自动化 概论

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1、所谓自动化(Automation),是指机器或装置在无人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。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。自动化技术广泛 用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。采用 自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解 放出来，而且能扩展、放大人的功能和创造新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认 识世界和改造世界的能力。因此，自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。与自动化密切相关的一个术语是自动控制(Au to ma tic Con trOl),两者既有联系，但也 有一

2、定的区别。自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。一般地说，自 动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、 生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等， 显然这些都不能归人自动化的研究领域。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制， 在这个意义上自动化和自动控制是相近的。目前，在我国的高等院校中，有的设置的是自动 化系，有的设置的是自动控制系，它们都是同样属性的系别。为了强调信息(1nforma tion) 在自动化或自动控制中的重要作用，有的高等院校将该类专业系名取为信息与控制工程系。在系统总结自动控

3、制中反馈等思想的基础上，i948年M维纳(Wiener)提出r控制论 (Cybernetics)，将控制论定义为“研究动物和机器中控制和通信的科学”。但随着电子计 算机技术的高速发展和应 用，控制论已经成为研究各类系统中共同的控制规律的科学。由于自动化或自动控制具有明 显的工程特点，一般又将本学科称为控制科学与工程(Con trol Science and Technology)， 以此作为本类专业较有包容性的统称。控制科学与工程的核心问题是信息，包括信息提取、信息传播、信息处理、信息存储和 信息利用等。控制科学与工程和一般的信息学科不同，控制科学与工程是在理论上用较抽象 的方式来研究一切控制

4、系统的信息传输和信息处理的特点和规律，研究不同的控制规律达到 不同的控制目的。一般的信息学科研究信息的测度(Measure)，并在此基础上研究实际系统 中信息的有效传输和有效处理等问题(如编码、译码、信道容量及传输速率等)。控制和通信 存在不可分割的关系，人控制机器，或者计算机控制机器，都是一种双向的信息流的过程。作为我国一级学科的控制科学与工程，下设有控制理论与控制工程、检测技术与自动化 装置、系统工程、模式识别与智能系统和飞行器导航、制导与控制等二级学科(专业)，见图 1. 1。和不同的学科相结合，它形成了许多相互联系又相互区别的研究领域，例如飞机控制、 导弹控制、卫星控制、船舶控制、车辆

5、控制、交通自动化、通信系统自动化、化工自动化、 冶金自动化、电力系统自动化、机械制造自动化、农业自动化、图书馆自动化、办公自动化 和家庭自动化等等，如图1.2所示。简而言之，自动化类专业是一个口径宽、适应面广的专业，具有明显的跨学科特点。对 实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极的 作用。1.4 当前自动化类专业对所培养人才的素质要求 随着科学技术的飞速发展，人类已经 进入了崭新的21世纪。在新的世纪里，经济全球化、全球信息化正在极大地改变人们的生 产、生活方式。人类在新材料、新工艺、新能源、生命科学、信息科学、系统科学、航天飞 行等高科技领域的新成就，

6、也将给人类生活带来深远的影响。在这个信息化的时代里，不断 进步的计算机技术延伸和扩展了人类大脑的功能，而互联网缩小了人与人之间的距离，使人 们的信息交换，交流变得无比的简单、快捷。可以想像，人们进行产品开发、系统设计和所 有科研活动在工具、方式、形式和内容等都将和以前大不相同。国家和社会对专业人才的素 质将会提出更高更新的要求。因此，我国教育部门提出了面向21世纪素质教育这一宏大的 课题。什么是人的素质呢?按照教育学的观点，是指“人在先天生理基础上受后天环境、教 育影响，通过个体自身的认识和社会实践，养成的比较稳定的身心发展的基本品质”。普遍认为21世纪的工程师至少要做好回答以下问题的准备；(

7、1) 会不会去做是否在科学技术上掌握了必需的知识和技能，能解决工程中遇到的难题。(2) 可不可以做是否掌握了足够的法律知识和良好的道德观，能在政策法规和社会公德 允许的条件下开展工作。(3) 值不值得做 是否具备了科学的判断和决策能力，能在人、财、物和时空约束下经 济合理地完成任务。(4) 应不应该做是否拥有了优良的前瞻和预测未来的能力，能自觉地考虑生态可行性和 工程持续性等。以此为出发点，有志成为自动化领域专门人才的青年学生，可以思索今天应该追求的个 人素质和品质。简单地讲，它们应该包括：(1) 认知和技能方面 掌握数理等基础理论的原理和方法； 了解机械、力学、电器、化工等相关学科的一般原理

8、和方法； 掌握计算机、通信、电子等关联学科的基本原理、方法以及相应的实验仪器和设备的 使用技能； 掌握控制系统分析和综合(设计)等专业知识和方法； 掌握系统仿真、科学计算、软硬件开发等科学实验方法和技术；具有哲学、方法论、经济学、历史、法律、伦理、社会学、文学、艺术等人文社会科学方面以及军事方面 的基本知识； 具有良好的资料收集、文献检索以及口头表达和书面写作等技巧和能力，并形成很强 的自主学习能力，培养终身学习的观念； 具有辩证的、逻辑的、形象的和创造的科学思维方式和对事物进行统计、分析、综合、 归纳的技能，并形成较强的发现问题、分析问题和解决问题能力； 具有一定的适应、协调、合作、组织和管

