6 控制和自動(dòng)化的展望課件

6控制和自動(dòng)化的展望

自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展水平是一個(gè)國家在高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，它涉及到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、商業(yè)、家用電器、個(gè)人生活諸多方面。本章將對在幾個(gè)特定的領(lǐng)域討論自動(dòng)化技術(shù)以及控制科學(xué)與工程學(xué)科未來的發(fā)展。

6控制和自動(dòng)化的展望6.1計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

6.1.1計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的產(chǎn)生和發(fā)展

在制造業(yè)中產(chǎn)生了利用計(jì)算機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)單元生產(chǎn)柔性自動(dòng)化，并把制造過程（產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃與控制、生產(chǎn)過程等等）集成為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)想，同時(shí)企圖對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行加以優(yōu)化。

6控制和自動(dòng)化的展望圖6.1計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的初始概念

效益包括：（1）降低生產(chǎn)成本；（2）提高生產(chǎn)效率；（3）提高生產(chǎn)的柔性；（4）增強(qiáng)產(chǎn)品對市場的適應(yīng)性；（5）提高產(chǎn)品質(zhì)量；（6）減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和庫存；（7）增加企業(yè)員工對企業(yè)的滿足感；（8）增加用戶滿意度。

6控制和自動(dòng)化的展望6.1.2計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)所涉及的自動(dòng)化技術(shù)

包括:數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等、立體倉庫與自動(dòng)化物料運(yùn)輸系統(tǒng)、自動(dòng)化裝配與工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)計(jì)劃制定、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度、質(zhì)量監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化與經(jīng)營輔助決策。

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6.1.3

我國發(fā)展計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)技術(shù)的前景

為跟蹤國外計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)這一先進(jìn)技術(shù)，我國在1987年開始實(shí)施“863高技術(shù)計(jì)劃”的CIMS主題，這一時(shí)期國外正強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的核心是“集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”。我國在實(shí)施中不可避免地受其影響，經(jīng)過10多年的努力實(shí)施，有成績，也有教訓(xùn)。

以少量的科技投入，鼓勵(lì)一批專業(yè)技術(shù)人員很快初步掌握了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及其單元技術(shù)，為我國發(fā)展該領(lǐng)域的高技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。高等院校的?？萍既藛T積極走向社會(huì)，與企業(yè)結(jié)合，大力在企業(yè)中推廣計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及有關(guān)單元技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)劃示范項(xiàng)目的實(shí)施，推動(dòng)了企業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)以提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)營管理水平。建立了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心和一批實(shí)驗(yàn)網(wǎng)點(diǎn)與培訓(xùn)中心，為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)技術(shù)的研究、試驗(yàn)、人員培訓(xùn)打下了良好的基礎(chǔ)。6控制和自動(dòng)化的展望

6.2機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)和社會(huì)生活的各方面6.2.1機(jī)器人發(fā)展概況

機(jī)器人作為人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，在短短的40年內(nèi)發(fā)生了日新月異的變化。機(jī)器人已經(jīng)不僅成為先進(jìn)制造業(yè)不可缺少的自動(dòng)化裝備，而且正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域滲透。

機(jī)器人主要分為兩大類：用于制造環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人（如焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)等機(jī)器人），和用于非制造環(huán)境下的特種機(jī)器人（如水下機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、微操作機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等）。

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智能移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。機(jī)器人也正在向個(gè)人機(jī)器人的方向發(fā)展。特種機(jī)器人在海洋與農(nóng)業(yè)、服務(wù)與醫(yī)療、生物與基因工程、航空與航天等領(lǐng)域的應(yīng)用顯示出強(qiáng)大的生命力，如安全微創(chuàng)的腦外科輔助定位機(jī)器人、雕刻機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人等都進(jìn)入實(shí)用化階段。

圖6.2機(jī)器人正在清洗瓷磚壁面

6控制和自動(dòng)化的展望6.2.3邁向二十世紀(jì)的中國機(jī)器人圖6.3焊接機(jī)器人

我國把智能機(jī)器人列為高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，主要是圍繞特種機(jī)器人進(jìn)行攻關(guān)。完成1000m水下無纜自治機(jī)器人的研制，并完成了無人駕駛振動(dòng)式壓路機(jī)、隧道鑿巖機(jī)、大型噴漿機(jī)、機(jī)器人化裝載機(jī)、自動(dòng)攤鋪機(jī)等機(jī)器人化工程機(jī)械。我國在研制出遙控移動(dòng)機(jī)器人及爬壁機(jī)器人以后，又根據(jù)市場需求開發(fā)出排爆機(jī)器人、面壁

清洗機(jī)器人、醫(yī)療輔助機(jī)器人、機(jī)器人足球等。6控制和自動(dòng)化的展望6.2.2機(jī)器人涉及的自動(dòng)化技術(shù)

（1）變結(jié)構(gòu)控制與學(xué)習(xí)控制變結(jié)構(gòu)滑動(dòng)?？刂埔恢笔菣C(jī)器人控制研究的重點(diǎn)，因其直觀上的合理性而得到特別的重視。自適應(yīng)滑動(dòng)?？刂频刃碌姆椒▽鹘y(tǒng)的方法做了重要的改進(jìn)。（2）機(jī)器視覺與機(jī)器智能如何獲取場景和目標(biāo)的圖像信息，并把其處理成機(jī)器能夠理解的特征或模式，是機(jī)器智能中非常困難的研究課題。（3）智能控制與信息融合室外智能移動(dòng)機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括移動(dòng)機(jī)器人的控制體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人視覺信息的實(shí)時(shí)處理、車體的定位系統(tǒng)、多傳感器信息融合技術(shù)，以及路徑規(guī)劃技術(shù)與車體控制技術(shù)等。

