第1章自动化概述

1自动化导论AnIntroductiontoAutomation合肥工业大学自动化系鲁照权博士教授2设置该课程的目的与意义使自动化及其他专业的学生全面了解自动化的基本概念、自动控制的基本原理和基本思想、自动化的应用状况、应用热点、前沿技术及发展趋势。自动化系统随处可见，自动化技术具有很强的渗透性和扩展性，自动化的思想和方法可应用于几乎所有领域，包括工程、社会、经济、管理等。3教材:赵曜主编．自动化概论．机械工业出版社，2009主要参考书:万百五主编．自动化（专业）概论．武汉理工大学出版社，2002．戴先中，赵光宙．自动化学科概论．高等教育出版社，2006．4主要参考书（续）:戴先中．自动化科学与技术学科的内容、地位与体系．高等教育出版社，2003．汪晋宽，于丁文，张建．自动化概论．北京邮电大学出版社，2006．陈虹．电气学科导论．机械工业出版社，2006．王志良，李正熙，解仑．信息社会中的自动化新技术．机械工业出版社，2004．5第1章自动化概述6本章内容1.1什么是自动化?1.2自动化能做什么?1.3自动化的过去、现在和将来1.4自动化与信息技术1.5自动化与信息化7自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程。1.1什么是自动化?自动化是在没有人的直接参与下，利用各种技术手段，通过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，使机器、设备等按照预定的规律自动运行，实现预期的目标，或使生产过程、管理过程、设计过程等按照人的要求高效自动地完成。8自动化系统举例空调——自动调节房间温度：以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度高低，空调控制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于“反馈控制”，最为常见。9全自动洗衣机：按照设定的程序自动完成洗衣任务。这是另一种典型的自动化工作方式——程序控制。高档的还能检测出洗衣量的多少、脏的程度、衣料的质地等，并根据这些信息自动进行分析计算，决定洗涤剂用量、水位高低、洗衣强度和洗衣时间等，从而实现“智能型”的全自动洗衣。10数控机床和数控加工中心：自动完成零部件的加工和处理数控机床——计算机技术与机械技术相结合，相当于给机床添加了“大脑”和“感觉器官”，赋予了“智慧”，可以完成难度更大的任务。数控加工中心——带有刀具库和自动换刀装置的多功能数控机床，能自动完成多种工序和复杂形状的产品加工。一种数控加工中心11战机对目标的自动化攻击：现代战机在攻击目标时，可以在几十、甚至几百公里以外就将导弹发射出去，新型的导弹可以做到“发射后不管”，即在发射后能够自动搜寻、跟踪和击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。战斗机发射导弹战机的武器系统12计算机辅助设计（简称CAD，ComputerAidedDesign）：综合运用计算机软、硬件及网络来实现产品设计过程的自动化。设计者只要输入相关数据（如产品的规格、功能、要求等），计算机就能完全自动地进行分析、计算和设计，并自动输出设计的结果。CAD广泛应用于服装、纺织、建筑、汽车、机械、造船、电子、航空航天等。广义的CAD还包括虚拟装配、计算机辅助制造、产品数据管理等内容。13我国飞机设计过程中的CAD与虚拟装配示意图系统电器工装标准件库研制循环•DMU样机•BOM•干涉报告•协调•审批、发放VPM/PM服务器603共享结构装配,样机分布式PDM金航网装配仿真CITAAPM服务器西飞603所和西飞公司CIMS系统603所三维设计和虚拟装配，西飞加工制造系统电器工装标准件库研制循环•DMU样机•BOM•干涉报告•协调•审批、发放VPM/PM服务器603共享结构装配,样机分布式PDM金航网装配仿真CITAAPM服务器西飞系统电器系统电器工装工装标准件库标准件库研制循环•DMU样机•BOM•干涉报告•协调•审批、发放VPM/PM服务器603VPM/PM服务器603共享结构装配,样机分布式PDM金航网装配仿真CITAAPM服务器西飞PM服务器西飞603所和西飞公司CIMS系统603所三维设计和虚拟装配，西飞加工制造141.2自动化能做什么？