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1、仪表自动化,1.自动化的发展与运用,内容提要,2.仪表自动化基础知识,3.常见自动化仪表,4.自动控制系统理论,5.自控系统故障引发的事故案例,一.自动化的发展与运用,一.自动化的发展与运用,自动化在古代中国的出现与应用,早在公元前1400多年前，古代人类在长期生产和生活中为了减轻自己的劳动逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望经过经过漫长岁月的探索他们互不相关地造出一些原始的自动装置。,初级自动化的出现与发展,（1）指南车,指南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。其原理是，人力驱动时，依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动，从而保障指向木人
2、的手始终指向出发时设置的方向，古人有云车虽回运而手常指南。,初级自动化的出现与发展,（2）铜壶滴漏,铜壶滴漏即漏壶，中国古代的自动计时装置，又称刻漏或漏刻。漏壶的最早记载见于周记。这种计时装置最初只有两个壶，由壶上滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（时间）。,初级自动化的出现与发展,（3）漏水转浑天仪与候风地动仪,公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器漏水转浑天仪。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。公元132年他又发明的一种观察地震的自动检测仪器候风地动仪，它的工作原理涉及到检测地震信号的大小和方向。,初级自动化的出现与
3、发展,（4）水运仪象台,北宋哲宗元祐三年，苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置水运仪象台。它既能演示或能观测天象，又能计时及报时。,水运仪象台被英国科学家李约瑟等人认为可能是欧洲中世纪天文钟的直接祖先。,初级自动化的出现与发展,自动化在世界的其他地方的发展,公元1世纪，古埃及和希腊的发明家创造出教堂庙门自动开启、铜祭司自动分发圣水、投币式圣水箱等自动装置。,中国古代人民在原始的自动装置的创造和发明上作出了辉煌的成就，也为后来自动化的发展奠定了基础。自动化的发展在世界的其他地方也有很大的发展。,初级自动化的出现与发展,17世纪，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的
4、有：,法国物理学家B.帕斯卡在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯于公元1657年发明的钟表；英国机械师E.李在公元1745年发明带有风向控制的风磨；,俄国机械师H.波尔祖诺夫于公元1765年发明了蒸气锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。,初级自动化的出现与发展,1733年，机械师凯伊发明了飞梭，大大提高了织布速度，棉纱顿时供不应求；1765年，织工詹姆士哈格里夫斯发明了“珍妮纺纱机”揭开了工业革命的序幕；1778年 约瑟夫勃拉姆 抽水马桶；,1785年，英国机械师J.瓦特发明离心式调速器(又称飞球调速器)并把它与蒸汽机的阀门连接起来构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。瓦特的蒸
5、汽机的发明开创了近代自动调节装置应用的新纪元！,初级自动化的出现与发展,1797年 亨利莫兹莱 螺丝切削机床；1807年富尔顿蒸汽轮船；1812年 特列维雪克 科尔尼锅炉；1844年 威廉费阿柏恩 兰开夏锅炉；,1866年英国J.M.Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern),初级自动化的出现与发展,自动化理论的早期发展,随着自动化装置和技术在工业革命中的广泛应用，也暴露了许许多多的问题，许多人就对自动调节系统的稳定性提出了质疑。许多科学家开始对自动调节系统从理论上加以研究，从而促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作。,自动化理论的形成,荷兰科学家C.Huge
6、ns(1629-1695)利用反馈控制原理发明了高性能的钟摆与天文望远镜。,英国 G.B.Airy（1801-1892)系统的研究了天文望远镜的速度控制，并根据倒立摆离心力原理，发现了系统的不稳定性。首次提出反馈系统的稳定性问题研究，以及利用微分方程来研究反馈控制动力学系统。,自动化理论的形成,J.C.Maxwell(1831-1879),法国科学家，于1868年发表文章“On Governors（论调节器）,成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。,自动化理论的形成,自动化理论的诞生,可以说：工业革命的到来(178
7、8年)，为自动化的发展带来了巨大的动力。此后的一百多年中，人们一直在探索，特别是，经过从1934年到1947年的十几年研究(二战期间),最终提出了自动化的理论基础著作控制论。这标志着自动化技术的正式诞生,自动化理论的形成,无须人的直接参与，通过控制装置，使机器、设备、生产过程等按照预定的规律运行，完成要求的任务，就叫自动控制（自动化）。,什么是自动控制（自动化）?,自动化理论的形成,自动化原理,下面我们以一个简单的例子，来说明自动化的原理。,自动化设备和机器的关键就在于反馈的存在，正是有了他的存在，才使自动化成为可能。反馈就是自动化的奥妙所在。所以自动控自原理也叫反馈控制原理。一个自动化系统无
