自動(dòng)化專業(yè)概論1.2章

自動(dòng)化專業(yè)概論自動(dòng)化教研室

唐耀武1學(xué)生關(guān)心的問題？

進(jìn)入“自動(dòng)化”專業(yè)的每個(gè)學(xué)生，都渴望了解自己所學(xué)的專業(yè)：

（4）在大學(xué)接受高等教育和在中學(xué)接受中等教育有何區(qū)別，怎樣適應(yīng)大學(xué)的學(xué)習(xí)生活，怎樣最大限度地調(diào)動(dòng)自己的學(xué)習(xí)潛力，發(fā)揮自己學(xué)習(xí)上的主動(dòng)性，發(fā)展自己的特長(zhǎng)和才華，創(chuàng)造性地進(jìn)行學(xué)習(xí)？（3）自己在學(xué)校環(huán)境里將學(xué)到哪些知識(shí)，獲得哪些技能，培養(yǎng)哪些能力？（2）學(xué)校將通過哪些途徑把自己培養(yǎng)成有什么樣素質(zhì)的自動(dòng)化技術(shù)人才？（1）自動(dòng)化專業(yè)的性質(zhì)，它在我國(guó)社會(huì)主義建設(shè)中的作用和地位，自動(dòng)化技術(shù)的當(dāng)前概貌和它的未來發(fā)展；2什么是自動(dòng)化？

(a)手動(dòng)控制漫畫(b)自動(dòng)控制

圖2.1水溫的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的示意圖3圖中水溫的操作員要用手（通過感覺）來測(cè)試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時(shí)他要決定（通過大腦）：他的手應(yīng)該朝哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)加溫用的蒸汽閥門和旋轉(zhuǎn)多大的角度。采用自動(dòng)控制時(shí)上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如，溫度測(cè)量元件、控制記錄儀表和調(diào)節(jié)閥等。4防空導(dǎo)彈制導(dǎo)1-目標(biāo)跟蹤雷達(dá)2-導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)3-計(jì)算機(jī)雷達(dá)4-導(dǎo)彈發(fā)射架5

各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的，特別用雙雷達(dá)控制的防空導(dǎo)彈可以自動(dòng)跟蹤高空的飛行目標(biāo)進(jìn)行命中爆炸（圖2.2）。6

現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代生活離不開對(duì)一些物理量的控制，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)這種控制的自動(dòng)化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50周、220伏的交流電。為此，在發(fā)電廠就要設(shè)法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動(dòng)調(diào)壓和自動(dòng)調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。在機(jī)械加工廠金屬切削機(jī)床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的。現(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機(jī)無不進(jìn)行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動(dòng)按程序進(jìn)行。7自動(dòng)化的作用加速社會(huì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會(huì)信息化的進(jìn)程1.提高社會(huì)生產(chǎn)率和工作效率，2.節(jié)約能源和原材料消耗，3.保證產(chǎn)品質(zhì)量，4.改善勞動(dòng)條件，減輕體力、腦力勞動(dòng)，5.改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理體制。8自動(dòng)化的研究?jī)?nèi)容有自動(dòng)控制和信號(hào)處理兩個(gè)方面，包括理論、方法、應(yīng)用硬件和軟件等。從應(yīng)用觀點(diǎn)來看，研究?jī)?nèi)容有過程自動(dòng)化、機(jī)械制造自動(dòng)化、武器及軍事自動(dòng)化、辦公室自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化等。9以信息化帶動(dòng)工業(yè)化

以工業(yè)化促進(jìn)信息化中國(guó)共產(chǎn)黨十六次代表大會(huì)報(bào)告

自動(dòng)化是一個(gè)國(guó)家或社會(huì)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志

10本課內(nèi)容1.專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和人才素質(zhì)要求

2.自動(dòng)化的概念和發(fā)展簡(jiǎn)史

3.自動(dòng)控制系統(tǒng)的類型和組成

4.基本的控制方法

5.控制和自動(dòng)化的應(yīng)用范疇

6.控制和自動(dòng)化的展望

7.自動(dòng)化類專業(yè)的教學(xué)安排

8.學(xué)習(xí)原理與學(xué)習(xí)方法

111自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和人才素質(zhì)要求1.1自動(dòng)化和自動(dòng)化類專業(yè)12

