自动化专业概论开篇

《自动化专业概论开篇》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化专业概论开篇（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、王 伟 控制科学与工程学院 2014年,自动化（专业）概论,参考书 1 万百五 主编， 自动化（专业）概论，武汉理工大学出版社，2002年。 2 戴先中， 自动化科学与技术学科的内容、地位与体系，高等教育出版社，2003年。 3戴先中、赵光宙，自动化学科概论， 高等教育出版社， 2006年。 4 韩璞，自动化专业概论，中国电力出版社，2007年。 5周献东主编，自动化导论，科学出版社，2009年。 6赵曜，自动化概论，机械工业出版社，2009年。,主要内容,自动化、自动化专业和自动化学科 自动化学科的内容与体系 自动化技术与机器人 自动化在交通系统中的应用 自动化在电力系统中的应用 制造业信息

2、化与计算机集成制造系统 流程工业综合自动化技术 大数据与自动化,自动化（专业）概论 自动化、自动化专业和自动化学科,进入“自动化”专业的每个学生，都渴望了解自己所学的专业： 自动化专业的性质，它在我国国民经济和国家发 展中的作用和地位，自动化技术的当前概貌和它的未来发展？ 学校将通过哪些途径把自己培养成有素质的自动化技术人才？ 自己在学校环境里将学到哪些知识，获得哪些技能，培养哪些能力？ 怎样适应大学的学习生活，怎样最大限度地调动自己的学习潜力，发挥自己学习的主动性，发展自己的特长和才华，创造性地进行学习？,的问题？,自动化一些术语 控制系统和控制方法 自动化专业与自动化学科 大工自动化专业

3、有关自动化的学术组织 自动化专业对人才的素质要求 自动化专业的教学任务与特点 自动化专业学生的学习任务 如何完成大学的学习任务,自动化(Automation) 指机器或装置在没人或很少人直接干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。按照人的要求，采用能自动调节、检查、加工和控制的机器、设备进行生产作业、以代替人工直接操作的措施（辞海）。 定义很广的概念：现代化、电气化、自动化等。半自动化、全自动化、综合自动化。,自动化专业,控制（Control） 指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。 宏观：经济发展，人口控制。微观：日常生活中。 自动化与控制

4、的区别 自动化：指设备、过程或系统等具体物理对象的“自动”运行。 控制：指为达到目标而采用的方法与手段，应用范围比自动化广，自动化的核心是信息、控制和系统。 属性：自动化属技术科学，控制属基础科学,自动控制（Automatic Control） 研究自动化的方法和技术工具的学科 关于受控系统的分析、设计和运行的理论与技术 自动控制，飞机、卫星、家电 控制论（Cybernetics） 研究动物和机器中控制和通信的一 般规律的学科 （Wiener，1948年） 着重研究上述过程的数学关系， 而不涉及过程内在的物理、化学、 生物或其它方面的关系 含有理论色彩，不考虑具体的事物， 在一些假设条件下，探

5、讨控制规律 理论方法，信息论、现代数学、最优控制,（18941964） 美国MIT数学系最知名的教授,系统（System） 由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分 组成的具有某种功能的有机整体 特点：惯性、时滞、时变、扰动等 连续、离散、混杂 确定性、随机性 串联、并联 多输入、多输出 线性、非线性 参数（结构）已知、未知,返回,反馈（Feedback） 将实际输出和期望输出进行比较，形成误差， 为下一步的控制提供依据,调节（Regulation） 指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、 速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过 程。,恒值控制（Set point）

6、克服扰动，保持调节量为恒值 调节水温、飞机高度、冰箱温度、,(a) 手动控制 (b) 自动控制 图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。,随动(Servo,伺服） 给定信号是预先未知、随时间变化 火炮打飞机、天文望远镜 程序控制 按照预定的程序（时间顺序）来控制 可编程控制器（Program Logic Controller，PLC） 控制系统的组成 被控对

7、象、执行机构、控制器、 给定、反馈、比较、,自动化仪表 传感器：将被测的物理量变换为电量 变送器：与传感器配套， 输出标准信号（420mA） 执行机构：接受控制器来的信息 并对被控对象施加控制作用 电动调节阀、液压伺服电机 计算机控制系统 稳定性 动、静态特性 上升时间、振荡、稳态误差,比例积分微分控制（PID控制) 比例：放大（缩小） 积分：消除稳态误差 微分：超前、预测误差变化趋势 扰动补偿 可测扰动，不可测扰动,控制方法,控制对象是非线性的含有这样非线性环节或元件的系统，称为非线性系统。线性系统由线性部件组成，并以线性微分方程来描述。非线性系统以非线性微分方程来描述。非线性系统会出现一些

8、在线性系统中不可能发生的奇特现象。非线性系统的分析和综合远比线性系统复杂。,非线性控制（Nonlinear control),最优控制（Optimal Control） 时间最少、能耗最小 系统辨识与参数估计 系统辩识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。通常有必要在仿真设备上试验系统，包括建立、修改、复现系统的模型。 自适应控制（Adaptive Control） 自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下改变反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。 解决控制对象未知、变化的问题 系统辨识在线控制器设计,返回,遥测

9、、遥控和遥感 遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就是对被控对象进行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。 模式识别和人工智能（Pattern Recognition and Artificial Intelligence) 使用电子数字计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对

