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1、 自动化概论报告 首先，通过学习这门课程，就是为了学会从 自动化科学与技术学层面来审视、介绍自动化这门专业。（一） 自动化与自动化学科、专业 在日常生活中，较少听到“自动化”这个名词，更多听到的是什么什么是自动的、自动控制的、或全自动的。例如，全自动照相机、ATM、自动控制的红绿灯、自动门等。当然“自动化”设备，不仅应用与日常生活，更多的是应用于社会财富的创造业产业，包括农业（第一产业）、工业（第二产业）和服务业（第三产业），分别称之为农业自动化、工业自动化和服务自动化。与此同时，军事自动化（自动火炮、导弹、无人飞机、无人战车等）也是自动化的重要应用领域。 到目前为止，工业自动化对人类社会作出
2、的贡献最大，在国民经济中占有举足轻重的地位，在提升国家综合实力方面起着重要作用；而服务自动化今年来发展最快，大有后来居上之势。 以上是从日常生活的感受和体验中获得的对“自动化”设备、“自动化”的初步了解和感性认识，为了能对自动化科学与技术、自动化学科与专业有一个初步但全面的了解，仅有这些感性认识是远远不够的。需要从理性的角度，在了解自动化发展的历史基础上，全面地认识自动化，把我自动化的内涵、本质与外延、应用，了解自动化在工业化、信息化和现代化建设中的重要性与突出地位，为进一步深刻了解自动化科学与技术的定义、内涵和 外延，认识自动化科学与技术在整个科学技术体系中的重要性打基础。 另外，从自动化的
3、定义可以说自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程），在没有人或较少人的直接参与次下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标。并且，自动化涉及的范围极其广阔，几乎是无所不包。 由此可以看出自动化对人类的重要性。一方面，通过实施自动化，能极大地提高劳动生产率。从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低；另一方面，像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下（矿井掘井、核电站检查、消防救火），替代人完成各种作业，把人从繁重危险的工作中解放出来，降低公认的劳动强度，并使蓝领工人变为白领工人。需要指出的是：实施自动化并不必然造成大量工人失业。
4、历史表明，这种担心是不必要的。 自动化的魅力还远不止这些。自动化设备能克服人的局限性-生理极限，完成人无法完成的工作，例如：人易出错，而自动化设备与系统完成作业的一致性与重复性要远高于人，可使生产的产品质量大幅度提高;人的视觉和手无法完成精确的动作，因而集成电路的制作必须采用高精尖的自动化设备；人的躯体“庞大”，无法在窄小空间中作业，因而各种管道（油管、水管）内的检修需要各种管道机器人老完成；人无法承受高温、高压、深水、核等环境下的工作，因此必须采用各种自动化设备或机器人来完成。关于自动化的发展历史，自动化的概念起源于最早的自动控制，而最早的自动控制可以追溯到公元前。应用自动控制的方法代替人工
5、控制各种机械设备是人类发展史中的一大创举。由于自动控制的引入，使得各种机械设备更有效、更安全地运行，生产出的产品质量明显提高。对自动化的大量需求始于工业革命时期。20世纪20年代，电子管反馈放大区正式诞生。20世纪4060年代，控制论，工程控制论先后问世，基于状态空间法的现代控制理论对人类征服太空起了不可磨灭的作用，并成功地应用航空、航天和其他领域。从20世纪70年代开始，随着计算机技术的不断发展与逐步普及，以计算机控制为代表的自动化技术、加工中心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，并再次成为发达
