自动化学科概论-第5章

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1、自动化学科概论自动化学科概论 第第5 5章章 自动化学科、专业的自动化学科、专业的 知识体系与课程体系知识体系与课程体系自动化学科概论自动化学科概论5.1 自动化学科的知识结构与知识体系5.2 自动化专业的知识结构与知识体系5.3 自动化专业人才的知识、素质与能力5.4 自动化专业的课程结构与课程体系5.1.1 自动化学科的研究内容5.1.2 自动化学科的知识结构5.1.3 自动化学科的知识体系第第5 5章章 自动化学科专业的知识体系与课程体系自动化学科专业的知识体系与课程体系自动化科学与技术学科的结构框架图 维纳给出的负反馈闭环控制结构图 采用计算机控制的典型自动化系统 从“反馈”与“控制”

2、的角度看负反馈闭环控制结构 、从信息与物质、能量的角度 来看基本的负反馈闭环控制结构 用信息与物质、能量转换关系 来表示的负反馈闭环控制结构 、从数字量与模拟量的角度 看负反馈闭环控制结构 、从子系统的角度 来看基本的负反馈闭环控制结构 及其等效图 小结： 典型的负反馈闭环控制中，包含了 “反馈”与“控制”的概念； “信息” 与“物质、能量” 的概念及其关系； 数字量与模拟量的概念及其关系； 系统、子系统的概念及其关系。即包含了自动化学科中的各个重要概念自动化学科中的各个重要概念同时不难发现，几乎所有的与自动化科学与技术学科有关的知识都能从上图所示的典型负反馈闭环控制中反映出来，换句话说，完成

3、一个基本系统的反馈控制需要完成一个基本系统的反馈控制需要用到几乎全部自动化学科知识域中的知识用到几乎全部自动化学科知识域中的知识（虽然只是每个知识域中的部分知识）。 负反馈闭环控制中的各部分与相应的知识领域的对应关系 自动化学科的整个知识结构框架自动化学科的整个知识结构框架自动化科学与技术学科的三层知识结构简图 知识体系由三层知识构成，包括十个知识领域：基础知识层基础知识层：三个知识领域， 数理基础、机电基础、计算机基础控制知识层控制知识层：含六个知识领域，分别为 传感与检测（或信息获取）、 网络与通信（或信息传输）、 计算与处理（或信息处理）、 控制与智能（或信息控制）、 执行与驱动（或信息

4、应用）、 对象与建模；系统知识层系统知识层：含一个知识领域，系统与工程 十个知识领域中， 反映自动化学科特点的五个知识领域是： 控制与智能、 传感与检测、 执行与驱动、 对象与建模、 系统与工程等； 而控制与智能、对象与建模、系统与工程控制与智能、对象与建模、系统与工程等三个知识领域则可视为自动化学科知识体等三个知识领域则可视为自动化学科知识体系的核心知识系的核心知识，也是自动化学科与其它学科的最大区别。知识体系中各个知识领域包含的知识单元 列举如下：1） “传感与检测”知识领域， 包含的知识单元有：理化生等传感器、检测与诊断、遥测、遥感、抗干扰技术、测量信号处理、机器人感知等等； 2）“网络

5、与通信”知识领域， 包含的知识单元有：通信原理、计算机网络、多媒体、遥技术等等；3） “计算与处理”知识领域， 包含的知识单元有：数字信号处理、图像处理、模式识别、数据结构、操作系统、计算算法基础、并行处理、分布处理、软件工程、搜索与推理等等；4） “控制与智能”知识领域， 包含的知识单元有：控制理论、稳定性与鲁棒性、可靠性与容错、最优控制、自适应控制、自学习控制、人工智能、智能控制、人机控制等等；5）“执行与驱动”知识领域， 包含的知识单元有：机电汽液驱动与控制、自动化仪表、光机电一体化、各种遥控器、电力电子等等； 6）“对象与建模”知识领域， 包含的知识单元有：系统辨识与参数估计、各类系统