10、答的机器人等等。,智能控制（Intelligent Control) 对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析、设计。智能控制具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。按照这些思路已经研究出一些智能控制的理论和技术： 专家控制系统 （Expert System） 模糊控制系统 (Fuzzy Control) 神经控制系统(Artificial Neuron Network),操作员看着反馈环节（传感器）对被控制量的测量指示，脑里进行着复杂的推理和判断，首先判断瞬时误差的正负和大小，然后

11、识别调节过程的特征，如超调（在调节过程中的调节过头）、振荡次数（调节过程中的）和稳态误差等，再根据以往的控制知识和经验决定：应该施加多大（增加还是减少）的控制器输出至执行机构。,专家控制器框图,专家系统（Expert System）,模糊控制系统(Fuzzy Control) 操作人员根据他的知识和经验在对被控量（输出）的特征进行识别，后者常常是用语言信息表示的。例如，炉温作为一个语言变量,其温度集T可为: T(温度)=超高,很高,较高,中等, 较低,很低,过低. 然后进行复杂的推理和判断，它们也是基于语言信息的。例如被控量的误差小，或者被控量在调节过程中上升较快，超调较大，则控制器的微分作用

12、应该是“较大”。上述规则也就是模糊控制规则。这样表达知识既方便又有效。这种语言表达的控制规则，用于控制就形成了“模糊控制”。,模糊控制系统框图,L Zadel 教授简介 美国自动控制专家，美国工程科学院院士。1921年2月生于苏联巴库。1949年获哥伦比亚大学电机工程博士。现任UC Berkeley电机工程与计算机科学系教授。由于其在模糊集理论的先驱性工作而获电气与电子工程师学会(IEEE)的教育勋章，因此被誉为模糊系统理论的创始人、模糊数学之父。,受L. A. Zadeh教授的正式邀请，大连理工大学电信学部控制科学与工程学院李洪兴教授率领他的科研团队部分成员王加银、汪德刚、胡丹和冯远福201

13、3年4月24日来到U. C. Berkeley)进行了专场学术报告。报告的题目为：四级倒立摆的稳定性一个具有高度复杂性的问题。 李洪兴教授和他的助手们在ICSI 报告厅现场进行了直线四级倒立摆实物实验演示。当高复杂性、高难度的直线四级倒立摆稳定起来以后，包括Zadeh教授在内的到会学者给出了热烈的掌声。Zadeh教授站了起来，连声说“remarkable!”，走到李洪兴面前，表达了他极高的评价。转天，李洪兴教授收到了Zadeh教授发来的感谢信。信上写到：“你所描述的系统是一项卓越的成就，你的成就值得获一个大奖。你用精致的数学刻画倒立摆的稳定性给我留下了非常深刻的印象。我赞美和祝贺你的开创性的成

14、就（path-breaking achievement）。”,人工神经元由计算机模拟一个生物神经元，并在这个基础上发展成人工神经网络。,神经控制系统(Artificial Neuron Network),yj(t)= f(wji-j),自动化专业,自动化是人类文明进步和现代化的标志。自动化不仅可以部分或全部代替人的体力或脑力劳动，而且可以完成人类依靠自身的体力和脑力劳动无法直接完成的任务。 “自动化专业”培养从事自动化科学与技术研究的专门人才，注重自动化科学自身的应用基础研究。 此外，在一些应用领域，已经演化出一些专门的自动化技术，如：化工自动化、电力系统自动化等。 可以说，当今社会一切人类大

15、型工程，如：核电站、宇宙飞船、动车组等，其核心都是自动化系统。,自动化专业,“自动化”是教育部发布的普通高等学校本科专业目录（2012年）一个本科专业类别（代码0808）。目前，下设一个“自动化”通用专业（代码080801）和“轨道交通信号与控制”特设专业（代码080802T）。 截止2013年，全国共有446所高校设有“自动化”本科专业，81所高校设有“轨道交通信号与控制”本科专业，年招生人数超过3万人。 “自动化”专业毕业生就业领域宽、就业率高，大多数都已成长为国民经济建设的重要专业技术人才。2010-2013年间，全国已有68所高校自动化专业先后被教育部列入“卓越工程师教育培养计划”。,

16、国际方面 目前国际主流教育体制中没有自动化专业。以英美为代表的高等教育经多次教育改革逐步淡化了专业，在高校中从没设立过自动化专业，也很少有类似的控制专业。有关控制与自动化的科研与教学分散在相关的电气电子、机械、化工、计算机、应用数学等系。 国内几乎所有的工科高校都有自动化系（或自动控制系、控制工程系）。 历史原因 英美为代表的教育体制一直在走“通才”教育，宽口径专业的改革之路。20世纪初以来，随着工业化的完成， 形成至今的工科教育体系行业性专业设置。如机械系、化工系、电气电子系（EE）等，EE系基本包括了我们的电子系、通信系、自动化系等。 我国建国后学习苏联的“专才”教育，细分专业，每个系都有45个专业。改革开放后开始推行“通才”教育。,深层次原因和本质分析： 1、自动化学科覆盖面广、与其它学科交叉，从而要求自动化专业的基础和知识面要宽、要学习的知识多，有利于培养宽口径、多面手、复合型人才。 其实，自动化学科不但是具有鲜明特色、特点的学科，而且有完整的科学结构与知识体系。 2、美国近年来开始