9、理能力。(2)思想和情感方面 政治品质热爱祖国、关心集体、尊敬师长、爱护同志和家人，关心国家大事、时事政 治，有较强的法治、法规观念； 思想品质树立了积极向上的人生观、正确的价值观和辩证唯物主义世界观，对我国自 动化事业有情感、有信念、有责任心； 道德品质有良好的品德修养和文明的行为准则，具有敬业精神和职业道德。(3) 意识和意志方面实践意识坚持一切从实际出发，不迷信书本、不迷信权威。质量意识认认真真做好每一件事，在研制和开发的每一个环节都坚持质量至上的思想。 协作意识现代科学研究和现代工程已经很少是一个人可以独立完成的了，所以要能与 同事协同工作、协调配合。不会和他人协作的工程师，一定不会是

10、一个合格的人才。 创新与竞争意识现代社会是充满挑战和竞争的社会，只有那些不断追求新意境、新见 解、敢于竞争的人才能把握机遇、走向成功。那些墨守成规、固步自封的人只会在抱怨声中 错失良机。 坚毅意志人生路漫漫，每个人在生活、学习和工作中都可能遇到这样或那样的困难和 挫折，要敢于面对困难、善于克服困难。只有拥有坚强的意志和顽强的精神，才可能克服眼 前的困难，实现预定的目标。(4) 其他方面学风上勤奋、严谨、求实、进取；作风上谦虚、谨慎、朴实、守信；具有健康的心理、务实的心态；具有健全的体质、良好的体能；拥有旺盛的精力、敏捷的思路。自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与

11、工程 的范畴。自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和 软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、 办公室自动化和家庭自动化等等。采用自动化技术不仅可以使人从繁重的体力劳动、部分脑 力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动 生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化技术的研究、应用和推广，对人类 的生产、生活的方式将产生深远影响。目前正在推行的利用信息技术（包括计算机、自动化 等）来改造旧生产工艺和提高产量和质量、提高管理及经营水平的政策以信息

12、化带动工 业化的政策，就是例证。生产过程的自动化和办公室自动化可极大地提高社会生产率和工作效率，节约能源 和原材料消耗，保证产品质量、改善劳动条件，改进生产工艺和管理体制，加速社会的产业 结构的变革和社会信息化的进程。中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。指南车、 铜壶滴漏、浮子式阀门、记里鼓车、漏水转浑天仪、候风地动仪、水运仪象台等就是其中比 较著名的几种。（1）指南车 指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。关于指 南车的发明有许多传说和记载。据史书记载，东汉张衡（公元78139）、三国时代魏国的马 钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车

13、。宋史舆服志中对指南车的构造和各齿轮大小和 齿数都有详细记载。指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合 的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动， 并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯 产生的影响。车向正南方向行驶时，车轮和木人下的大齿轮是分离的，木人指向不变。因此， 无论车转向何方，都能使人的手臂始终指向南方。指南车是一个保持方向恒定的自动装置。（2）铜壶滴漏即漏壶，中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。漏壶的最早记载 见于周礼。这种计时装置最初只有两个壶，由上壶

14、滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升 起以示刻度（即时间）（图26之右）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问 题后来是互相衔接的多级（35级）水壶来解决的。宋朝王普所著官术刻漏图（公元-35） 曾描述一种莲华漏，后该书失传。根据宋朝杨军的六经图（公元1155）转述：莲华漏（图 26之左）由4个壶组成。天池壶、平水壶逐级向平水小壶供水。平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。在莲华漏中还采用 一个浮子式阀门作为自动切断阎。当受水壶水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上 级平水壶的出水小孔，切断水滴（见图26上平水壶前的一个小鸟式装置）。图27为宋代 燕肃所制刻漏。（

15、3）饮酒速度的自动调节宋朝仇士良著的岭外代答（公元1178）曾记载中国南方和西南方部落村民的一种 习俗，就是常用长0_6米以上的饮酒管饮酒。在这种竹制饮酒管中有一条银制小鱼，作为可 动的“关捩”（即浮子式阀门）。饮酒时吸得太快或太慢，小孔就会被小鱼自动堵塞（古今 图书集成，图28）。这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮酒速度。（4）计里鼓车 中国古代有能自报行车里程的车制，是东汉以后出现的，由汉代鼓车改装而成，车中装设 具有减速作用的传动齿轮和凸轮、杠杆等机构。车行一里，车上术人受凸轮牵动，由绳索拉 起术人右臂击鼓一次，以表示行车的里程（自报测量里程，图29和图210） 。（5）漏水转浑天仪公元2

16、世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是种用漏 水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现 天体运行的自动仿真。浑象是在 一个直径为1. 5m的铜球上刻有28宿、中外星官、黄赤道、南北极、24节气、恒星圈、 恒隐圈等。这里的关 键是漏水要推动一个恒速旋转的齿轮使浑象与天球同步转动，用来表 现星空的周日视运动，如恒星的出没和中天（图2 . 1 1 ） 。（6）候风地动仪公元132年东汉张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器（图 2.12）。它的工作 原理涉及到检测地震信号的大小和方向。（7）水运仪象台北宋哲宗元裙三年（公元1088）,苏颂、韩公廉等人制成的水力天文装置，高约12m、 宽约7m。它既能演示或能观测天象，叉能计时及报时（图2. 13