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1、自动化概论,Question?,什么是自动化？它在人类社会中的地位和作用如何？什么是自动化科学？什么是自动化技术？二者有什么区别？自动化学科的分类、结构和体系如何？自动化专业有哪些特点？自动化专业的学生应该学什么？能干什么？本课就是对上述问题进行说明，以便于学生对后续课程学习的安排和选择。,Courses contents,一、自动化的概念和发展简史二、自动控制系统及典型控制方法三、自动化技术的应用范畴及学科前沿技术四、自动化学科与专业的知识结构与课程体系,目 录,Reference,1 汪晋宽，于丁文，张健.自动化概论.北京：北京邮电 大学出版社，2006.2 万百五.自动化（专业）概论.武
2、汉：武汉理工大学出 版社，2002.3 戴先中.自动化科学与技术学科的内容、地位与体系.北京：高等教育出版社，2003.4 教育部高校自动化专业教学指导委员会.自动化学 科专业发展战略研究报告，2007 网络上的相关文章及书后的参考文献100多篇,1、自动化的概念和发展简史1.1自动化的基本概念（1）自动化（Automation or automatization）机器或装置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的过程。中国大百科全书 是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。自动化（专业）概论,The
3、 automatic operation or control of equipment，a process，or a system The techniques and equipment used to achieve automatic operation or control The condition of being automatically controlled or operated Automation or automatization总之一句话 用机器代替人,（2）自动控制（Automatic Control）,自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。一般
4、来说，自动化主要研究的是人造系统（如：机械加工系统、电力系统、军事系统等）的控制问题；自动控制除上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。不过 人们提到自动控制，通常指工程系统的控制，在这个意义上二者是相近的。,（3）科学（Science）,是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务是：揭示客观事物发展的客观规律，探求真 理，作为人们改造世界的指南。,（4）技术（Technology）,是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一个专门领
5、域。技术的任务是：利用和改造自然，以其生产的产品为人 类服务。制造成品,技术科学为工程应用技术直接提供理论基础和方法，是桥梁，与基础科学比更着重于应用，也不同于工程技术本身，它致力于带有一定普遍性或共性的新的原理和技术的研究。,广义科学技术体系结构,（Technology or Engineering Technology）,（Natural Science）,（Engineering Science or Applied Science）,（5）工程（Engineering）,（6）系统（System）,是指应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的专门技术。但工程不等同于技术，它还受到政治、
6、经济、法律、美学等非技术内容影响。技术存在于工程之中。,是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。是本学科乃至整个现代科学技术一个非常重要的概念。对于一个具体的系统，系统以外的部分称为系统环境，系统与系统环境的分界称为系统边界，系统环境对系统的作用称为系统输入，反之称为系统输出。,（7）信息（Information）传送的内容,是指符号、信号或消息所包含的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。不守恒信息普遍存在于自然界、人类社会和人的思维中。信息论创始人：香农（Shannon）,（8）控制（Control）施加影响,是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过
7、信息的采集和加工而施加到系统的作用。可把所有的系统分为：不可控系统和可控系统,（9）反馈（Feedback）把输出回送到输入,是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。反馈是一切自然系统、生物系统、社会系统普遍属性。反馈的过程是信息传递的过程，若反馈信息是使系统输出的误差趋于减小，则称负反馈。反之，称为正反馈。,（10）调节（Regulation）向好控制,是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力等参量保持恒定或在给定范围的过程。,调节须以反馈为基础，而控制包括以反馈为基础的闭环控制和无反馈的开环控制。,（11）管理（Mana