自动化使我们的生活与工作更加方便、高效、省心、省力；自动化使生产过程的效率更高、成本更低、产品质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更小、并显著地降低能源和原材料消耗；自动化使我们能够做很多我们以前无法做的事情，如通过载人航天器翱翔太空、“九天揽月”，借助无人潜水器探测深海，利用机器人处理危险品、爆炸物、核废料，利用人造卫星实现全球通信等；15机器延伸了人的四肢、计算机延伸了人的大脑，传感器及检测技术延伸了人的感官，通信技术延伸了人的神经传导和信息传递功能，而自动化则全面提升、取代和扩展了人的功能；早期的自动化使人类从体力上获得了解放，现代的自动化则已发展为综合自动化，可以自动完成分析、设计、计算、优化、协调、决策等，从而使人不仅从体力上，也从脑力上获得了很大程度的解放；自动化广泛应用于工业﹑农业﹑交通、国防﹑商业﹑医疗﹑航空航天、服务和家庭等各个领域。16自动化的常见应用类型工厂自动化（FactoryAutomation）包括生产设备、生产线、生产过程、管理过程等的自动化。通常由数控机床、数控加工中心、工业机器人、自动传送线、无人运输车、自动化仓库及计算机监控中心等构成自动化生产线或自动化工厂。管理过程自动化一般包含一个网络化的计算机信息管理系统，可实现全厂生产、财务、人事、技术与设备等的自动化管理。17发展趋势：“管控一体化”或“综合自动化”生产自动化与管理自动化的有机结合称为“管控一体化”或“综合自动化”，可以实现从需求分析、产品预订、产品设计、产品生产到产品销售、用户信息反馈及售后服务等全方位的高水平自动化，从而最快速地对市场作出反应，最大限度地满足客户需求、提高生产效率、确保产品质量、减少原材料、能源等各种消耗。18“管控一体化”系统示意图19办公自动化（OfficeAutomation，简称OA）利用计算机、扫描仪、复印机、传真机、电话机、网络设备、配套软件等各种现代化办公设备和先进的通信技术，高效率地从事办公业务，广泛、全面、迅速地收集、整理、加工、存储和使用各种信息，为科学管理和决策服务。20办公自动化通常有三个层次：①事务级OA，包括文字处理、电子排版、电子表格处理、文件收发登录、电子文档管理、办公日程管理、人事管理、财务统计、报表处理等；②信息管理级OA，在事务级OA的基础上，利用数据库技术进行信息管理，如各种政务信息的管理，企业对经营计划、市场动态、供销业务、库存统计等信息的管理等；③决策支持型OA，在信息管理级OA基础上，利用数据库提供的信息，由计算机执行决策程序，进行综合分析、作出相应的决策。21家庭自动化（HomeAutomation）指家庭生活服务或家庭信息服务的自动化，如空调、洗衣机、照明控制系统、自动烹调装置、防盗系统、自动抄表系统、计算机网络等。高层次的家庭自动化利用中央微处理机及网络统一管理和控制所有的家电设备，既可以在家里通过键盘、触摸式屏幕、按钮等设备将指令发送至中央微处理机，也可以在外面通过电话、手机或互联网发出指令，获取工作状态的信息，接受提示或报警等。22家庭自动化系统示意图23楼宇自动化（BuildingAutomation）对建筑物中所有能源、机电、消防、安全保护设施等实行高度自动化和智能化的统一管理，以创造出了一个有适宜温度、湿度、亮度、空气清新、节能高效、舒适安全和方便快捷的工作或生活环境。包含的子系统：空调与通风监控系统、给排水监控系统、照明监控系统、电力供应监控系统、电梯运行监控系统、综合防盗保安系统、消防监控系统、停车场监控系统等。24楼宇自动化系统示意图25交通自动化（TrafficAutomation）综合运用计算机、通信、检测、自动控制等先进技术，以实现对交通运输系统的自动化管理和控制。