控制科學(xué)與工程學(xué)科

圖1.1學(xué)科組成示意圖自動(dòng)化自動(dòng)控制控制理論電氣工程與自動(dòng)化工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械制造自動(dòng)化電力系統(tǒng)自動(dòng)化

教育部2010年專業(yè)目錄131.2

高等院校自動(dòng)化類專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)適合社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，德智體全面發(fā)展，在控制理論、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動(dòng)化、人工智能與機(jī)器人控制等領(lǐng)域具有寬廣理論基礎(chǔ)和相關(guān)專門知識(shí)，具有創(chuàng)新和開拓精神的高級(jí)工程技術(shù)人才。畢業(yè)生能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防各部門和行業(yè)從事信息及控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、集成、開發(fā)、制造和應(yīng)用等工作。

141.3對(duì)自動(dòng)化類專業(yè)人才的素質(zhì)要求

（1）認(rèn)知和技能方面（2）思想和情感方面（3）意識(shí)和意志方面（4）其他方面15（1）

認(rèn)知和技能方面①掌握數(shù)理等基礎(chǔ)理論的原理和方法；

②了解機(jī)械、力學(xué)、電器、化工等相關(guān)學(xué)科的原理和方法；③掌握計(jì)算機(jī)、通信、電子等關(guān)聯(lián)學(xué)科的基本原理、方法和應(yīng)用以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器和技能；④掌握控制系統(tǒng)分析和綜合（設(shè)計(jì)）等專業(yè)知識(shí)和方法；⑤掌握系統(tǒng)仿真、科學(xué)計(jì)算、軟硬件開發(fā)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)；⑥有哲學(xué)、方法論、經(jīng)濟(jì)學(xué)、歷史、法律、倫理、社會(huì)學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)等人文社會(huì)科學(xué)方面以及軍事方面的基本知識(shí)；⑦具有良好的資料收集、文獻(xiàn)檢索以及口頭表達(dá)和書面寫作等技巧和能力，并形成很強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力；⑧具有辨證的、邏輯的、形象的和創(chuàng)造的科學(xué)思維方式和對(duì)事物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、綜合、歸納的技能，并形成較強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力；⑨具有一定的適應(yīng)、協(xié)調(diào)、合作、組織和管理能力。16思想和情感方面

②思想品質(zhì)

樹立了積極向上的人生觀、正確的價(jià)值觀和辨證唯物主義世界觀，對(duì)我國(guó)自動(dòng)化事業(yè)有情感、有信念、有責(zé)任心；①政治品質(zhì)

熱愛祖國(guó)、關(guān)心集體、尊敬師長(zhǎng)、愛護(hù)同志和家人，關(guān)心國(guó)家大事、時(shí)事政治，有較強(qiáng)的法制、法規(guī)觀念；③道德品質(zhì)

有良好的品德修養(yǎng)和文明的行為準(zhǔn)則，具有敬業(yè)精神和職業(yè)道德，誠(chéng)實(shí)守信。17

（3）意識(shí)和意志方面

①實(shí)踐意識(shí)堅(jiān)持一切從實(shí)際出發(fā)，不迷信書本、不迷信權(quán)威。②質(zhì)量意識(shí)認(rèn)認(rèn)真真做好每一件事，在研制和開發(fā)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都堅(jiān)持質(zhì)量至上的思想。③協(xié)作意識(shí)現(xiàn)代科學(xué)研究和現(xiàn)代工程已經(jīng)很少是一個(gè)人可以獨(dú)立完成的了，所以要能與同事協(xié)同工作、協(xié)調(diào)配合。不會(huì)和他人協(xié)作的工程師，一定不會(huì)是一個(gè)合格的工程師。④創(chuàng)新與競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)現(xiàn)代社會(huì)是充滿挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)的社會(huì)，只有那些不斷追求新意境、新見解、敢于競(jìng)爭(zhēng)的人才能把握機(jī)遇、走向成功。⑤堅(jiān)毅意志人生路漫漫，每個(gè)人在生活、學(xué)習(xí)和工作中都可能遇到這樣或那樣的困難和挫折，要敢于面對(duì)困難、善于克服困難。18