6、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理念的引入可算是自动化发展中的第三个里程碑。随着时代的发展，自动化在工业化建设中的作用和地位越来越高。数字化、网络化和系统化实际上都是自动化的组成部分。其中数字化、网络化是先进自动化的基础、手段与工具（对应着信息技术中的信息传输与信息处理），而系统化或集成化是先进自动化的内涵与目的。因此可以说，先进自动化是制造业“信息化”的最重要标志之一。此外，更有不少学者在许多年前就提出将自动化作为现代的代名词。实施自动化需要强有力地的科学与技术的支撑，自动化科学与技术是自动化取得巨大成功与成效的源泉与基础；要大力发展自动化，首先要大力发展自动化科
7、学与技术。自动化科学与技术是自动化的起源与基础，其物化是自动化设备与系统（硬件和软件），其应用包括自动化设计、自动化制造、自动化工程、自动化管理、自动化决策、自动化运行等待。自动化的核心是控制与系统。控制与系统不但是自动化科学与技术与其他科学技术最大的不同点，更是自动化科学对其他许多科学技术发展所作的重要贡献所在。信息、控制与系统是自动化科学与技术的核心概念。，（二） 自动化的基本原理 实际上，“自动化”可以理解为：一个设备，一个系统或者一个过程，采用一系列特定的技术，在没有人参与或尽量少人参与的情况下实现预期目标的运行过程或运行状态。其中所采用的技术就是自动控制技术，而这一技术的理论基础是自
8、动控制理论，进一步可追溯到工程控制论、控制论。 首先，自动化作为一种行为和一种状态哦，它是通过自动控制系统实现的。系统是一个广义的概念，它无处不在，无时不有。大到一个宇宙，小到一个原子都可以看做一个系统。系统可以是自然的，如天体系统、生态系统，也可以是人造的，如机器、航天器、经济系统等。 一个典型的自动控制系统由下列不同功能的基本部分组成：被控对象;给定环节；测量环节；比较环节；控制环节；执行环节。按照各环节的功能，可以组成典型的自动控制系统，与自动控制系统各环节之间相互联系的是表示一定信息的信号，系统原理图中用带箭头的线段来表示环节间的联系及信息流向。实际上，可以把一个自动控制系统看成是一个
9、将输入信号加工活变换为所期望的输出信号的装备，系统的控制过程就是信号的加工、处理过程。可见，自动控制系统处理的主要是信息或信号。 为了实现自动控制的目的，控制器所要遵循的控制规律就是自动控制理论所研究和阐述的内容，它是自动控制技术的理论基础。但是值得指出的是，它所包含的基本概念、基本原理、基本方法不仅适用于工程技术领域的自动控制系统，也适用于诸如生物系统、生态系统、经济系统、甚至社会系统等领域的控制或管理。 自动控制理论从三个方面对自动控制系统进行研究和阐述：系统的模型，系统的分析，控制系统的综合。其次，自动控制理论诞生以来，已经走过了多个里程碑。不同时期针对不同的世纪问题，提出了不同的解决控
10、制问题的方法，从而形成了不同特色的理论和技术体系。如经典控制理论、现代控制理论、大系统理论和智能控制技术。 对于自动化专业人员，自动控制理论是必须掌握的理论基础；自动控制系统是研究的对象，也是必须掌握的核心内容；自动控制工程涉及具体工程问题，了解基本内容有利于今后开展这方面的工作。（三） 现代自动化科学与技术 随着现代科学和技术的发展，自动化科学与技术在过去的几十年中也发生了翻天覆地的变化，控制技术和控制设备日新月异，控制理论也有长足的发展。 面向复杂系统的控制是自动化科学与技术发展的动力，计算机及其网络技术的快速进步是自动化科学与技术发展的强大支持。为了解决越来越复杂的系统控制问题，系统科学
11、和控制工程的研究者们通过不懈努力，不断地丰富了自动控制理论和自动化技术，形成了现代自动化科学与技术，形成了现代自动化科学与技术的许多不同分支。大规模工业自动化的要求，使自动化系统从局部自动化走向综合自动化，自动控制问题不在局限于研究一个明确的被控对象以及单回路的控制，而延伸至一个设备、一个工段、一个车间甚至一个工厂的全盘自动化问题，因此自动化科学和技术所面对的是一个复杂的系统，其复杂性具体表现为：1系统结构的复杂性（系统模型的不确定性、强烈的非线性、变量过大、维数太大）；2系统任务的复杂性；3系统环境的复杂性。传统的控制理论通常把对象视为孤立的、自由的，实际上一个控制系统是开放的，总要收到外部
