自动化科学与技术学科的内容教学课件PPT 25页

'自动化科学与技术学科的内容、地位与体系自动化的发展历史自动化学科的特点自动化学科的内容与结构体系自动化学科的研究层次自动化在社会发展中的地位与作用自动化学科面临的机遇与挑战 自动化的发展历史自动化的概念起源于最早的自动控制(应用自动控制的方法代替人工控制各种机械设备）公元前人们就自觉或不自觉的应用控制的概念达到一定的控制目的。如：古代神庙庙门的自动开闭和分发圣水装置、我国古代的自动计时漏壶和指南车等。虽然最早的自动控制可以追溯到公元前，但对自动化的大量需求开始于工业革命时期。1788年瓦特应用反馈原理发明了能够自动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸汽机转速的离心式调速器——自动化应用的第一个里程碑。1868年以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦尔研究了反馈控制系统的稳定性问题，发表了作为控制理论最早成果的论文“论调速器（Ongovernors）”。随后源于物理学和数学的自动控制理论（当时称为自动调节原理）开始逐步形成。1892年俄国数学家Lyapunov的论文“论运动稳定性的一般问题”，提出了Lyapunov稳定理论。20世纪10年代提出了PID控制律。 自动化的发展历史20世纪20年代，发明了电子管并被大量应用，为了使电子管在其性能发生很大变化的情况下仍然能够正常工作，1927年反馈放大器正式诞生。“反馈”作为控制的核心概念被确立，并得到了一系列的有关系统稳定性与其他品质分析的大量成果。从此各种电子式控制器被大量应用于各种机械和电子系统，使自动化设备真正能在无人控制的情况下更有效、更安全地工作——电子式控制器的应用成为自动化应用的第二个里程碑。至20世纪40年代初第一代“控制理论”——经典控制理论正式诞生。20世纪40—60年代著名的《控制论》（Cabernetics）和《工程控制论》先后问世，基于状态空间方法的现代控制理论对人类征服太空起了不可磨灭的作用，并被成功的应用于航空、航天及其他领域。（1952年和1954年第一台数控机床与第一台工业机器人先后问世。1957年苏联发射了第一棵人造卫星。1968年美国阿波罗飞船登上月球）——现代控制理论的诞生。 自动化的发展历史70年代开始，随着计算机技术的不断发展，以计算机控制为代表的自动化技术与工业机器人被广泛应用，并逐步形成柔性自动化、计算机集成制造系统CIMS、计算机集成过程控制系统CIPS等一系列先进自动化模式与理念，并再一次成为发达国家工业生产追求的模式。——数字计算机、网络的普遍应用和系统、管理的理念的引入可算是自动化应用的第三个里程碑。自动化技术从工业自动化向国民经济各领域的渗透。商务、办公自动化、楼宇自动化、交通自动化、农林自动化等自动化技术的发展目前正方兴未艾。同时由于控制过程和与环境交互的复杂化，控制更加复杂，要求的智能程度更高——知识和智能的普遍应用成为自动化应用的第四个里程碑。 自动化学科的特点一、实践性自动化的发展总是和社会的重大需求联系在一起。从工业革命到二战时期武器装备的需求，诞生了完整的古典控制理论以及相应的自动化技术。人类登月这一伟大事件以及工业生产过程的复杂化、航空航天技术的发展是现代控制理论的强大推动力。当今，我国社会发展对自动化的需求是国民经济和社会信息化、“新型工业化”、“以信息化带动工业化”以及国家安全的重大需求。二、时代性自动化技术总是具有最鲜明的时代性。作为人类改造世界的重要知识和技术手段，人们总是把最先进的技术用做自动化技术的主要内容。 自动化学科的特点50年代前后，是以“电气化”为时代特点。当时的自动化技术是建立在“电器技术”的基础上。如：各种仪表、电子管放大器、电机放大器（交磁放大器）、晶体管放大器、晶闸管等。80年代后，计算机技术的不断发展，使自动化技术的核心转移到计算机控制。如：数字仪表、DDC、DCS、PLC等。当今的时代是以信息技术的飞速发展和广泛应用为特征，信息技术成为自动化学科的主要技术内涵。自动化学科作为信息学科的一部分，且比单纯的信息技术的应用丰富的多。信息技术的各种最新技术成果会被自动化学科所迅速采用，而自动化学科的有关理论、方法论从另一方面激发和深化了信息技术的发展。三、系统化自动化学科与其他学科的不同之处在于自动化学科总是强调从系统的角度来分析、研究和实现各种目标。“系统”不仅重视其组成，更重视其性能，所以模型和优化总是自动化学科最关心的问题。 自动化学科的特点四、交叉性自动化学科作为“系统”学科，离不开信息技术、电气技术、数学以及自动化对象的相关领域的知识（如：机械、化工过程等）。