（4）其他方面

①學(xué)風(fēng)上勤奮、嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)、進(jìn)?。虎谧黠L(fēng)上謙虛、謹(jǐn)慎、樸實(shí)、守信；③具有健康的心理、務(wù)實(shí)的心態(tài)；④具有健全的體質(zhì)、良好的體能；⑤擁有旺盛的精力、敏捷的思路。19一些術(shù)語（1）科學(xué)（Science）是指對(duì)各種事實(shí)和現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并對(duì)各種定量規(guī)律予以驗(yàn)證和公式化的知識(shí)體系?？茖W(xué)的任務(wù)是揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律，探求真理，作為人們改造世界的指南。技術(shù)（Technology）是指人類根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自然科學(xué)原理改變或控制其環(huán)境的手段和活動(dòng)，是人類活動(dòng)的一個(gè)專門領(lǐng)域。技術(shù)的任務(wù)是利用和改造自然，以其生產(chǎn)的產(chǎn)品為人類服務(wù)。工程（Engineering）是指應(yīng)用科學(xué)知識(shí)使自然資源最好地為人類服務(wù)的專門技術(shù)。20一些術(shù)語（2）

系統(tǒng)（System）是指由相互關(guān)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(jī)整體。(線性和非線性系統(tǒng))1、線性系統(tǒng)同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件；2、非線性系統(tǒng)不同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件21一些術(shù)語（3）信息（Information）是指符號(hào)、信號(hào)或消息所包含的內(nèi)容，用來消除對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的不確定性?？刂疲–ontrol）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)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。反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)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)。22一些術(shù)語（4）調(diào)節(jié)（Regulation）是指通過系統(tǒng)的反饋信息自動(dòng)校正系統(tǒng)的誤差，使諸如溫度、速度、壓力或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的過程。管理（Management）是指為了充分利用各種資源來達(dá)到一定的目標(biāo)而對(duì)社會(huì)或其組成部分施加的一種控制。決策（DecisionMaking）是指為最優(yōu)地達(dá)到目標(biāo)，對(duì)若干準(zhǔn)備行動(dòng)的方案進(jìn)行選擇。23

2自動(dòng)化概念和發(fā)展簡(jiǎn)史24

自動(dòng)化，是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。自動(dòng)控制是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論和技術(shù)。兩者既有聯(lián)系，但也有一定的區(qū)別。自動(dòng)化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題，自動(dòng)控制則除了上述研究外，還研究社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會(huì)控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動(dòng)化的研究領(lǐng)域的。不過人們提到自動(dòng)控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個(gè)意義上自動(dòng)化和自動(dòng)控制是相近的。

2.1控制和自動(dòng)化的概念252.2我國(guó)古代自動(dòng)裝置

中國(guó)古代能工巧匠發(fā)明許多原始的自動(dòng)裝置，以滿足生產(chǎn)、生活和作戰(zhàn)的需要。其中比較著名有下述的幾種：(1)指南車(2)銅壺滴漏(3)浮子式閥門

(4)飲酒速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)(5)計(jì)里鼓車(6)漏水轉(zhuǎn)渾天儀(7)候風(fēng)地動(dòng)儀(8)水運(yùn)儀象臺(tái)26

指南車是中國(guó)古代用來指示方向的一種具有能自動(dòng)離合的齒輪系裝置的車輛。

指南車是一種馬拉的雙輪獨(dú)轅車，車箱上立一個(gè)伸臂的木人。車箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響（圖2.3）齒輪系車身木人方向車輛轉(zhuǎn)彎（1）27指南車復(fù)原模型28指南車原理29

銅壺滴漏

中國(guó)古代的自動(dòng)計(jì)時(shí)（測(cè)量時(shí)間）裝置，又稱刻漏或漏刻。

這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）（圖2.6之右）。保持上壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。這個(gè)問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的。

