自動化概論課件

自動化概論自動化概論1本課程的主要內容自動化的概念和發(fā)展簡史自動控制系統(tǒng)的類型和組成基本的控制方法控制和自動化的應用范疇控制和自動化的展望自動化專業(yè)概覽本課程的主要內容自動化的概念和發(fā)展簡史2教材與參考書[1]西安交大萬百五主編《自動化（專業(yè)）概論》（第二版），武漢理工大學出版社，2005年。[2]電子書《信息爆炸時代的控制》——關于控制、動力學和系統(tǒng)未來方向的專家小組報告，2003年。[3]東南大學戴先中教授的課件“自動化學科概論”，2005年。[4]香港科技大學的報告“自動控制技術與人類進步”，2006年。[5]K.J.?str?m教授在MIT的報告“Control-thetheHiddenHiddenTechnology”，2006年。[6]K.J.?str?m教授在國際自控聯(lián)合會（IFAC）的報告“PresentDevelopmentsinControlApplications”，德國Heidelberg，2006。教材與參考書3課程基本情況學時：27作業(yè)：（無）成績評定： 平時（考勤）30% 期末考查（開卷筆試）70%課程基本情況學時：274專業(yè)的前身工業(yè)企業(yè)電氣化及自動化專業(yè)（簡稱工企專業(yè)）工業(yè)電氣自動化專業(yè)工業(yè)自動化專業(yè)生產過程自動化儀表自動化專業(yè)的前身工業(yè)企業(yè)電氣化及自動化專業(yè)5自動化專業(yè)與電氣工程及其自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)、計算機科學與技術專業(yè)、電子科學與技術專業(yè)、生物醫(yī)學工程專業(yè)同屬“工學”學科門類下的“電氣信息類”，授予的學位為“工學學士”。到2004年，全國已有239所學校設立了自動化專業(yè)。自動化專業(yè)已成為設置學校最多的“工學”專業(yè)（工科專業(yè)）之一（僅次于計算機專業(yè)），如果再把那些將自動化作為其專業(yè)名稱一部分的專業(yè)（如“電氣工程及其自動化”、“機械設計制造及其自動化”、“農業(yè)機械化及其自動化”等專業(yè)）算在內，“自動化類專業(yè)”無疑將是中國最龐大的專業(yè)。自動化本科專業(yè)自動化專業(yè)與電氣工程及其自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)6“自動化”的定義：自動化（Automation）是指機器設備（擴展到生產、管理過程）在沒有人直接參與的情況下，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制

實現(xiàn)預期的目標自動化的核心是“控制”

自動化主要研究的是工程系統(tǒng)的控制問題，自動控制除了工程系統(tǒng)研究外，還研究社會、經濟、生物、環(huán)境等非工程系統(tǒng)的控制問題?！白詣踊钡亩x：自動化（Automation）是指機器7自動化技術的兩方面：

①動力方面的自動化技術——工業(yè)化

——人的手、腳、各種感覺的延長

②信息處理方面的自動化技術——信息化——延伸人的信息獲取、處理和決策控制等功能

自動化技術的兩方面：①動力方面的自動化技術——工業(yè)化8自動化學科的內容

控制理論與控制工程檢測技術與自動化裝置模式識別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程導航、制導與控制自動化是一門涉及多個學科、應用廣泛的綜合性科學技術，它主要涉及自動控制和信息處理兩個方面，主要研究內容包括理論、方法、硬件和軟件。在我國，自動化學科的正式名稱為“控制科學與工程”學科，屬工科門類下的一級學科，共包括五個下屬二級學科：自動化學科的內容控制理論與控制工程自動化是一9信息化與自動化的關系

廣義自動化是指實現(xiàn)經營管理、計劃調度、成本核算、生產監(jiān)控、故障診斷、自動控制等更大范圍內的自動化，又稱之為綜合自動化自動化往往是指包括檢測、控制和繼電保護等常規(guī)自動化的概念信息化與自動化的關系廣義自動化是指實現(xiàn)經營管理、10信息化與自動化的關系工業(yè)化信息化自動化