8、论结构多么复杂都是由下面几部分组成：第一，检测比较装置。第二，控制器。第三，执行机构。第四，控制量。,自动化理论的形成,控制器系统的大脑 传感器系统的耳目 执行器系统的手脚 受控对象温柔的羔羊 稳定性不可或缺 极点控制系统的精灵,自动化理论的形成,自动化的前沿技术,模糊控制其实我很清楚最优控制-“没有更好只有最好”自适应控制以变制变鲁棒控制以静制动线性控制理论纵横非线性控制理论的发展PID控制简而优秀预测控制未卜先知故障诊断神医妙手人工智能智慧之巅专家系统身边的专家推理控制经验的作用集散控制系统（DCS）,自动化理论的形成,模糊控制,模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊
9、系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。,自动化理论的形成,最优控制,最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择控制规律才能使控制系统的性能和品质在某种意义下为最优，求解最优控制问题的方法。最优控制已经在航天，航海，导弹，电力系统，控制装置，生产设备和生产过程中得到了比较成功的应用，而且在经济系统和社会
10、系统中也得到了广泛的应用。,自动化理论的形成,自适应控制,在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。,自动化理论的形成,鲁棒控制,所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称
11、为鲁棒控制器。,自动化理论的形成,线性控制理论,线性控制理论是系统与控制理论中最为成熟和最为基础的一个组成分支，是现代控制理论的基石。系统与控制理论的其他分支，都不同程度地受到线性控制理论的概念、方法和结果的影响和推动。严格地说，一切实际的系统都是非线性的，真正的线性系统在现实世界是不存在的。但是，很大一部分实际系统，它们的某些主要关系特性，在一定的范围内，可以充分精确地用线性系统来加以近似地代表。并且，实际系统与理想化了的线性系统间的差别，对于所研究的问题而言已经小到无关紧要的程度而可予以忽略不计。因此，从这个意义上说，线性系统或者可线性化的系统又是大量存在的，而这正是研究线性系统的实际背景
12、。,自动化理论的形成,非线性控制理论,对非线性控制系统的研究，到上个世纪四十年代，已取得一些明显的进展。主要的分析方法有：相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等。这些方法都已经被广泛用来解决实际的非线性系统问题。但是这些方法都有一定的局限性，都不能成为分析非线性系统的通用方法。例如，用相平面法虽然能够获得系统的全部特征，如稳定性、过渡过程等，但大于三阶的系统无法应用。李亚普诺夫法则仅限于分析系统的绝对稳定性问题，而且要求非线性元件的特性满足一定条件。虽然这些年来，国内外有不少学者一直在这方面进行研究，也研究出一些新的方法，如频率域的波波夫判据，广义圆判据，输入输出稳定性理论等。但总的来说，非线性
13、控制系统理论目前仍处于发展阶段，远非完善，很多问题都还有待研究解决，领域十分宽。非线性控制理论作为很有前途的控制理论，将成为二十一世纪的控制理论的主旋律，将为我们人类社会提供更先进的控制系统，使自动化水平有更大的飞越。,自动化理论的形成,预测控制,预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。下面以模型算法控制为例子来说明预测控制的基本原理:,由于预测控制具有
14、适应复杂生产过程控制的特点，所以预测控制具有强大的生命力。可以预言，随着预测控制在理论和应用两方面的不断发展和完善，它必将在工业生产过程中发挥出越来越大的作用，展现出广阔的应用的前景,自动化理论的形成,故障诊断,现代的机械制造系统具有控制规模大、自动化程度高和柔性化强的特点。由于制造系统的结构越来越复杂，价格越来越昂贵，因此因为各种故障而导致的停机都是不可忍受的负担。故障诊断系统就能够在这个情况下满足需要，也就是能够合理制定维修计划，最大限度减少停机维修的时间，以及在故障发生之后能够迅速做出反应。因此，故障诊断系统在现在得到了迅速的发展。,故障诊断是随着生产过程的复杂化而产生的一种技术，由于和
15、现代传感器技术、专家系统技术相结合，已经展现出了很强的生命力，必将为提高企业的生产效率和稳定性提供越来越强大的支持。,自动化理论的形成,人工智能,人工智能是一门边缘学科，用来模拟人的思维，已经引起了许多学科的日益重视，并且有越来越多的实用意义，而且许多不同专业背景的科学家正在人工智能领域内获得一些新的思维和新的方法。作为一个计算机科学中涉及智能计算机系统的一个分支，这些系统呈现出与人类的智能行为有关的特性。人工智能的主要领域包括问题求解、语言处理、自动定理证明、智能数据检索等领域。这些综合概念在自然语言处理、情报检索、自动程序设计、数学证明都有重要应用。人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难
