自动化(专业)概论综合ppt

自动化（专业）概论主讲：杨清宇副教授单位：西安交通大学电信学院自动化系邮箱：[e-mail]电话:[phone]办公室：东2楼167答疑时间：4月29、30号下午考试时间：4月30号晚上7：00-9：30自动化专业概论综合pptppt仅是参考，请根据课本仔细复习自动化82班周琛淏整理制作自动化专业概论综合PPTPPT仅是参考，请根据课本仔细复习。自动化82班周琛淏整理制作82班专用资料3自动化的作用自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志1.提高社会生产率和工作效率；2.节约能源和原材料消耗；3.保证产品质量；4.改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动；5.改进生产工艺和管理体制。4自动化的研究内容有反馈控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等。主要工具：数学/计算机5党的十六大提出：以信息化带动工业化以工业化促进信息化自动化是信息化的核心与基础6主要内容1.专业培养目标和人才素质要求2.自动化的概念和发展简史3.自动控制系统的类型和组成4.基本的控制方法5.控制和自动化的应用范畴6.控制和自动化的展望7.自动化类专业的教学安排8.学习原理与学习方法71自动化专业培养目标和人才素质要求自动化和自动化类专业自动化、自动控制、控制论自动化，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地进行操作或运行。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。8控制科学与工程学科图1.1学科组成示意图自动控制电气工程与自动化工业自动化机械制造自动化电力系统自动化91.2自动化专业的培养目标•培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人控制等领域具有宽广理论基础和相关专门知识，具有创新和开拓精神的高级工程技术人才。•毕业生能在国民经济及国防各部门和行业从事信息及控制系统的研究、设计、集成、开发、制造和应用等工作。如何将培养目标具体化、时代化10一些术语（1）•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。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。•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。•工程（Engineering）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。11一些术语（2）•系统（System）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。(线性和非线性系统)1、线性系统同时满足叠加原理和齐次性条件；2、非线性系统不同时满足叠加原理和齐次性条件；12一些术语（3）•信息（Information）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。•控制（Control）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。•反馈（Feedback）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。13一些术语（4）•调节（Regulation）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、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。•管理（Management）是指为了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。•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。14反馈控制系统框图给定输入给定环节控制器放大环节执行环节被控对象误差反馈信号输出扰动+_反馈环节前向通道反馈通道15对自动化类专业人才的素质要求（1）认知和技能方面（2）思想和情感方面（3）意识和意志方面（4）其他方面16认知和技能方面①掌握数理等基础理论的原理和方法；②了解机械、力学、电器、化工等相关学科的一般原理和方法；③掌握计算机、通信、电子等关联学科的基本原理、方法和应用以及相应的实验仪器和技能；④掌握控制系统分析和综合（设计）等专业知识和方法；⑤掌握系统仿真、科学计算、软硬件开发等科学实验方法和技术；⑥有哲学、方法论、经济学、历史、法律、伦理、社会学、文学、艺术等人文社会科学方面以及军事方面的基本知识；17认知和技能方面⑦具有良好的资料收集、文献检索以及口头表达和书面写作等技巧和能力，并形成很强的自主学习能力；⑧具有辨证的、逻辑的、形象的和创造的科学思维方式和对事物进行统计、分析、综合、归纳的技能，并形成较强的发现问题、分析问题和解决问题能力；⑨具有一定的适应、协调、合作、组织和管理能力。18思想和情感方面•政治品质–热爱祖国、关心集体、尊敬师长、爱护同志和家人，关心国家大事、时事政治，有较强的法治、法规观念;•思想品质–树立了积极向上的人生观、正确的价值观和辨证唯物主义世界观；•道德品质–有良好的品德修养和文明的行为准则，具有敬业精神和职业道德.19意识和意志方面•实践意识–坚持一切从实际出发，不迷信书本、不迷信权威。•质量意识–认认真真做好每一件事，在研制和开发的每一个环节都坚持质量至上的思想。•协作意识–现代科学研究和现代工程已经很少是一个人可以独立完成的了，所以要能与同事协同工作、协调配合。不会和他人协作的工程师，一定不会是一个合格的工程师。•创新与竞争意识–现代社会是充满挑战和竞争的社会，只有那些不断追求新意境、新见解、敢于竞争的人才能把握机遇、走向成功。•坚毅意志–人生路漫漫，每个人在生活、学习和工作中都可能遇到这样或那样的困难和挫折，要敢于面对困难、善于克服困难。20其他方面①学风上勤奋、严谨、求实、进取；②作风上谦虚、谨慎、朴实、守信；③具有健康的心理、务实的心态；④具有健全的体质、良好的体能；⑤拥有旺盛的精力、敏捷的思路。212自动化的概念和发展简史22基本概念•自动化，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地进行操作或运行。•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。•自动化主要研究的是人造系统的控制问题，控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等。23我国古代自动装置中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：(1)指南车:指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。(2)铜壶滴漏:中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。(3)浮子式阀门(4)饮酒速度的自动调节(5)计里鼓车(6)漏水转浑天仪(7)候风地动仪(8)水运仪象台24指南车原理齿轮系车身木人方向车辆转弯25自动化技术发展简史•自动装置的出现和应用（18世纪以前）•自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）•局部自动化时期(20世纪40-50年代)•综合自动化时期（20世纪50年代末起至今)26自动装置的出现和应用（18世纪以前）“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中中国和巴比伦出现了自动计时装置—刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表现仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。(1)古代自动装置27(2)近代自动装置•法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器•荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表•英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨•俄国机械师И.И.波尔祖诺夫于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。28自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图2.16）29反馈和自动调节系统的稳定性稳定性是自动控制中极重要的概念反馈（Feedback）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。人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种稳定判据。30经典控制理论稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的《关于伺服机构理论》的论文标志着经典控制理论的诞生。进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。局部自动化时期(20世纪40-50年代)经典控制理论的形成和发展局部自动化的广泛应用电子数字计算机的发明31反馈控制系统框图给定输入给定环节控制器放大环节执行环节被控对象误差反馈信号输出扰动+_反馈环节前向通道反馈通道32自动防空火力控制系统在第二次世界大战期间，为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，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。经典控制理论的形成和发展•代数稳定判据•传递函数•根轨迹法(W.埃文斯（Evans）1948年)•频率法局部自动化的广泛应用•模拟计算机•气动单元组合仪表•智能化的仪表和控制器34电子数字计算机•电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路•数字计算机直接控制生产过程•数字计算机是现在自动控制系统的一个重要组成部分35综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）•Л.庞特里亚金提出极大值原理•R.贝尔曼创立动态规划•R.卡尔曼提出状态空间法(可控性、可观性、最优状态估计等)现代控制理论的形成和发展36现代控制理论的发展•系统辩识、建模与仿真•自适应控制•遥测、遥控和遥感•大系统理论•模式识别和人工智能•智能控制37(1)系统辩识、建模与仿真系统辩识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修改、复现系统的模型，这称为系统仿真。自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。(2)自适应控制(3)遥测、遥控和遥感遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就是对被控对象进行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。38开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。特别是高速大型计算机的出现为大系统的研究和大量计算提供了前提条件。大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过分解-协调以较短时间计算出优化结果。(5)模式识别和人工智能使用电子数字计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。(4)大系统理论的诞生39(6)智能控制的诞生将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和具有多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，