6、建模技术、CAD仿真技术、电机原理与传动、机械原理与结构、 机器人原理等等；7）“系统与工程”知识领域， 包含的知识单元有：多变量系统、非线性系统、分布参数系统、离散事件系统、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、多智能体等等。 5.2.1 不同类型的知识结构与体系的划分5.2.2 “实体控制”类知识结构与体系5.2.3 “信息控制”类知识结构与体系5.2.4 “模型控制”类知识结构与体系第第5 5章章 自动化学科专业的知识体系与课程体系自动化学科专业的知识体系与课程体系 三类不同的知识结构与知识体系 指导思

7、想： 针从不同的人才需求、不同的培养目标，对同一专业划分三类各有不同（各有侧重、各有特色）的知识结构与知识体系。 自动化学科研究的不同层次研究的不同层次，分别为： “模型的控制模型的控制”，突出学科的数学特征； “信息的控制信息的控制”，突出学科的信息特征； “实体的控制实体的控制”，突出学科的工程特征。 学科研究的不同层次反映了研究工作者不同的研究角度，将学科划分为不同的研究层次可吸引更多的工作者从不同的研究角度来进行研究， 对于本科自动化专业教育，把不同的培养目标与不同的研究层次联系起来，从而得到适适应应不不同同院院校校、不不同同专专业业设设置置需需要要的的不不同同类类型型的知识结构与体系

8、，分别为： “模型的控制模型的控制”类知识结构与知识体系类知识结构与知识体系 “信息的控制信息的控制”类知识结构与知识体系类知识结构与知识体系 “实体的控制实体的控制”类知识结构与知识体系类知识结构与知识体系不同类的知识结构体系 与不同型的自动化专业之间的关系 模型控制类知识结构体系信息控制类知识结构体系实体控制类知识结构体系研究主导型自动化专业研究应用型自动化专业应用主导型自动化专业“实体控制实体控制”类知识结构与体系特点类知识结构与体系特点： 工程的特点 专门自动化的特点 如商业自动化、化工自动化、 交通自动化，建筑自动化、电力自动化 “信息控制信息控制”类知识结构与体系特点类知识结构与体

9、系特点：信息的特点。学习信息科学技术的许多内容，重点在信息的控制应用上； 通识自动化的特点。带有一定普遍性或共性的对象（机器、系统）的信息控制问题；系统的特点。通过“综合”与“集成”的方法，学习从系统的观点研究信息的控制；学科分类的特点。很大部分学生将读研究生，因而在本科阶段的后半期按研究生教育的学科分开设一些（二级）学科课程（称之为专业方向课程）是通常的做法 “模型控制模型控制”类类知识结构与体系特点特点： 突出坚实的数学基础、 坚实的控制理论基础 突出对典型的控制系统进行抽象、加工、 改造（使具有普适性）和分析的能力。 5.3.1 自动化专业人才培养目标5.3.2 自动化专业人才的完整知识

10、结构5.3.3 自动化专业人才的素质、能力要求第第5 5章章 自动化学科专业的知识体系与课程体系自动化学科专业的知识体系与课程体系 自动化专业对本科生的培养目标是： 自动化工程师或科学家的“雏型”或“毛坯”， 包含了两重意思，或者说可分解成近期目标与长远目标两部分： 长远目标，使每一位学生将来都能成为自动化工程师或科学家； 近期目标，通过四年的自动化专业的培养，每一位学生都具备自动化工程师或科学家的基本素质、基本能力和基本完整的知识结构。总要求总要求具具 体体 要要 求求知识要求工具性知识、人文社会科学基础知识、自然科学基础知识、工程技术基础知识、自动化专业知识。素质要求思想道德素质、科学素质