（廣義）基礎促進帶動保證依賴提升自動化技術和自動化專業(yè)的發(fā)展機遇：我國經濟的持續(xù)高速增長，走新型工業(yè)化道路，“以信息化帶動工業(yè)化”，自動化技術以信息技術作為主要的技術內涵。信息化與自動化的關系工業(yè)化信息化自動化基礎促進帶動保證依賴11對自動化的認識

自動化與工業(yè)化的關系工業(yè)化特點：專指工業(yè)，尤其是制造業(yè)工業(yè)化發(fā)展三階段：機械化（大規(guī)模使用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、電網(wǎng)絡）自動化（加入自動控制器）實現(xiàn)自動化，就完成工業(yè)化目前來說：自動化是工業(yè)化的最重要標志（我國總體來說，已機械化、電氣化）對自動化的認識

自動化與工業(yè)化的關系機械化（大規(guī)模使用機器系12

信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產業(yè)僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段：一定在工業(yè)化的基礎上計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）先進自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）實現(xiàn)先進自動化，就完成（工業(yè)）信息化先進自動化是信息化的最重要標志（國內總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡化已有一定規(guī)模）計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）13（基礎）自動化（核心是控制）是工業(yè)化完成與否的標志自動化技術是工業(yè)化的核心技術先進自動化（核心是信息、控制、系統(tǒng)）是信息化完成與否的標志先進自動化技術是信息化的核心技術自動化概論14自動化技術的發(fā)展檢測、計算、通信、執(zhí)行和復雜性技術成本/性能曲線自動化技術的發(fā)展檢測、計算、通信、執(zhí)行和復雜性技術成本/性能15機械化（應用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、網(wǎng)絡）自動化（加入自動控制器）數(shù)字化（應用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）先進自動化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識化（處理知識）工業(yè)化信息化知識化社會總發(fā)展自動化與工業(yè)化、信息化、知識化的關系機械化（應用機器系統(tǒng)）工業(yè)化社會總發(fā)16(1)

系統(tǒng)

：（System）是指由相互關聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。

(2)

信息：（Information）是指符號、信號或消息所包含的內容，用來消除對客觀事物認識的不確定性。

(3)

控制：（Control）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。

(4)

反饋：（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。這是自動控制的基本方式。一些術語(1)

系統(tǒng)

：（System）是指由相互關聯(lián)、相互制約、相17直流電機的自動調速系統(tǒng)放大器+V測速發(fā)電機＋－電動機自動控制的范例直流電機的自動調速系統(tǒng)放大器+V測速發(fā)電機＋－電動機自動控制18Qi浮子——測量元件HQo執(zhí)行閥控制器液面給定液位自動調節(jié)系統(tǒng)不允許水溢出、流干Qi浮子——測量元件HQo執(zhí)行閥控制器液面給定液位自動調節(jié)系19工程自然系統(tǒng)的自動控制直流反饋電阻交流反饋電阻因特網(wǎng)阻塞控制電子放大電路果蠅的飛行控制工程自然系統(tǒng)的自動控制直流反饋電阻交流反饋電阻因特網(wǎng)阻塞控制20TCP/IP通信協(xié)議IP（InternetProtocol）負責傳送路徑的建立，并將傳輸?shù)男畔⑶谐尚《涡畔?，打包成為?shù)據(jù)包（Packet）后，在網(wǎng)絡中傳出，各數(shù)據(jù)包可選擇不同的路徑，到達接受端才再重組起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的低成本化。IP協(xié)議采用了開環(huán)控制和非連接式的傳送方式，無法將傳送網(wǎng)絡產生的異常狀況回報，因此，并不能保證正確無誤的數(shù)據(jù)傳送每次都成功。TCP（TransmissionControlProtocol）協(xié)議具有流量控制能力，依照對方回應已收到幾個數(shù)據(jù)包后，再送出，以保持在傳輸中的數(shù)據(jù)包個數(shù)不超過一定的數(shù)目。在接收端，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤時，也可要求重傳。TCP協(xié)議采用了閉環(huán)控制和連接式的傳輸機制，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，保證數(shù)據(jù)包正確送達目的地。TCP/IP通信協(xié)議21自動控制的典型應用能源生產過程控制離散制造工業(yè)通信運輸建筑航空航天娛樂、消費儀器機電設備材料加工物理生物經濟學自動控制的典型應用能源生產娛樂、消費222005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）