16、题的下棋程序。人工智能包含的领域非常广泛，问题的求解只是其中的一个重要方面。其他的方面包括比如谓词演算、规则演绎系统、机器人问题以及专家系统等一系列问题。人工智能作为一个复杂的边缘学科，正在有着越来越广阔的前景，随着新的数学理论的完善以及计算机新的硬件的出现，人工智能必将能够更好地模拟人的思维。,自动化理论的形成,专家系统,专家系统(Expert System)是一个基于知识的智能推理系统，它涉及到对知识获取、知识库、推理控制机制以及智能人机接口的研究，是集人工智能和领域知识于一体的系统。近些年，专家系统的迅速发展和广泛应用大大推进了各个应用领域向智能化方向发展，成为人工智能从实验室研究进入实
17、用领域的一个里程碑。在一个成熟的专家系统中，有几项技术是极为关键的。首先，为了便于知识在计算机中的存贮、检索、使用和修改，并进行推理和搜索，知识表示技术必须具有很高的效率，目前主要有产生式表达法、语义网络表达法、框架表达法、谓词逻辑表达法等技术，并且新的技术还在开发当中；其次，因为要在专家系统中用计算机模拟人的思维，不精确推理方法是必不可少的，针对实际需要，概率算法一度成为最重要的方法，近几年来，模糊数学的引入为这一领域的发展开辟了新的前景；最后，和知识表示技术与推理方法相关，作为人的思维搜索过程的模拟，搜索策略的好坏对系统的成败也是意义重大的，现在人们已经利用的技术有状态空间法、问题递归法、
18、最佳优先法等。总之，人工智能系统的特殊性，决定了它是一个跨越多学科、充满活力、对基础研究的依赖性很强的一个领域，它的发展，必将向我们展示科学技术王国的更多魅力，也会令我们的生活更为美好。,自动化理论的形成,集散控制系统(DCS),DCS，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。DCS自1975年问世以来，已经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是
19、经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。进入二十一世纪以来，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。,自动化理论的形成,自动化技术的应用领域,自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以
20、及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展、放大人的功能和创新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。,自动化技术的现代应用,导弹准确击中目标，需要雷达系统的准确跟踪；,自动化技术的现代应用,国防军事：,比如：人造地球卫星的发射成功与安全返回。,自动化技术的现代应用,航空航天：,交通系统：,安全、快捷、舒适、准点,自动化技术的现代应用,制造系统：,数控机床,加工生产线,自动码垛机器人,自动包装机器人,自动化技术的现代应用,工业机器人：,自动化技术的现代应用,自动化技术的现代应用,化工生产：,智能建筑：,通信电梯供水通风空
21、调安防抄表,自动化技术的现代应用,家用电器：,电扇：控制转速,电冰箱、空调、电饭煲：控制温度,洗衣机：控制水位、强弱、时间等,自动化技术的现代应用,自动控制的应用领域,军事工业航空航天制造业机器人流程工业电子工业家用电器交通系统，楼宇系统，经济系统，社会系统,控制无处不在！,钢铁、石化、造纸、制药等,自动化技术的现代应用,1、什么叫化工?2、化工生产的特点 3、什么是化工生产自动化？4.化工生产自动化的目的与意义,化工自动化,1.什么叫化工？,化工是“化学工艺”、“化学工业”、“化学工程”等的简称。凡运用化学方法改变物质组成、结构或合成新物质的技术，都属于化学生产技术，也就是化学工艺，所得产品
22、被称为化学品或化工产品。,化工自动化,生活离不了化工,化工自动化,化工生产过程的特点是产品从原料加工到产品完成，流程都较长而复杂，并伴有副反应。工艺内部各变量间关系复杂，操作要求高。关键设备停车会影响全厂生产。大多数物料是液体或气体状态，在密闭的管道、反应器、塔与热交换器等内部进行各种反应、传热、传质等过程。简单总结为高温、高压、易燃、易爆、有毒、有腐蚀、有刺激性。,化工自动化,2.化工生产特点:,结论：,光靠人工操作已经无法适应现代控制要求了，必须借助与仪表与控制系统来完成操作。,人工控制,自动控制,化工自动化,化工自动化是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，
23、配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。,化工自动化,3.什么是化工生产自动化？,4.化工自动化的目的与意义,1、加快生产速度，价低生产成本，提高产品质量 因为用人工操作的生产过程中，虽然人的思维是无限的，但人的五官、手、脚，对外界的观察与控制，其精度和速度是有一定限度的。而且由于体力关系，人直接操纵设备，其功率也是有限的。如果用自动装置代替人的操作，完成人工方式根本无法进行的复杂生产过程，并使生产过程在最佳条件下进行，从而可使生产效率得到提高,化工自动化,2、减轻劳动强度，改善劳动条件 石油加工、储运装置的生产过程，多是高温、高压、易燃易爆。还有的是剧毒、有腐蚀性等。实现了生产过程自动化，人员只要对自动化装置的运行进行监控，不需要再直接从事大量而又危险的操作。3、保证生产安全 能防止事故的发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的。,化工自动化,4.化工自动化的目的与意义,4、改变劳动方式，提高操作人员的文化技术水平 没有生产过程自动化，现代化的工业大生产是不可能的。因此，自动化程度的高低，是衡量工业企业生产水平是否 主要标志之一。,化工自动化,4.化工自动化的目的与意义,