6控制和自動(dòng)化的展望6.3高速列車和太空飛行器的智能控制

6.3.1高速列車簡介

采用交流傳動(dòng)技術(shù)，流線型頭形、輕量化鼓形車體、動(dòng)力學(xué)性能較好的小輪徑動(dòng)力車轉(zhuǎn)向架等，架裝了導(dǎo)流板，而控制系統(tǒng)采用MITRAC分布式微機(jī)控制裝置等，使該車組技術(shù)性能進(jìn)一步完善和提高。我國高速“子彈頭”列車，時(shí)速達(dá)300多km/h。磁懸浮高速列車已在上海運(yùn)行，最高速每小時(shí)430km。

6控制和自動(dòng)化的展望6.3.2人類太空飛行與α國際空間站

α國際空間站是一座有兩個(gè)足球場大小的空間站，將成為人類歷史上第一個(gè)完備的太空實(shí)驗(yàn)室。

我國于2000年成功發(fā)射了神舟二號(hào)飛船。飛船在太空飛行的幾天中，進(jìn)行了一系列的空間材料、空間天文和空間生物等實(shí)驗(yàn)。在這艘飛船上裝有空間晶體生長爐、空間生物培養(yǎng)箱、宇宙天體高能輻射監(jiān)測儀、大氣密度探測器等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，儼然一個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室。

6控制和自動(dòng)化的展望神舟四號(hào)飛船這是最后一次無人的飛船，但為有人飛行作最后的準(zhǔn)備。飛行108圈后于2003年1月5日返回地球。

和已往的飛船一樣，太空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行空間材料試驗(yàn)、空間生命科學(xué)、空間天文和空間生物以及空間環(huán)境、太空輻射探測等實(shí)驗(yàn)和考驗(yàn)了宇航員生命保障系統(tǒng)，飛船內(nèi)有帶有各種傳感器模擬宇航員（假人）。

我國于2002年底成功發(fā)射了神舟四號(hào)飛船。

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6.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)6.4.2常用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（1）飛行仿真系統(tǒng)（2）作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（3）與虛擬生物對話（4）用于遙控機(jī)器人的遙現(xiàn)技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具、系統(tǒng)集成技術(shù)

6.4.3虛擬現(xiàn)實(shí)涉及的自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù):

6控制和自動(dòng)化的展望6.5巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機(jī)6.5.1巡航導(dǎo)彈及其測控系統(tǒng)在翼式導(dǎo)彈和無人駕駛遙控飛機(jī)的基礎(chǔ)上，利用紅外成像技術(shù)、精密制導(dǎo)技術(shù)、隱形技術(shù)，配之以先進(jìn)的電子集成電路、微型計(jì)算機(jī)等，研制出小巧、機(jī)動(dòng)靈活、精度高、成本低的低空突防武器——巡航導(dǎo)彈。巡航導(dǎo)彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭特別是局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用。

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6.5.2巡航導(dǎo)彈測控中的自動(dòng)化技術(shù)

巡航導(dǎo)彈測量的傳感器類型一般為普通光學(xué)、激光（紅外）、聲學(xué)、無線電波等。由于激光雷達(dá)的波束角窄，角度測量精度高，所以只要單臺(tái)便可進(jìn)行高精度跟蹤測量，利用一部雷達(dá)測得目標(biāo)的距離、方位角和高低角來進(jìn)行目標(biāo)定位。為了增強(qiáng)回波信號(hào)，要在巡航導(dǎo)彈上安裝協(xié)作目標(biāo)。

6控制和自動(dòng)化的展望6.5.3預(yù)警飛機(jī)概述6.5.4機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)中的自動(dòng)化技術(shù)：

空中預(yù)警飛機(jī)是用于搜索、監(jiān)視和跟蹤空中和海上目標(biāo)的作戰(zhàn)支援飛機(jī)。其目的是達(dá)到快捷準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)敵人目標(biāo)、有效跟蹤目標(biāo)，并指揮攔截或阻擊敵人目標(biāo)。

圖6-9美制E-3“望樓”空中預(yù)警飛機(jī)有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)、陣列信號(hào)、空時(shí)二維信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)載環(huán)境下光學(xué)探測及圖像處理技術(shù)、多目標(biāo)跟蹤與多傳感信息融合技術(shù)、敵我識(shí)別技術(shù)、機(jī)載并行計(jì)算機(jī)技術(shù)、態(tài)勢評估、威脅評估和戰(zhàn)斗輔助決策指揮技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)

6控制和自動(dòng)化的展望6.6數(shù)字地球與機(jī)敏傳感網(wǎng)絡(luò)

把整個(gè)地球“數(shù)字化”之后，裝進(jìn)計(jì)算機(jī)里面，借助它，人們無論走到哪里都可以按地理坐標(biāo)了解地球上任何一處、任何方面的信息。

設(shè)想把有關(guān)地球海量的、多分辨的、3-維的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)集成起來，形成一個(gè)一體化的“數(shù)字地球”。

6.6.1《數(shù)字地球北京宣言》

6.6.2