技術難點

1、軌道設計與飛行程序控制問題

2、衛(wèi)星姿態(tài)控制的三矢量控制問題

3、衛(wèi)星環(huán)境適應性設計

4、遠距離測控與通信問題

嫦娥一號中國自主研制、發(fā)射的第一個月球探測器2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）技術難點

23北京現(xiàn)代汽車車身車間焊接機器人北京現(xiàn)代汽車車身車間焊接機器人24清華大學提出的電力系統(tǒng)的混成控制離散邏輯控制指令～連續(xù)動態(tài)底層（動態(tài)電力系統(tǒng)）電廠、變電站&FACTS設備電力系統(tǒng)混成控制中間處理與操作層Processing&Operating

最高決策與指揮層Decision–making&Commanding中間層信息控制指令(事件驅動)Data底層設備的反饋控制操作命令底層信息發(fā)電機、補償器及FACTS設備的控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制指令

調度員控制

清華大學提出的電力系統(tǒng)的混成控制離散邏輯控制指令～連續(xù)動態(tài)底25汽車電子控制系統(tǒng)汽車電子控制系統(tǒng)26配電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)配電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)27煮糖結晶過程控制煮糖結晶過程控制28儀器（光年~納米）自適應光學天文望遠鏡掃描探針顯微鏡儀器（光年~納米）自適應光學天文望遠鏡掃描探針顯微鏡29計算機、控制與通信集成系統(tǒng)無線傳感器計算機、控制與通信集成系統(tǒng)無線傳感器30自動控制理論的經典著作自動控制理論的經典著作31自動化概論32自動化概論33控制系統(tǒng)的一種自然模型控制器(計算機)大腦控制理論思想、智能傳感器感覺器官執(zhí)行器肌肉能量食物控制系統(tǒng)的一種自然模型控制器(計算機)大腦34更好的執(zhí)行器 提供更好的體能更好的傳感器

提供更好的視覺更好的控制 使傳感器和執(zhí)行器的組合以更智能的方式提供更靈巧的作用自然模型更好的執(zhí)行器更好的傳感器更好的控制自然模型35小結自動化是一個發(fā)展充分、工程概念強、內容豐富、應用領域廣泛的技術學科，是人類文明進步和社會現(xiàn)代化的標志。自動化是信息化的必然，是智能化的基礎，是人類體能和智力擴展的關鍵技術，是從信息社會邁向知識社會的必經之路。自動化專業(yè)培育高素質的控制、管理、決策人才，要求：理論與實踐（抽象思維與動手，數(shù)學方程與物理概念）、硬件與軟件、強電與弱電并重小結自動化是一個發(fā)展充分、工程概念強、內容豐富、應用領域廣泛36謝謝！

Thanksforyourattention!