根據(jù)宋朝楊軍的《六經(jīng)圖》（公元1155）轉(zhuǎn)述：蓮華漏（圖2.6之左）由4個(gè)壺組成。天地壺、平水壺逐級(jí)向平水小壺供水。平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門作為自動(dòng)切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻度時(shí)，浮子式閥門就會(huì)自動(dòng)阻塞上級(jí)平水壺的出水小孔，切斷水滴（見圖2.6上平水壺前的一個(gè)小鳥式裝置）。

（2）30銅壺滴漏31（3）飲酒速度自動(dòng)調(diào)節(jié)，（4）計(jì)里鼓車

圖2.8飲酒速度自動(dòng)調(diào)節(jié)

圖2.9、2.10計(jì)里鼓車(復(fù)原模型)及原理

32（5）漏水轉(zhuǎn)渾天儀

公元2世紀(jì)，中國(guó)東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動(dòng)的水運(yùn)渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動(dòng)仿真。

圖2.11張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖33（6）候風(fēng)地動(dòng)儀圖圖2.12候風(fēng)地動(dòng)儀圖(復(fù)原模型)及剖面圖34（7）水運(yùn)儀象臺(tái)公元1088年，中國(guó)蘇頌等人把渾儀（天文觀測(cè)儀器）、渾象（天文表演儀器）和自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置結(jié)合在一起建成了水運(yùn)儀象臺(tái)。

35水運(yùn)儀象臺(tái)樞輪和天衡裝置示意圖362.3控制和自動(dòng)化發(fā)展簡(jiǎn)史

自動(dòng)裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用（18世紀(jì)以前）

自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期（18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代）局部自動(dòng)化時(shí)期(20世紀(jì)40-50年代)綜合自動(dòng)化時(shí)期（20世紀(jì)50年代末起至今)372.3.1自動(dòng)裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用

（18世紀(jì)以前）

中國(guó)和巴比倫出現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置—刻漏、指南車、水運(yùn)儀象臺(tái)等。公元1世紀(jì)古埃及和希臘的發(fā)明家也創(chuàng)造了教堂廟門自動(dòng)開啟、銅祭司自動(dòng)灑圣水、投幣式圣水箱等自動(dòng)裝置。

中國(guó)天文學(xué)家張衡（公元78-139）曾經(jīng)發(fā)明了對(duì)天體運(yùn)行情況自動(dòng)仿真的漏水轉(zhuǎn)渾天儀和自動(dòng)檢測(cè)地震的候風(fēng)地動(dòng)儀。公元1088年，中國(guó)蘇頌等人把渾儀（天文觀測(cè)儀器）、渾象（天文表現(xiàn)儀器）和自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置結(jié)合在一起建成了水運(yùn)儀象臺(tái)。

(1)古代自動(dòng)裝置

38(2)近代自動(dòng)裝置

17世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在歐洲的一些國(guó)家相繼出現(xiàn)了多種自動(dòng)裝置，其中比較典型的有：法國(guó)物理學(xué)家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年發(fā)明的加法器；荷蘭機(jī)械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表；英國(guó)機(jī)械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨；俄國(guó)機(jī)械師И.И.波爾祖諾夫（Ползунов）于公元1765年發(fā)明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調(diào)節(jié)器。

392.3.2自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期（18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代）公元1788年J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)（圖2.16）40

(1)自動(dòng)調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)用

由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器（Regulator）或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國(guó)工程師J.法爾科（Farcot）發(fā)明反饋調(diào)節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機(jī)構(gòu)（Servo-mechanism）。20世紀(jì)20-30年代，美國(guó)開始采用PID模擬式調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分調(diào)節(jié)器）?，F(xiàn)在還在許多工廠中采用。(2)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題自調(diào)自動(dòng)調(diào)節(jié)器和被控制對(duì)象（蒸汽機(jī)或船舵）組成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AutomaticRegulationSystem）。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)忽高忽低，即系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。41

對(duì)象和調(diào)節(jié)器形成調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(jī)(對(duì)象)負(fù)荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速測(cè)量42反饋和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是自動(dòng)控制中極重要的概念

反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)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)。

人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)忽高忽低，即系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使一些數(shù)學(xué)家從理論上來加以研究，創(chuàng)造多種穩(wěn)定判劇。43(3)反饋控制和頻率法

穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基《關(guān)于船舶自動(dòng)操舵的穩(wěn)定性》和1934年美國(guó)H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》的論文標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。

進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，促進(jìn)了對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析和綜合的研究。

44圖2.18反饋調(diào)節(jié)（控制）系統(tǒng)

穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基《關(guān)于船舶自動(dòng)操舵的穩(wěn)定性》和1934年美國(guó)H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》的論文標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。給定輸入給定環(huán)節(jié)控制器放大環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對(duì)象誤差反饋信號(hào)輸出擾動(dòng)+_反饋環(huán)節(jié)前向通道45

2.3.3局部自動(dòng)化時(shí)期

(20世紀(jì)40-50年代)

2.3.3.1經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展2.3.3.2局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用2.3.3.3電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明46自動(dòng)防空火力控制系統(tǒng)

在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出各種精密的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學(xué)領(lǐng)域（圖2.19和圖2.20）。47

在前述代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)的基礎(chǔ)上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（RootLocusMethod），奠定了適宜用于單變量控制問題的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。頻率法（或稱頻域法，F(xiàn)requencyMethod）成為分析和設(shè)計(jì)線性單變量自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法。早期，反饋控制系統(tǒng)通稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)（AutomaticControlSystem）。因此，調(diào)節(jié)器現(xiàn)也稱為控制器。

隨著高速飛行、核反應(yīng)堆、大電力網(wǎng)和大化工廠提出的新控制問題：非線性系統(tǒng)、時(shí)滯系統(tǒng)、脈沖及采樣控制系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)和有隨機(jī)輸入的系統(tǒng)的控制問題等的深入研究，經(jīng)典控制理論在20世紀(jì)50年代有新的發(fā)展。

2.3.3.1經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展482.3.3.2局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用

二次大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器，并用電子模擬計(jì)算機(jī)（ElectronicAnalogComputer）來設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)化，即單個(gè)過程或單個(gè)機(jī)器的自動(dòng)化。

在20世紀(jì)30-40年代出現(xiàn)了統(tǒng)一信號(hào)的、通用的、標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)單元組合儀表。20世紀(jì)50年代研制出了電動(dòng)單元組合儀表。這些為工業(yè)自動(dòng)化提供了必不可少的技術(shù)工具，并使得構(gòu)成和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)便、更工程化了。

智能化的儀表和控制器是當(dāng)前流行的產(chǎn)品。49智能化的儀表YS-80及所屬的可編程序智能控制器SLPC

502.3.3.3電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明

目前小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)或單片計(jì)算機(jī)已成為復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和算法。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部元件和結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路的四個(gè)發(fā)展階段。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明，為60-70年代開始的在控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程，奠定了基礎(chǔ)。51圖2.22國(guó)產(chǎn)巨型“銀河Ⅱ”電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

封里彩圖為國(guó)產(chǎn)巨型“銀河Ⅲ”電子數(shù)字計(jì)算機(jī)

522.3.4綜合自動(dòng)化時(shí)期

（20世紀(jì)50年代末起至今）

復(fù)雜工業(yè)、復(fù)雜工業(yè)過程和航天技術(shù)的自動(dòng)控制問題，都是多變量控制系統(tǒng)的分析和綜合問題，迫切需要加以解決。2.3.4.1現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展

1956年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家Л.龐特里亞金提出極大值原理。同年美國(guó)數(shù)學(xué)家R.貝爾曼創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃。兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。1960年美國(guó)數(shù)學(xué)家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個(gè)概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性?？柭€引入狀態(tài)空間法，提出具有二次型性能指標(biāo)的線性狀態(tài)反饋律，為線性自動(dòng)控制系統(tǒng)給出了最優(yōu)調(diào)節(jié)器的概念。以上這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。53現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展(1)系統(tǒng)辯識(shí)、建模與仿真(2)自適應(yīng)控制和自校正控制器

(3)遙測(cè)、遙控和遙感

(4)綜合自動(dòng)化

(5)大系統(tǒng)理論的誕生

(6)模式識(shí)別和人工智能

(7)智能控制的誕生現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個(gè)重要分支：54系統(tǒng)辯識(shí)、建模與仿真

