電氣工程及其自動化專業(yè)導(dǎo)論

1、第二章 自動化與自動化學(xué)科、 專業(yè)簡介,2.1 自動化的概念2.2自動化的研究內(nèi)容2.3自動化的作用與重要性2.4自動化發(fā)展簡史 2.5 自動化學(xué)科、專業(yè),2.1 自動化的概念,自動化 是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進(jìn)行操作或運(yùn)行的過程。,自動化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題，自動控制則除了上述研究外，還研究社會、經(jīng)濟(jì)、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題

2、。例如生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動化的研究領(lǐng)域的。不過人們提到自動控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個意義上自動化和自動控制是相近的。,自動控制 是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計和運(yùn)行的理論和技術(shù)。,什么是自動化？,?,水溫的手動控制和自動控制的示意圖,自動控制,手動控制,操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：手應(yīng)該朝哪個

3、方向旋轉(zhuǎn)蒸汽閥門和旋轉(zhuǎn)多大的角度。采用自動控制時上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如，溫度測量元件、控制記錄儀表和調(diào)節(jié)閥等。,自動控制原理：,反饋控制,自動化（Automation）：簡而言之就是人類手、腳、腦的延伸,2.2 自動化的研究內(nèi)容,“自動化”研究的是如何通過各種技術(shù)工具和系統(tǒng)（包括計算機(jī)）實現(xiàn):,1) 延伸人的信息獲取、處理、決策、控制的功能?！畔⑻幚恚ㄐ畔⒒?2) 延伸人的手、腳、各種感覺功能。——自動控制 (工

4、業(yè)化),研究內(nèi)容包括理論、方法、應(yīng)用硬件和軟件等。,應(yīng)用型自動化專業(yè)重點研究內(nèi)容包括： 自動化設(shè)計、自動化制造 自動化工程、自動化管理 自動化決策、自動化運(yùn)行等,從應(yīng)用觀點來看，研究內(nèi)容有過程自動化、機(jī)械制造自動化、樓宇自動化、武器及軍事自動化、辦公室自動化和家庭自動化等。,自動化的研究內(nèi)容寬廣，并且越來越寬廣,自動化是一門名副其實的多學(xué)科交叉學(xué)科,自動化早已超越古

5、老的研制自動機(jī)器替代人類勞動的概念，自動化科學(xué)與技術(shù)研究的是如何通過用各種技術(shù)工具延伸人的信息獲取、處理和決策控制的功能，來促進(jìn)能源、材料和環(huán)境資源、人力資源等的有效利用，提高生產(chǎn)水平和人類生活質(zhì)量。,自動化科學(xué)與技術(shù)的核心是信息、控制與系統(tǒng)，其中控制是核心的核心。,當(dāng)前自動化科學(xué)與技術(shù)急需研究解決的是如何應(yīng)用信息去處理高度復(fù)雜的系統(tǒng)的控制問題，從而具有更大的挑戰(zhàn)性和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。,自動化的應(yīng)用舉例—— 日常生活中常見的,家庭：自動洗

6、衣機(jī)、自動化照相機(jī)、電冰箱、空調(diào)、自動煙霧報警、自動電梯、聲控?zé)艄忏y行：自動取款機(jī) 商店：自動售貨機(jī)、自動門 交通：智能交通管理 、車內(nèi)的自動防撞系統(tǒng)、電子地圖和衛(wèi)星定位系統(tǒng)、飛機(jī)上的自動駕駛系統(tǒng)樓宇自動化：樓宇設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警子系統(tǒng),農(nóng)業(yè)：農(nóng)用溫室、現(xiàn)代化糧庫工業(yè)：機(jī)械制造、電子、鋼鐵、石化、電力、輕 工、制藥國防：艦艇、導(dǎo)彈發(fā)射、衛(wèi)星和載人飛船的控制 科學(xué)研究：如低溫超導(dǎo)、高能加速器、核反應(yīng)堆

7、等需要一定的環(huán)境和條件作保證，許多科研數(shù)據(jù)需要采集和處理,自動化的應(yīng)用舉例——工業(yè)自動化：,自動立體倉庫,全自動柔性噴涂機(jī)器人,汽車自動焊接生產(chǎn)線,高速大型數(shù)控中心,自動化的應(yīng)用舉例——武器及軍事自動化,巡航導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收裝置、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字化地圖及取景相機(jī)組成。而采用新型的景象匹配制導(dǎo)方式將會使導(dǎo)彈的攻擊精確度進(jìn)一步提高。,自動化的應(yīng)用舉例——農(nóng)、林業(yè)自動化：,采松果機(jī)器人,挖樹根機(jī)器人,嫁接機(jī)器人,采摘機(jī)器