謝謝！

Thanksforyourattention!37自動化概論自動化概論38本課程的主要內容自動化的概念和發(fā)展簡史自動控制系統(tǒng)的類型和組成基本的控制方法控制和自動化的應用范疇控制和自動化的展望自動化專業(yè)概覽本課程的主要內容自動化的概念和發(fā)展簡史39教材與參考書[1]西安交大萬百五主編《自動化（專業(yè)）概論》（第二版），武漢理工大學出版社，2005年。[2]電子書《信息爆炸時代的控制》——關于控制、動力學和系統(tǒng)未來方向的專家小組報告，2003年。[3]東南大學戴先中教授的課件“自動化學科概論”，2005年。[4]香港科技大學的報告“自動控制技術與人類進步”，2006年。[5]K.J.?str?m教授在MIT的報告“Control-thetheHiddenHiddenTechnology”，2006年。[6]K.J.?str?m教授在國際自控聯(lián)合會（IFAC）的報告“PresentDevelopmentsinControlApplications”，德國Heidelberg，2006。教材與參考書40課程基本情況學時：27作業(yè)：（無）成績評定： 平時（考勤）30% 期末考查（開卷筆試）70%課程基本情況學時：2741專業(yè)的前身工業(yè)企業(yè)電氣化及自動化專業(yè)（簡稱工企專業(yè)）工業(yè)電氣自動化專業(yè)工業(yè)自動化專業(yè)生產過程自動化儀表自動化專業(yè)的前身工業(yè)企業(yè)電氣化及自動化專業(yè)42自動化專業(yè)與電氣工程及其自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)、計算機科學與技術專業(yè)、電子科學與技術專業(yè)、生物醫(yī)學工程專業(yè)同屬“工學”學科門類下的“電氣信息類”，授予的學位為“工學學士”。到2004年，全國已有239所學校設立了自動化專業(yè)。自動化專業(yè)已成為設置學校最多的“工學”專業(yè)（工科專業(yè)）之一（僅次于計算機專業(yè)），如果再把那些將自動化作為其專業(yè)名稱一部分的專業(yè)（如“電氣工程及其自動化”、“機械設計制造及其自動化”、“農業(yè)機械化及其自動化”等專業(yè)）算在內，“自動化類專業(yè)”無疑將是中國最龐大的專業(yè)。自動化本科專業(yè)自動化專業(yè)與電氣工程及其自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)43“自動化”的定義：自動化（Automation）是指機器設備（擴展到生產、管理過程）在沒有人直接參與的情況下，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制

實現(xiàn)預期的目標自動化的核心是“控制”

自動化主要研究的是工程系統(tǒng)的控制問題，自動控制除了工程系統(tǒng)研究外，還研究社會、經濟、生物、環(huán)境等非工程系統(tǒng)的控制問題。“自動化”的定義：自動化（Automation）是指機器44自動化技術的兩方面：

①動力方面的自動化技術——工業(yè)化

——人的手、腳、各種感覺的延長

②信息處理方面的自動化技術——信息化——延伸人的信息獲取、處理和決策控制等功能

自動化技術的兩方面：①動力方面的自動化技術——工業(yè)化45自動化學科的內容

控制理論與控制工程檢測技術與自動化裝置模式識別與智能系統(tǒng)系統(tǒng)工程導航、制導與控制自動化是一門涉及多個學科、應用廣泛的綜合性科學技術，它主要涉及自動控制和信息處理兩個方面，主要研究內容包括理論、方法、硬件和軟件。在我國，自動化學科的正式名稱為“控制科學與工程”學科，屬工科門類下的一級學科，共包括五個下屬二級學科：自動化學科的內容控制理論與控制工程自動化是一46信息化與自動化的關系

廣義自動化是指實現(xiàn)經營管理、計劃調度、成本核算、生產監(jiān)控、故障診斷、自動控制等更大范圍內的自動化，又稱之為綜合自動化自動化往往是指包括檢測、控制和繼電保護等常規(guī)自動化的概念信息化與自動化的關系廣義自動化是指實現(xiàn)經營管理、47信息化與自動化的關系工業(yè)化信息化自動化

（廣義）基礎促進帶動保證依賴提升自動化技術和自動化專業(yè)的發(fā)展機遇：我國經濟的持續(xù)高速增長，走新型工業(yè)化道路，“以信息化帶動工業(yè)化”，自動化技術以信息技術作為主要的技術內涵。信息化與自動化的關系工業(yè)化信息化自動化基礎促進帶動保證依賴48對自動化的認識

自動化與工業(yè)化的關系工業(yè)化特點：專指工業(yè)，尤其是制造業(yè)工業(yè)化發(fā)展三階段：機械化（大規(guī)模使用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、電網(wǎng)絡）自動化（加入自動控制器）實現(xiàn)自動化，就完成工業(yè)化目前來說：自動化是工業(yè)化的最重要標志（我國總體來說，已機械化、電氣化）對自動化的認識