目标是安全、快捷、舒适、准点和经济。主要内容有交通状况的监控与管理、交通信息的提供与服务、运输系统的最优化运行与控制等。交通自动化正在走向智能化、信息化和综合自动化，如红绿灯自动优化配时、全球卫星定位系统、地理信息系统及综合监控系统等正迅速推广普及。26城市智能交通综合管理系统示意图27军事自动化（MilitaryAutomation）核心是武器装备的自动化和军事指挥的自动化。传统的机械化战争正发展为信息化和自动化战争，谁胜谁负主要取决于信息化和自动化水平的高低，谁能够更快、更准确地获取信息，并在最短的时间里完成分析和决策，以最快的方式实施尽可能精确的打击，谁就掌握了战争的主动权。作战机器人、无人飞机、无人潜艇等各种智能型武器系统不断涌现，未来的战争将是智能机器与智能机器的较量，比的是自动化水平的高低和计算机、通讯、检测、控制等信息技术的优劣。28海陆空天一体的指挥体系29我军新型隐形导弹艇作战机器人我军无人攻击机美军F117隐形战斗轰炸机30我国“东风”弹道导弹美军“三叉戟”弹道导弹国产“雷霆”激光制导炸弹31无人立体作战系统构想图32农业自动化（AgricultureAutomation）农业现代化的重要标志：大量应用自动化技术和现代信息技术。“精准农业”的概念：根据土壤肥力、墒情、苗情、杂草、病虫害等信息，自动地进行精确或精准的耕作、播种、施肥、灌溉、除草、喷洒农药、收割等作业，从而达到省力、高效、安全、节省资源和保护生态的目的。33日本基于GPS的无人驾驶自动插秧机34各种自动化农业机械Autonomousricetransplanter35自动化喷灌系统温室立体栽培361.3自动化的过去、现在和将来3718世纪末发明蒸汽机及离心调速器第一次工业革命大规模使用机器系统瓦特1788年发明蒸汽机及其反馈控制系统Watt的蒸汽机转速控制系统原理图蒸汽蒸汽机负载转速杠杆套筒弹簧飞锤圆锥齿轮转速检测转速阀门38蒸汽机时代的工厂3919世纪下半叶发明电、发电机及电动机第二次工业革命（电气化）大量采用电气控制装置4020世纪上半叶的“二战”、工业化及经典控制理论的成熟推动了自动化系统的广泛应用4120世纪中叶发明计算机在自动化系统中大量采用计算机——计算机化古董计算机现代工业控制计算机主板4220世纪80年代在自动化系统中大规模实现计算机联网——网络化4320世纪90年代通过计算机网络将管理系统与控制系统一体化，实现全系统的综合最优控制层管理层中央控制器设计计划管理调度控制单元控制器数控系统Monitor4421世纪的自动化——数字化、网络化、综合集成化、信息化、智能化、绿色化等人机一体化：自动化不应单纯追求完全的“无人化”，而应充分发挥人的智能优势，将人作为自动化系统的一部分。绿色化：自动化系统应当从设计、运行、维护到报废整个过程考虑对环境的影响和可持续发展问题，实现最有效地利用资源，最大限度地减少对人类的损害和对环境的污染。45自动化发展历程中的几个特征人类总是在寻求把今天的事情交给明天的机器设备去完成，并尽可能地通过机器设备来延伸自己的聪明才智和扩展自身的器官功能。自动化的发展始终是和社会需求紧密联系在一起的，几次大的发展阶段更是如此，而且都是由重大社会需求驱动的。新技术、新发明、新创造往往给自动化带来新的机遇、新的挑战和新的发展，并可能从根本上改变自动化的存在形式和实现方式。46自动化涉及多学科的交叉融合，其发展过程充分体现了科学技术的综合作用，既离不开机械、电气、自动控制及其他信息技术，同时也紧密依托于数学、系统科学等理论学科，而且还需要结合相关应用领域的专门知识。自动化具有很强的渗透性和普遍适用性，其应用从工业领域扩展到了非工业和非工程领域，如办公自动化、楼宇自动化、交通自动化、医疗自动化、农业自动化、家庭自动化、商业自动化、管理自动化、社会与经济控制等。471.4自动化与信息技术48什么是信息技术?信息技术（InformationTechnology，简称IT）是指对信息的获取、传输、存储、处理和应用的技