8、gement）,是指为充分利用各种资源来达到一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。,（12）决策（Decision Making）,是指为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。,1.2 自动化发展简史自动化装置 自动化技术 自动化理论 自动化科学,自动化的发展史是一个需求驱动型的发展过程。,从刀耕火种的年代起，人们就梦想着省时省力地生产出更多的东西，来满足人们生活的需要。人们在几千年的生产过程中，发明了很多节省力气的工具，如在河流上建造的水车。可以通过水的冲击带动轮子转动，实现灌溉、舂米等工作。,1.2.1 自动装置的出现和应用,龙骨水车与轮式水车,最早的自动控制可追溯到公元前
9、发明的指南车,指南车复原模型,又如：我国古代的漏壶、候风地动仪；古埃及和希腊发明的教堂庙门自动开启、投币式圣水箱等。,1.2.2 自动化技术形成时期(18世纪末20世纪30 年代),1788年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制问题，瓦特（Watt）在发明的蒸汽机上安装一个飞球并将它与 蒸汽机的阀门连接在一起。这样当蒸汽机的转速太快时，使阀门开的小些，蒸汽机会减速。,动力机速度自动控制是自动化应用的第一个里程碑！,蒸汽机机械调速系统示意图,（1）自动调节器的广泛应用 第一次工业革命的需要人们开始采用自动调节器或装置来使一些物理量保持在给定值附近。自动调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。
10、1854年俄国机械学家和电工学家康斯坦丁诺夫发明电磁调速器。1868年法国工程师J.法尔科（Farcot）发明反馈调节器应用于操纵蒸汽船的舵。并称为伺服机构。20世纪2030年代美国开始采用PID调节器。,（2）自动调节器的稳定性问题,1868年，英国物理学家J.C.麦克斯韦（Maxwell）应用线性微分方程研究蒸汽机转速调节不稳定问题。是人类第一次将自动化技术出现的不稳定问题转换成数学问题来研究。1877年英国数学家E.J.劳思提出代数稳定判据（劳思稳定判据）。1895年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式（胡尔维茨稳定判据）。1892年俄国数学家.李雅普诺夫提出稳定性的严格数
11、学定义，并发表专著。李雅普诺夫稳定性理论至今仍是分析系统稳定性的重要方法。,（3）反馈控制和频率法,1927年美国贝尔电话实验室电气工程师H.S.布莱克在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念。,1932年美国电信工程师奈奎斯特H.提出著名的奈奎斯特稳定判据可以直接根据系统的传递函数来判定反馈系统的稳定性。,1942年H.哈利斯（Harris）引入传递函数的概念，用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系。,1.2.3局部自动化时期(20世纪4050年代),（1）经典控制理论的形成和发展,二战期间德国的空军优势和英国的防御地位迫使美英和西欧等国集中精力解决了防空火力
12、控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中形成了经典控制理论。,经典控制理论主要是解决单变量的控制问题。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论在苏联称为自动调整理论经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联合自动控制会议上提出来的。,1945年，美国数学家维纳（Winner）把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。1948年发表控制论奠定了控制论基础。,1948年，美国电信工程师香农C.E.发表通信的数学理论奠定了信息论基础。,1954年，中国系统科学家钱学森在美国出版工程控制论。该书目的是研究控制论这门科学中能够直接用在工程上设计受控系统的那些部分。,电子式控制器的应
13、用可算是自动化应用的第二个里程碑！,（2）局部自动化的广泛应用,（3）电子数字计算机的发明,19431946年美国宾夕法尼亚大学电气工程师J.P.埃克脱和物理学家J.W.莫奇利为美国陆军成功研制世界上第一台基于电子管的电子数字计算机电子数字积分和自动计算器(ENIAC)。,1950年宾夕法尼亚大学莫尔小组研制成功第二台存储程序式电子数字计算机离散变量电子自动计算机(EDVAC)。,电子数字计算机的发明，不但为现代控制理论的发展提供了强有利的工具，而且为复杂控制系统实现先进的控制和算法奠定了基础。,1.2.4 综合自动化时期(20世纪50年代末起至今),1956年苏联数学家庞特里亚金.提出极大值
14、原理。1956年美国数学家贝尔曼R.创立动态规划。极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。,1959年美国数学家卡尔曼R.E.提出著名的卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器适合于用电子计算机来实现可用来解决随机最优控制问题。1960年卡尔曼提出能控性和能观测性两个结构概念揭示了线性系统许多属性间的内在联系。卡尔曼还引入状态空间法提出具有二次型性能指标线性状态反馈律给出最优调节器概念。上述新概念和新方法的出现标志着现代控制理论的诞生。,(1)现代控制理论形成,(2)现代控制理论的发展与应用 建模和系统辨识 建模(Modelling)是指建立系统数学模型，使其能正确反映系统输入、输出之间的基本关系。从
15、一类给定的模型中，确定一个被研究系统本质特征等价的模型，若模型的结构和参数需要同时确定，即是系统辨识(System Identification)。,最优控制理论 最优控制（Optimal Control）是在给定限制条件和性能指标下，寻找使系统性能在一定意义下为最优的控制规律。用于综合最优控制系统的主要方法是极大值原理和动态规划。最优控制理论的出现是古典控制理论发展到现代控制理论的重要标志。,自适应控制理论 随被控对象动态特性变化而改变其控制器自身特性的控制系统称为自适应控制系统，而关于自适应控制系统的分析与设计的理论，称为自适应控制理论（Self-adaptive Control Theo