自動化與工業(yè)化的關系機械化（大規(guī)模使用機器系49

信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產業(yè)僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段：一定在工業(yè)化的基礎上計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）先進自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）實現(xiàn)先進自動化，就完成（工業(yè)）信息化先進自動化是信息化的最重要標志（國內總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡化已有一定規(guī)模）計算機化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機）50（基礎）自動化（核心是控制）是工業(yè)化完成與否的標志自動化技術是工業(yè)化的核心技術先進自動化（核心是信息、控制、系統(tǒng)）是信息化完成與否的標志先進自動化技術是信息化的核心技術自動化概論51自動化技術的發(fā)展檢測、計算、通信、執(zhí)行和復雜性技術成本/性能曲線自動化技術的發(fā)展檢測、計算、通信、執(zhí)行和復雜性技術成本/性能52機械化（應用機器系統(tǒng)）電氣化（加入電機、網(wǎng)絡）自動化（加入自動控制器）數(shù)字化（應用數(shù)字計算機）網(wǎng)絡化（實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡）先進自動化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識化（處理知識）工業(yè)化信息化知識化社會總發(fā)展自動化與工業(yè)化、信息化、知識化的關系機械化（應用機器系統(tǒng)）工業(yè)化社會總發(fā)53(1)

系統(tǒng)

：（System）是指由相互關聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。

(2)

信息：（Information）是指符號、信號或消息所包含的內容，用來消除對客觀事物認識的不確定性。

(3)

控制：（Control）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。

(4)

反饋：（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。這是自動控制的基本方式。一些術語(1)

系統(tǒng)

：（System）是指由相互關聯(lián)、相互制約、相54直流電機的自動調速系統(tǒng)放大器+V測速發(fā)電機＋－電動機自動控制的范例直流電機的自動調速系統(tǒng)放大器+V測速發(fā)電機＋－電動機自動控制55Qi浮子——測量元件HQo執(zhí)行閥控制器液面給定液位自動調節(jié)系統(tǒng)不允許水溢出、流干Qi浮子——測量元件HQo執(zhí)行閥控制器液面給定液位自動調節(jié)系56工程自然系統(tǒng)的自動控制直流反饋電阻交流反饋電阻因特網(wǎng)阻塞控制電子放大電路果蠅的飛行控制工程自然系統(tǒng)的自動控制直流反饋電阻交流反饋電阻因特網(wǎng)阻塞控制57TCP/IP通信協(xié)議IP（InternetProtocol）負責傳送路徑的建立，并將傳輸?shù)男畔⑶谐尚《涡畔?，打包成為?shù)據(jù)包（Packet）后，在網(wǎng)絡中傳出，各數(shù)據(jù)包可選擇不同的路徑，到達接受端才再重組起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的低成本化。IP協(xié)議采用了開環(huán)控制和非連接式的傳送方式，無法將傳送網(wǎng)絡產生的異常狀況回報，因此，并不能保證正確無誤的數(shù)據(jù)傳送每次都成功。TCP（TransmissionControlProtocol）協(xié)議具有流量控制能力，依照對方回應已收到幾個數(shù)據(jù)包后，再送出，以保持在傳輸中的數(shù)據(jù)包個數(shù)不超過一定的數(shù)目。在接收端，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤時，也可要求重傳。TCP協(xié)議采用了閉環(huán)控制和連接式的傳輸機制，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，保證數(shù)據(jù)包正確送達目的地。TCP/IP通信協(xié)議58自動控制的典型應用能源生產過程控制離散制造工業(yè)通信運輸建筑航空航天娛樂、消費儀器機電設備材料加工物理生物經濟學自動控制的典型應用能源生產娛樂、消費592005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）

技術難點

1、軌道設計與飛行程序控制問題

2、衛(wèi)星姿態(tài)控制的三矢量控制問題

3、衛(wèi)星環(huán)境適應性設計

4、遠距離測控與通信問題

嫦娥一號中國自主研制、發(fā)射的第一個月球探測器2005年我國成功發(fā)射載人飛船（神舟6號）技術難點

60北京現(xiàn)代汽車車身車間焊接機器人北京現(xiàn)代汽車車身