11、、文化素质、身心素质。能力要求获取知识能力、应用知识能力、创造知识（科研创新）能力。5.4.1 自动化专业的课程结构5.4.2 “实体控制”类课程体系5.4.3 “信息控制”类课程体系5.4.4 “模型控制”类课程体系第第5 5章章 自动化学科专业的知识体系与课程体系自动化学科专业的知识体系与课程体系 针对生产过程自动化的参考课程结构与体系 注：考虑到生源与培养目标的差异和制订教学计划的见仁见智，课程结构与体系间的差别可能较大。当学生学习时发现，自己所在的学校、专业的课程结构、体系与后面给出的参考体系有较大差别，一点也不奇怪。课课 程程 结结 构构一年级一年级二年级二年级三年级三年级四年级四年

12、级秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期通识教育课自然科学高等数学大学物理高等数学线性代数大学物理复变函数概率统计大学化学*数值分析*随机过程*运筹学*信息基础计算机文化程序设计语言多媒体技术*其他组（略）专业基础课电工与电子电路模拟电子技术电磁场*数字电子技术信号与系统电力电子*机械与工程工程制图机械原理计算机原理软件技术微机原理工业计算机网络PLC技术*单片机原理*嵌入式系统*控制基础自动化概论自动控制原理现代控制理论检测与传感专业基础实践机械实习电路实验电子实验电子实验自动控制实验电力电子实验微机原理实验现代控制实验检测实验专业课业基本控制自动化仪表过程系统辨识

13、控制电机过程控制系统计算机控制运动控制系统*专业方向控制系统设计*管理信息系统*集散控制系统现场总线技术仪表抗干扰人工智能*最优控制*专业前沿过程仿真*智能控制*专业实践电机拖动实验专业课实验生产实习课程设计毕业设计“信息控制”类参考课程体系 之1分专业方向 （见书） 之2不分专业方向（见下表）课课 程程 结结 构构一年级一年级二年级二年级三年级三年级四年级四年级秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期通识教育课自然科学工科数学分析大学物理工科数学分析线性代数大学物理复变函数概率统计大学化学*数值分析随机过程*运筹学信息基础计算机文化程序设计语言多媒体技术*其他组（略）

14、专业基础课电工与电子电路模拟电子技术电磁场数字电子技术信号与系统电力电子*机械与工程工程制图机械原理计算机原理软件技术微机原理工业计算机网络PLC技术*单片机原理*嵌入式系统*DSP*控制基础自动化概论自动控制原理现代控制理论检测与传感控制系统仿真专业基础实践机械实习电路实验电子实验电子实验自动控制实验电力电子实验微机原理实验现代控制实验检测实验专业课基本控制电机与拖动运动控制系统过程控制系统计算机控制专业方向现代检测技术*数字信号处理*管理信息系统*系统工程*人工智能*最优控制*CIM系统*楼宇自动化*专业前沿智能控制*机器人控制*信息融合*专业实践电机拖动实验专业课实验生产实习课程设计毕业

15、设计“模型控制”类自动化专业的参考课程体系 课课 程程 结结 构构一年级一年级二年级二年级三年级三年级四年级四年级秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期秋季学期春季学期通识教育课自然科学数学分析大学物理数学分析线性代数大学物理复变函数概率统计数值分析现代生物学*数理方程近代物理*随机过程运筹学离散数学*泛函分析*信息基础计算机文化程序设计语言电子商务*多媒体技术*其他组（略）专业基础课电工与电子电路模拟电子技术数字电子技术机械与工程工程制图计算机原理软件技术微机原理计算机网络控制基础自动化概论自动控制原理现代控制理论检测与传感*控制系统仿真专业基础实践电路实验电子实验电子实验自动控制实验微机原理实验现代控制实验专专业课基本控制系统建模人工智能计算机控制最优控制系统工程*专业方向数字信号处理运动控制系统*过程控制系统*管理信息系统*专业前沿智能控制*信息融合*专业实践专业课实验课程设计毕业设计