自動(dòng)化的概念和發(fā)展簡(jiǎn)史

1、1,2 自動(dòng)化的概念和發(fā)展簡(jiǎn)史,2,基本概念,自動(dòng)化，是指機(jī)器或裝置在無(wú)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)。 自動(dòng)化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題，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。,3,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

2、動(dòng)儀,(8) 水運(yùn)儀象臺(tái),4,指南車,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。,5,指南車 原理,6,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。,7,飲酒速度自動(dòng)調(diào)節(jié)器,8,計(jì)里鼓車,9,候風(fēng)地動(dòng)儀圖,候風(fēng)地動(dòng)儀圖,10,自動(dòng)化技術(shù)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),11,自動(dòng)裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用（18世紀(jì)以前）,“自動(dòng)控制”作為一種技術(shù)掌握在發(fā)明家的手中,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 、

3、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,12,(2) 近代自動(dòng)裝置,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.

4、波爾祖諾夫于公元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。,13,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）,14,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)定判據(jù)。,15,經(jīng)典控制理論,穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基

5、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。,16,反饋控制系統(tǒng)框圖,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,反饋通道,17,局部自動(dòng)化時(shí)期 (20世紀(jì)40-50年代),經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用,電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明,18,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)

6、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。,19,經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,代數(shù)穩(wěn)定判據(jù) 傳遞函數(shù) 根軌跡法(W.埃文斯（Evans）1948年) 頻率法,20,局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用,模擬計(jì)算機(jī) 氣動(dòng)單元組合儀表 智能化的儀表和控制器,21,電子數(shù)字計(jì)算機(jī),電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路 數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程 數(shù)字計(jì)算機(jī)是現(xiàn)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,22,國(guó)產(chǎn)巨型“銀河”電子數(shù)字計(jì)算機(jī),國(guó)產(chǎn)巨型“銀河”電子數(shù)字計(jì)算機(jī),23,綜合自動(dòng)化時(shí)期（20世紀(jì)50年代末起至今）,.龐特里亞金提出極大值原理 R.貝爾曼創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃 R.卡爾曼提出狀態(tài)空間法

7、(可控性、可觀性、最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)等),現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展,24,現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,系統(tǒng)辯識(shí)、建模與仿真 自適應(yīng)控制 遙測(cè)、遙控和遙感 大系統(tǒng)理論 模式識(shí)別和人工智能 智能控制,25,（1）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,(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。

8、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。,26,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。,(5) 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(yǔ)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。,(4) 大系統(tǒng)理論的誕生,27,(6) 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)，如智能機(jī)器人。,28,智能和水下機(jī)器人,29,綜合自動(dòng)化,20