因此自动化学科需要与更多的学科交叉、融合，以“系统”为主线把相关学科的知识如珍珠一般穿起来，进而促进各学科的发展。 自动化学科的基本内容与结构体系自动化技术的发展与演变过程时间系统模式自动化技术组成20世纪50—60年代前期经典控制和手动结合检测技术、仪表技术、电气技术控制技术60年代后期—70年代计算机与控制技术结合（DDC）检测技术、仪表技术、电气技术、控制技术、信息处理技术80年代—90年代前期计算机系统和与集散控制系统（DCS）结合检测技术、仪表技术、电气技术、控制技术、信息处理技术、模型技术、系统与平台技术90年代后期—21世纪初计算机网络系统、现场总线系统与智能单元结合检测技术、仪表技术、电气技术、控制技术、信息处理技术、模型技术、系统与平台技术、优化技术仿真技术、智能技术 自动化学科的基本内容与结构体系自动化科学与技术的整体知识框架系统知识层控制知识层基础知识层 自动化学科的基本内容与结构体系一、基础知识层知识领域：数理、机电与计算机基础知识单元：数学、物理、电工电子基础、机械基础、计算机原理、计算机语言以及系统相关基础（化学、生物学、生命科学、脑科学、管理科学等）二、控制知识层控制与智能计算与处理传感与检测模型与仿真执行与驱动通讯与网络 自动化学科的基本内容与结构体系1、模型与仿真（对象）知识单元：系统辨识及参数估计、系统建模技术、系统仿真与CAD、电机原理与传动、机械原理与结构、机器人原理等。2、执行与驱动（执行器）知识单元：光机电一体化、机电汽液驱动、自动化仪表、各种遥控器、电力电子等。3、控制与智能（控制器）知识单元：控制理论、稳定性与鲁棒性、可靠性与容错、自适应、自学习、人工智能、最优、智能控制等。4、传感与检测（传感器）知识单元：传感器、光电检测、检测与诊断、遥测与遥感、抗干扰技术、机器人感知、测量信号处理等 自动化学科的基本内容与结构体系5、通讯与网络（A/D、D/A）知识单元：通讯技术、计算机网络、多媒体等。6、信号处理：知识单元：信号、图象处理、并行与分布处理、软件工程、计算、搜索与推理、模式识别等。三、系统知识层知识领域：系统与工程知识单元：多变量系统、非线性系统、分布参数系统、离散系统、大系统、复杂系统、运动控制系统、过程控制系统、集成自动化系统、管理信息系统、系统工程、运筹学、最优化、智能系统、机器人系统等。 自动化学科的研究层次控制是自动化学科的核心概念，也是自动化学科与其它学科的最大的不同点，因此，可以从控制的角度来分析自动化学科研究的不同层次，区分自动化学科的不同特征。下面是根据被控对象的不同物理和数学形态，将自动化学科研究分为以下三个不同的层次：模型的控制，突出学科的数学特征。信息的控制，突出学科的信息特征。实体的控制，突出学科的工程特征。 自动化学科的研究层次1、“实体的控制研究”——突出学科的工程特征实体的控制，即工程中具体对象（实际设备）的控制，是自动化科学技术中最基本也是最实在的控制，最充分体现了自动化科学技术的作用是如何有效的利用信息来促进能量和物质的有效利用。因此实体的控制直接关联到许多其他相关工程学科——机械工程、电机工程、航空和航天工程、化学工程等（如：电力系统自动化涉及到电机工程、制造系统自动化涉及到机械工程、化工生产过程自动化涉及到化工工程）。这些都充分反映了自动化学科的工程特征与对象依赖性。实体的控制（即具体对象的控制）特点：（1）工程特征，从而具有明显的使能特性与对象依赖性。（2）桥梁特性，构筑了信息与能量、物质之间的桥梁。（3）交叉特征，与其他工程学科密切交叉。 自动化学科的研究层次在这一层次的研究应注意下面两个问题：（1）在信息的概念还未建立，自动化科学技术还未上升为一门学科之前，所有的控制都被认为是实体的控制。在信息、物质和能量并列为当今物质世界的三大支柱，自动化科学技术成为一们独立的学科之后，研究的重心逐步有物质和能量转移至信息，因而，今天的实体控制研究不考虑信息、不应用信息技术工具是不可想象的。（2）工程中具体对象涉及面非常广，从事实体控制的研究不可能面面俱到，而须有所侧重。 自动化学科的研究层次2、“信息的控制”研究——突出学科的信息特征20世纪40—50年代自动化科学技术正式成为一门独立的学科，主要应归功于维纳的《控制论》和钱学森的《工程控制论》所建立的信息和系统的概念。从系统的观点研究信息的控制深刻反应了自动化学科的信息特征与系统特征。因此“信息的控制”这一层次应是自动化学科研究的主体，包括研究系统建摸、信息获取、信息处理和信息控制的各种原理和方法，研究大型复杂系统的设计方法、控制理论和技术实现途径，以及自动化技术在各种工程和非工程系统应用中所带来的跨学科理论和方法问题等。