自动化通信自动化(CA)系统系统v 办公自动化办公自动化(OA)系统，
16、系统，v 三者有机结合，成为智能建筑三者有机结合，成为智能建筑“3A”结构。结构。4.5.1 4.5.1 楼宇自动化系统（楼宇自动化系统（BAS）4.5.2 4.5.2 办公自动化系统和通讯自动化系统办公自动化系统和通讯自动化系统4.5.3 4.5.3 安保自动化系统（安保自动化系统（SAS）4.5.4 4.5.4 防火监控系统（防火监控系统（FAS）4.6 4.6 智能交通运输系统智能交通运输系统v 交通运输是国民经济支柱性产业，对人类的生产、生活有着非常重要的影响。不仅发展中国家，发达国家同样面临道路交通口益拥挤、路网通行能力不能满足交通量增长需要的问题。v智能交通系统(ITS)正是为了改
17、变现在的交通状况、减轻交通拥挤、减少交通事故、制止交通环境的恶化，使现代化的交通更好地为经济建设服务而出现和发展起来的一个综合领域。v 自动控制和自动化技术在其中扮演着十分重要的角色。典型智能交通系统的基本框架示意图 4.7 4.7 生物控制论及信息处理生物控制论及信息处理生物控制论是研究生物体内信息处理和调节控制过程规律的学科。包括人工神经元网络、遗传进化算法、蚁群算法和模拟退火算法等。4.8 4.8 社会经济控制社会经济控制v 社会经济控制是以社会经济系统模型为基础的。v 社会经济系统的模型以系统动力学方法建立，它是研究复杂的社会经济系统动态特性的定量方法。这种方法是由美国麻省理工学院的福
18、雷特教授在上世纪50年代创立的，是借鉴机械系统的动力学基本原理创立的。v 机械系统的动力学就是根据推动力和定量惰性之间的关系来建立运动的动态方程式，进而来研究机械系统的动态特性和速度特性以及各种波动的调节方法。4.9 4.9 大系统控制和系统工程大系统控制和系统工程大系统一般是高维的复杂系统，就是说，在这样的系统里，独立变量的个数相当的多，并且它们之间的关系错综复杂，具有以下特性：1、子系统性，即大系统内部可能包括许多子系统。2、非线性，即系统有时会表现出严重的非线性特性。3、高阶性，即描述整个或部分系统的微分方程要包含许多高阶导数项。4、时变性，即系统的参数有时是随时间变化的。5、关联性，即对系统进行控制时，系统内的各种严重耦合使解偶变得非常困难。自动化教研室自动化教研室 Add your company slogan