16、ry）。研究的基本问题：a.认识被控对象的动态特性（辨识）；b.构造适应这种特性的控制器 c.用算法实现这种控制器,遥感、遥测和遥控 20世纪20年代，遥测、遥控技术开始得到实际应用。遥测（Telemetry）是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控（Remote Control）是对被测对象的某些参数进行远距离控制。20世纪60年代，遥感技术得到迅速发展。遥感（Remote Sensing）是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。,综合自动化（Integrated Automati
17、on）20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的化工厂；20世纪60年代末，在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合自动化方向发展。20世纪70年代始，以计算机为代表的自动化技术与工业机器人被广泛应用，并逐步形成柔性自动化、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacture System）及计算机集成过程控制系统（Computer Integrated Process System）。综合自动化系统的理论基础是大系统理论和智能控制理论。,大系统理论 20世纪60-70年代,莱夫科维茨(Lefkowitz)和梅萨罗维茨(M
18、esarovic)分别提出了大系统(Large-scale System)的多层结构和多级结构，并分解成子系统的概念。大系统理论主要解决大型工程和社会经济中信息处理、可靠性等综合优化的设计问题。数字计算机、网络的普遍应用和系统、管理的理念的引入可算是自动化应用的第三个里程碑！模式识别（Image Recognition）使用电子数字计算机，并使它能直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图像等，称为模式识别。,智能控制（Intelligent Control）那些能够自主地代替人类从事危险、麻烦、远距离或高精度等作业的的机器称为智能机器（Intelligent Machine）。智能控
19、制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。有人将智能控制和大系统理论称为第三代控制理论。,知识或智能的普遍应用或许是自动化应用的第四个里程碑！,1.3、自动化在社会进程中的作用与地位（1）工业化进程中 工业化是使现代工业在国民经济中占主要地位的行动或过程。高级汉语大词典,目前来说：自动化是工业化的最重要标志，是新型工业化（国内总体来说，已机械化、电气化）,（2）信息化进程中 1967年，日本科学技术与经济研究团体提出“信息化（Informatization）”概念 a.自动化技术与信息技术的关系,自动化技术涉及到信息技术的全部。自动化技术的重点在信息的控制上，信息的获取、传输与处理是为了信息的控
20、制应用的需要，是如何有效地 利用信息来促进能量与物质的有效利用。,b.自动化与信息化的关系 信息化不单指工业，还包含第一、三产业。仅就工业角度而言,信息化实质是更先进的自动化，先进自动化是信息化的最重要标志（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）,图5 工业化与工业信息化对应关系示意图 计算机化、网络化是先进自动化的基础、手段与工具，系统化或集成化是先进自动化的内涵与目的。先进自动化是制造业“信息化”的最重要标志之一。,（3）现代化进程中 不同国家、时代的人对“现代化”有不同的理解。2003年初，中国科学院“中国现代化战略研究课题组”“中国现代化报告2003”世界范围内的现代化划分为：以工业化
21、、城市化 为主要特征的第一次现代化进程 以知识化、信息化 为主要特征的第二次现代化进程 因此可以说，自动化在第一次现代化进程中的地位类同于自动化在工业化进程中的地位。即便不可以简单类比，但可以肯定的是没有自动化的现代化是不可想象的，也是不能接受的。,1.4自动化科学技术的发展趋势,自然科学技术的发展趋势：一般认为，信息科学和生命科学仍然是21世纪的前沿科学，而信息科学和生命科学的交叉研究是未来几十年的大趋势。,1.4.1 计算机技术进展 自动化学科的发展与计算机技术的发展密切相关，且与该学科大多数研究领域相互渗透、相互交叉。,1.4.2信息网络环境下的自动化理论 随着互联网的发展，通信技术、计
22、算机技术、海量信息处理技术、分布式自律控制系统和多智能体技术，都是对自动化工程技术人员提出的新挑战。尤其是如何 研究发展网络环境下的自动化理论，更是一个新课题。,1.4.3 智能自动化技术 人工智能技术的发展将 回使人性化的自动机器出现。,1.4.4生物技术与控制论 生物体不论在宏观上，即整个生物个体的宏观状态，还是在微观上，即在基因层次层次上，生物的调控作用都符合控制论原理，可以用控制理论去分析。,1.4.5脑科学对控制理论的影响及反作用 日本人提出21世纪是脑的世纪。当然要揭示人类大脑的奥秘，尚需从事数学、电子学、控制论、生命科学、信息论和计算机科学的专家共同努力，也许还需要哲学家的参与。,1.4.6绿色自动化技术 是要通过生产过程设计和自动化控制技术来达到生产过程对周围环境的污染和损害程度的最小化。,简言之，综合化（CIMS+CIPS）、网络化（Internet）、人性化（AI+AP）和绿色化（洁净生产+绿色制造）是21世纪自动化技术的发展趋势。,