“信息的控制”的特点：（1）信息特征。重点研究信息，是信息科学技术的重要组成。（2）系统特征。从系统的观点研究控制，通过“综合”与集成“的方法解决大型复杂系统、过程或工程的有效控制和管理问题。 自动化学科的研究层次（3）渗透与扩散特性。研究解决的是带有一定普遍性或共性的对象（机器、设备、系统、过程乃至生物）的信息控制问题，目的又是为了改造世界，因而有很强的渗透与扩散特性以及广阔的应用范围。3、“模型的控制”研究——突出学科的数学特征自动化学科是具有最坚实数学与理论基础的技术学科之一，继续加强基础理论研究仍是自动化学科发展的重要任务。一方面，构筑自动化学科严密的理论架构，为实际控制提供有效的原理和方法，另一方面是建立能准确反映被控对象特征的数学模型。实际上，对自动化学科的理论研究来说，与其他学科的交叉更多的就体现在系统建模中。（强调自动化学科的数学特征和理论特征以及模型在控制中的突出地位）“模型的控制”的特点： 自动化学科的研究层次（1）抽象特征。模型有一定的普适性，即不仅要对实际的复杂互连系统进行模型具体化，还要对模型进行加工、改造，使其更抽象，具有普适性，而不在局限于某个系统。（2）数学特征。一方面已经有坚实的数学基础，另一方面还有充实发展新的数学工具及数学方法。实际上许多新的数学方法都是首先用在自动化学科之后在用于其它技术学科的。（3）理论特征。研究与自动化有关的原理性问题，提出具有普适性的新的控制理论和方法是其根本任务。4、不同的研究层次之间的关系自动化学科归属于电类学科，从电的角度讲：“实体的控制”——弱电与强电结合，偏重强电。“信息的控制”——弱电与强电结合，偏重弱电。“模型的控制”——介于弱电和无电之间。 自动化学科的研究层次从对应国家自然科学基金相关学部与学科的角度划分“模型的控制”——接近于应用数学，偏重于理论，属于基础研究。“信息的控制”——突出信息，且理论与应用密切，应属于信息学部的应用基础研究。“实体的控制”——强调应用、工程，与其他工程学科密切交叉，应属于工程学部的应用基础研究。从对应国家基础科学研究计划（973计划）和国家高科技发展计划（863计划）的角度划分“模型的控制”——自动化科学——基础研究（973）“信息的控制”——自动化科学与技术——基础研究（973）、高科技研究（863）“实体的控制”——自动化技术——高科技研究（863） 自动化在社会发展中的地位与作用一、自动化在工业化进程中的地位和作用从科学技术对“现代工业”发展影响的角度，世界范围的工业化进程大致可分为三个阶段——机械化、电气化和自动化。世界范围内工业化发展的三个阶段工业化阶段主要特征起源时间大量的应用于工业时间在工业化中的作用机械化使用机器（动力机、传动机）1760年（蒸汽机）1870年前后机器—工业化的基础电气化应用电机、电网络1870年前后（发电机）20世纪初（输电网）电机与供电网络—能量流自动化电子控制器1927年（电子反馈放大器）1950年前后基础自动化刚性自动化生产线 自动化在社会发展中的地位与作用随着时代的发展，除了要求工业化在国民经济中占主要地位不变外，工业化的科技标准在不断发展、不断提高。当今，衡量一个国家是否实现工业化，不仅要看其机械化水平、电气化水平，更要看其自动化水平。自动化是工业化的最重要标志。二、自动化在信息化进程中的地位和作用自动化技术和信息化技术之间的关系信息技术的四个组成部分：信息获取信息应用信息处理信息传输 自动化在社会发展中的地位与作用从信息的角度看自动化设备的组成执行器传感器计算与控制机器或设备被控对象信息应用信息的处理信息的获取 自动化在社会发展中的地位与作用工业“信息化”发展的三个阶段计算机化（数字化）：在自动化机电系统中大规模使用数字计算机。网络化：在自动化机电系统中实现计算机联网。系统化（集成化）：综合集成了系统观念和管理理念。 自动化学科面临的机遇与挑战“如果一门学科是真正有生命力的，它的引人兴趣的中心就应该且必须随着岁月而转移”——《控制论》第二版序言。随着越来越多的装置包含嵌入式处理器、传感器和联网硬件，计算机、通信系统和检测设备正在变得越来越便宜，越来越无所不在。因此，无所不在的分布式计算、通信和检测系统的出现已经创造了这样一个环境，一方面使我们能够方便的获得大量的信息，另一方面使我们能够采用二十年前想象不到的方式和速度来处理这些信息。这对于实时控制来说是如此的重要，使得有可能研发出带有真正智能的机器，解决各类复杂的相互间联系和影响的物质和信息系统的控制与协调问题，从而对物质世界的一切产生深远的影响。自动化科学与技术有进入一个创新和发展的黄金时期。 谢谢！'