系統(tǒng)辯識(shí)是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的理論和方法。此外建立數(shù)學(xué)模型還可以采用解析法和實(shí)驗(yàn)方法。通常有必要在仿真設(shè)備上試驗(yàn)系統(tǒng)，包括建立、修改、復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的模型，這稱為系統(tǒng)仿真。

自適應(yīng)控制能在對(duì)象數(shù)學(xué)模型變動(dòng)和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，以保持良好的工作品質(zhì)。

(2)自適應(yīng)控制和自校正控制器(3)遙測(cè)、遙控和遙感

遙測(cè)就是對(duì)被測(cè)對(duì)象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。遙控就是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。遙感就是利用裝載在飛機(jī)或人造衛(wèi)星等運(yùn)載工具上的傳感器，收集由地面目標(biāo)物反射或發(fā)射出來的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲得關(guān)于目標(biāo)物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。

55(4)綜合自動(dòng)化

20世紀(jì)50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的化工廠，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動(dòng)生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開始由局部自動(dòng)化向綜合（全盤）自動(dòng)化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專用機(jī)床組成的無人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無人工廠（圖2.25和圖2.26）。

無人加工車間

圖2.2556無人組裝車間圖2.2457

開始對(duì)出現(xiàn)的大系統(tǒng)如大電力系統(tǒng)、化工聯(lián)合企業(yè)、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)等開始進(jìn)行了研究。特別是高速大型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為大系統(tǒng)的研究和大量計(jì)算提供了前提條件。

大系統(tǒng)理論的重要作用在于對(duì)大系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解-協(xié)調(diào)以較短時(shí)間計(jì)算出優(yōu)化結(jié)果。

(6)模式識(shí)別和人工智能

使用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖象、景物等。人工智能學(xué)者已研制出用于醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、金融決策、軍事指揮、大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)等各種專家系統(tǒng)；研制出智能機(jī)器人，如有視覺和觸覺的機(jī)器人和能與人對(duì)答的機(jī)器人等等。

大系統(tǒng)理論的誕生58

(7)智能控制的誕生

將人工智能引入到自動(dòng)控制系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)。這是新一代的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是具有智能，能解決一些以往的自動(dòng)控制解決得不好或者不能解決的控制問題。

它將人工智能中的專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分別與自動(dòng)控制和系統(tǒng)工程的一些方法相結(jié)合，形成一些新的、具有獨(dú)特性能的智能自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如圖2.27的智能機(jī)器人。

59

智能和水下機(jī)器人

60中國(guó)的自動(dòng)化教育和科研機(jī)構(gòu)自從1950年在上海交通大學(xué)為電機(jī)系本科生和研究生開設(shè)“伺服機(jī)構(gòu)原理”課程以后，1953年在高等院校電機(jī)（力）系開始逐步設(shè)置了“工業(yè)企業(yè)電氣化”專業(yè)（自動(dòng)化專業(yè)的前身）。該專業(yè)的課程設(shè)置中有“自動(dòng)調(diào)節(jié)理論”課程，即現(xiàn)在的“自動(dòng)控制理論”課程。當(dāng)時(shí)類似課程在電類其他專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中也都設(shè)置了，如在“發(fā)電”專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中設(shè)置有“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程以及“電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)學(xué)”（即遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制學(xué)）。這兩個(gè)自動(dòng)化類專業(yè)為中國(guó)培養(yǎng)了大批專業(yè)人才。61中國(guó)的自動(dòng)化教育和科研機(jī)構(gòu)1957年中國(guó)科學(xué)院成立了自動(dòng)化研究所，20世紀(jì)60年代中葉又成立了中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所。以控制論專家錢學(xué)森、張鐘俊、鐘士模、郎世俊和關(guān)肇直為代表的老一輩自動(dòng)控制專家對(duì)中國(guó)的自動(dòng)化教育和自動(dòng)控制理論發(fā)展以及在國(guó)防上的應(yīng)用作出了極其重要的貢獻(xiàn)。62控制界名人J.C.Maxwell:控制理論的源頭以反饋控制為其主要研究?jī)?nèi)容的自動(dòng)控制理論的歷史,若從目前公認(rèn)的第一篇理論論文,J.C.Maxwell

