自动控制面临的难题
252页1、1,自动控制面临的难题和挑战 及解决的途径 人工智能技术和智能控制技术简介,2,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,无论是理论的结晶还是实际的成就,在控制领域里都有着丰富的遗产。自古代亚历山大时期利用反馈调节流量的克泰希比斯水钟(滴漏),直到今天的宇宙探测火箭和自动生产工厂,控制系统在技术和科学的发展中都起着关键的作用。 目前,控制的应用已经渗透到我们日常生活的各个方面,如自动开关门,室温的自动调节等等。,自动控制取得了伟大的成就,为什么还会有难题和挑战了?我们从社会发展的角度来说明一下。,3,物质生产是人类社会生存与发展的基础。(物质生产是人们改造自然、创造物质财富的活动。) 人们在物质生产的活动中,总是要依靠和使用他们所处的那个时代的科学技术所能提供的劳动生产工具。 从最原始的木棍、石块到最现代化的工业装备,任何劳动工具都是人类与其生存环境之间相互作用的一种界面(interface),一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,4,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,追求目标的控制系统,5,18世纪欧洲工业革命之后,出现了有源的工具,即机器设备。机器设备可以在许多场合下取
2、代人类繁重的体力劳动,具有功率放大与信息转换的作用。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,珍妮纺纱机(1760年),随着科学技术的不断发展,机器设备越来越复杂,人对机器的控制,从直接的手动控制向自动控制逐渐发展。,骡机 (1779年),6,在工业生产中,需要对机器设备进行操作和控制。对机器设备最基本的控制有两种。 一种是起动或停止的开关控制; 另一种是连续量的调节。 通过这两种基本控制作用可以实现对机器设备中单个变量的控制,它们的自动化是自动控制的基础。 自动化程度的提高使人机结合的界面向更高的抽象层次发展,这意味着机器设备不仅能够取代人的大部分体力劳动,还在逐渐发展,以达到能够取代人的一部分脑力劳动的程度。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,7,在英国工业革命的大环境下,1788年(另一种说法是1769年)Watt(瓦特)发明了自动调节蒸汽机转速的离心调节器(也称离心力调节器/离心调速器,又称飞球调速器、还称飞锤调速器),这是工业生产中最早采用的自动调节系统。,离心调节器 Centrifugal governor,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,8,一、自动控
3、制面临的难题和挑战及解决的途径,离心调节器工作原理,离心调节器 Centrifugal governor,9,蒸汽机转速控制系统方框图,车用柴油机的离心式调速器,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,离心调节器 Centrifugal governor,10,詹姆斯瓦特 James Watt (1736 1819),11,蒸汽机(Steam Engine),英国工业革命时的一座煤矿,第一台成功运作的蒸汽机,12,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(1/3),一、瓦特对蒸汽机的最初设想 1764年,学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机, ,纽可门大气式蒸汽机,游梁式有杆泵采油,13,二、蒸汽机的销售 ,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(2/3),14,二、蒸汽机的销售 1784年,瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。 1785年,他也因蒸汽机改进的重大贡献,被选为皇家学会会员。 1788年发明能控制进气阀的开启程度从而控制蒸汽机速度的离心调速器;1790年发明压力表
4、(压力计,汽缸示工器),至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。1814年被选为法兰西科学院外籍院士。,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(3/3),15,陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的第一台蒸汽机,16,自动控制技术的发展是受到很多技术的影响,各方面的知识积累、启发,才最终发展成为一门独立的学科。 自动控制首先是工业上有需要,随着工业的发展(工业革命的进程),技术的进步,一点一点往前进。 在瓦特发明离心调速器 Centrifugal governor (1788年)80年之后的1868年,,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,17,1868年Maxwell(麦克斯韦,18311879)建立了飞球调节器的微分方程模型, Maxwell在论文“论调节器” (Maxwell J.C., “On Governors”,Proceedings of the Royal Society of London,vol.16,PP.270-283,1868) 中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题,通过线性常微分方程的建立和分析,指出了振荡现象的出现与从系
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