12、环境的制约。例如自动车的自动驾驶系统要时时关注复杂的道路，各种各样的障碍物以及其他行驶中的车辆，作出正确的决策和控制。面对具有以上特征的复杂系统，经典控制理论和现代控制理论都显得无能为力，不能解决或者只能部分解决它们的控制问题。从上世纪七十年代以来，一些先进的控制策略和控制技术得以产生和发展。先进控制技术分为自适应控制，鲁棒控制，容错控制。自适应控制：实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。自校正控制系统是一种随机自适应控制系统，它由两个环路组成，内环由被控对象和一个控制器构成，外环则由被控对象的参数估计器、控制器参数计算单元组成。内环是典型的反
13、馈控制系统。模型参考自适应控制系统则是解决自适应控制问题的主要方法。鲁棒控制：是针对被控对象不确定性的一种控制方法。与自适应控制去修正控制器的参数的方式不一样，鲁棒控制是研究如何设计一个固定的控制器，使得相应的闭环系统在强度确定的不确定性扰动作用下扔能保持预期的性能，形成了以不确定性描述、鲁棒稳定性及鲁棒镇定、鲁棒控制器设计为基础的鲁棒控制理论和技术。容错控制：它是指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。容错控制当前主要有硬件冗余和解析冗余两种方法。硬件冗余方法基于硬件结构上的考虑，对重要部件或易发生故障的部件采用双重或多重备份，从而建立起冗
14、余的信号通道，实现对硬件环节失效的控制。解析冗余是一种“软件冗余”，它通过控制器的设计提高整个控制系统的冗余度。智能控制是一种拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。它建立在如下的事实基础上：由于被控对象本身及所处环境的复杂性，特别是各种不确定性因素的存在，虽使得基于数学模型的控制方法显得无能为力，但熟练的操作工、技术人员或者专家凭借他们的经验操作却仍能获得满意的控制效果。并且，智能控制一经出现就表现出了强大的生命力。智能控制又可分为模糊逻辑控制，人工神经网络控制和专家控制。模糊逻辑控制：模糊逻辑是模糊逻辑控制的基础，其中模糊集合论是描述象温度的高低、偏差的大小、阀门开度的大小
15、等这类不具有明确边界的事物的数学工具，它利用隶属度函数将这类事物进行合理的表述。人工神经网络控制:它是模拟大脑神经元之间的链接，实现信息处理、存储等功能。人工神经网络是由大量人工神经元互联而成的网络，每个神经元是网络的一个节点，它接受多个节点输出的信号，并将自己的输出链接至其他节点。另外，人工神经网络还具有以下特点：1具有学习和记忆功能;2对非线性函数的逼近能力；3具有数据并行除了人和泛化（数据的正确内插和外推）能力。另外，神经网络监督控制盒神经网络内膜控制是两种应用于控制的神经网络控制系统。专家控制：专家控制是将专家系统与控制理论方法相结合，应用专家的智能指导工程控制的控制技术，是智能控制的
16、重要分支。专家系统是人工智能的重要内容，它主要 是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。将专家系统应用到自动控制领域，就是专家控制，有两种形式，即专家控制系统和专家控制器。在这里还需要提及的是大系统控制。大系统是指规模宏大、结构复杂、变量数目多的系统。实际上，大系统涉及的领域很广，可以是自然界的，社会领域的，甚至包括工程技术领域的。通常，一个大系统应该具有如下基本特征：1由一些子系统组成，规模庞大；2子系统间纵横交错，关系复杂；3整个系统目标多样，功能综合；4系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往数量较大；5具有非线性特征和繁殖、扩展能力；6往往是有人参与的系统 ，人为因素影响大。大系统的特点是规模大、结构复杂，给控制带来了困难。解决的思路