在1868年發(fā)表的"論調(diào)節(jié)器"算起,至今不過一百多年.然而控制思想與技術(shù)的存在至少已有數(shù)千年的歷史了.63

維納:控制學(xué)科的鼻祖1894年11月26日維納出生在美國(guó)密蘇里州哥倫比亞市的一個(gè)猶太人的家庭中.他的父親是哈佛大學(xué)的語言教授.維納自幼聰慧,1906年(12歲)便進(jìn)入土夫茲學(xué)院學(xué)習(xí),1909年(15歲)時(shí)獲數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位.1913年(19歲)以關(guān)于數(shù)理邏輯的論文獲哈佛大學(xué)博土學(xué)位.1933年任美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士,1948年他發(fā)表了劃時(shí)代的著作《控制論》.控制論的基本含義是:現(xiàn)代的自動(dòng)機(jī)器和人都是由感覺裝置(器官),動(dòng)作裝置(器官),傳遞信息的系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))所組成的一種系統(tǒng).自動(dòng)機(jī)器和人都是在接收,處理,傳遞和存貯信息,并利用信息去完成動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)與外界的聯(lián)系.在系統(tǒng)工作中,反饋控制給定控制信號(hào)使動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作.動(dòng)作結(jié)果由感覺裝置(器官)檢測(cè)出來,并反饋回去與給定信號(hào)相比較.如果比較有偏差,偏差信號(hào)會(huì)繼續(xù)控制動(dòng)作裝置(器官)動(dòng)作,直到偏差信號(hào)消失為止.更簡(jiǎn)單地說:控制論指的是感覺和機(jī)器方面的控制和通訊.控制論就是研究動(dòng)物(包括人類),自動(dòng)機(jī)器和有機(jī)體的控制和通訊的理論.64張鐘俊:控制理論自動(dòng)控制專家.1915年出生,浙江嘉善人.1934年畢業(yè)于交通大學(xué),獲學(xué)士學(xué)位.1938年獲美國(guó)麻省理工學(xué)院博士學(xué)位.上海交通大學(xué)教授.一門《伺服機(jī)件》課程奠定了他是中國(guó)控制學(xué)科的第一個(gè)"吃螃蟹"的人.在網(wǎng)絡(luò)綜合,電力系統(tǒng),自動(dòng)控制和系統(tǒng)工程等領(lǐng)域,作出了許多開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)._1948年,張鐘俊在交通大學(xué)電信研究所講授伺服原理,1950年在長(zhǎng)春機(jī)電研究研究所又講了這門課程,這是中國(guó)歷史最早講授控制理論的記載.中華人民共和國(guó)成立初期,在上海建議和參與建立了統(tǒng)一的電力系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了集中管理和調(diào)度.1956年參加全國(guó)12年科學(xué)規(guī)劃工作,編寫了電力系統(tǒng)規(guī)劃,并作為電力系統(tǒng)組組長(zhǎng),參加了長(zhǎng)江三峽水力發(fā)電站的規(guī)劃論證.1980當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士(學(xué)部委員).65錢學(xué)森:控制理論1911年祖籍杭州,生于上海.應(yīng)用力學(xué),工程控制論,系統(tǒng)工程科學(xué)家.1934年畢業(yè)于上海交通大學(xué),1939年在加州理工學(xué)院獲博士學(xué)位.并擔(dān)任過加州理工學(xué)院航空系副教授,麻省理工學(xué)院航空系副教授,空氣動(dòng)力學(xué)教授,1949年至1955年任美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任,教授.中國(guó)控制學(xué)科最重要的奠基人,中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)首任理事長(zhǎng).中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì),中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì),中國(guó)宇航學(xué)會(huì),中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)名譽(yù)理事長(zhǎng),中國(guó)科學(xué)院學(xué)部主席團(tuán)名譽(yù)主席,中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)名譽(yù)主席.曾任國(guó)防科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任和中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席.在應(yīng)用力學(xué),工