自动化概论(1)

自动化概论自动化工程学院孙灵芳(1)什么是自动化？它在人类社会中的地位和作用如何？(2)什么是自动化科学？什么是自动化技术？二者有什么区别？(3)自动化学科的分类、结构和体系如何？(4)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。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（Automationorautomatization）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》①Theautomaticoperationorcontrolofequipment，aprocess，orasystem②Thetechniquesandequipmentusedtoachieveautomaticoperationorcontrol③Theconditionofbeingautomaticallycontrolledoroperated——Automationorautomatization总之一句话—用机器代替人（2）自动控制（AutomaticControl）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（TechnologyorEngineeringTechnology）（NaturalScience）（EngineeringScienceorAppliedScience）（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、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（Management）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（DecisionMaking）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。1854年俄国机械学家和电工学家К﹒И﹒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20～30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А.李雅普诺夫提出稳定性的严格数学定义，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40～50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。电子式控制器的应用可算是自动化应用的第二个里程碑！20世纪20年代，电子管反馈放大器正式诞生各种电子式控制器大量应用形成自动化生产线（1926，美，第一条汽车底盘自动生产线）40年代，二次世界大战经典控制理论（2）局部自动化的广泛应用（3）电子数字计算机的发明1943～1946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﹐Л.С.提出极大值原理。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①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(SystemIdentification)。②最优控制理论最优控制（OptimalControl）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。③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-adaptiveControlTheory）。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④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（RemoteControl）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（RemoteSensing）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。⑤综合自动化（IntegratedAutomation）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（ComputerIntegratedManufactureSystem）及计算机集成过程控制系统（ComputerIntegrate