8、人,一些術(shù)語,工程 工程（Engineering）是指應(yīng)用科學(xué)知識使自然資源最好地為人類服務(wù)的專門技術(shù)。,系統(tǒng)     系統(tǒng)（System）是指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機(jī)整體。,信息 信息（Information）是指符號、信號或消息所包含的內(nèi)容，用來消除對客觀事物認(rèn)識的不確定性。,系統(tǒng)     系

9、統(tǒng)（System）是指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機(jī)整體。,信息 信息（Information）是指符號、信號或消息所包含的內(nèi)容，用來消除對客觀事物認(rèn)識的不確定性。,控制 控制（Control）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。,反饋 反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出回送輸入端的過程；系統(tǒng)實際輸出一般要和期望輸出

10、進(jìn)行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)（Regulation）是指通過系統(tǒng)的反饋信息自動校正系統(tǒng)的誤差，使諸如溫度、速度、壓力或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的過程。,管理管理（Management）是指為了充分利用各種資源來達(dá)到一定的目標(biāo)而對社會或其組成部分施加的一種控制。,決策決策（Decision Making）是指為最優(yōu)地達(dá)到目標(biāo)，對若干準(zhǔn)備行動的方案進(jìn)行選擇。,2、3自動化的作用與重要性,

11、1）改善勞動條件，減輕體、腦力勞動，提高生產(chǎn)力和工作效率。 從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量越來越好，價格越來越低。,基本作用（傳統(tǒng)觀念）,自古以來，人類就有創(chuàng)造自動裝置以減輕或代替人勞動的想法。,2）人從繁重的危險的工作中解放出來 礦井掘井、核電站檢查、消防救火、無人偵察機(jī)、導(dǎo)彈,3）完成人無法完成的工作 管道機(jī)器人（各種油管、水管）、水下6000米機(jī)器人,擴(kuò)

12、展作用（信息處理）,——管理、經(jīng)濟(jì)、金融過程智能化,自動化在工業(yè)化建設(shè)中的地位,自動化在國民經(jīng)濟(jì)、國家綜合實力中起著舉足輕重的作用，并且其作用越來越重要。一個國家自動化水平的高低就是國家發(fā)達(dá)的標(biāo)志。,自動化與工業(yè)化的關(guān)系 工業(yè)化特點：專指第二產(chǎn)業(yè)，尤其是制造業(yè) 工業(yè)化發(fā)展三階段：,機(jī)械化（大規(guī)模使用機(jī)器系統(tǒng)） 電氣化（加入電機(jī)、電網(wǎng)絡(luò)） 自動化（加入自動控制器）,實現(xiàn)自動化，就完成工業(yè)化

13、目前來說：自動化是工業(yè)化的最重要標(biāo)志 （國內(nèi)總體來說，已機(jī)械化、電氣化）,自動化在信息化建設(shè)中的作用與地位,自動化與信息化的關(guān)系 信息化特點：不單指工業(yè)，包含第一、三產(chǎn)業(yè) 僅從工業(yè)的角度，信息化發(fā)展也可分三階段： 一定在工業(yè)化的基礎(chǔ)上,數(shù)字化（大規(guī)模使用數(shù)字計算機(jī)） 網(wǎng)絡(luò)化（實現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)） 先進(jìn)自動化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）,實現(xiàn)先進(jìn)自動化，就完成（工

14、業(yè)）信息化 先進(jìn)自動化是信息化的最重要標(biāo)志（國內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已有一定規(guī)模）,工業(yè)化、信息化、知識化的關(guān)系,機(jī)械化（應(yīng)用機(jī)器系統(tǒng)）電氣化（加入電機(jī)、網(wǎng)絡(luò)）自動化（加入自動控制器）數(shù)字化（應(yīng)用數(shù)字計算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實現(xiàn)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）先進(jìn)自動化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識化（處理知識）,?,工業(yè)化信息化知識化,??,?,?,社 會 總 發(fā) 展,工業(yè)化與信息化的關(guān)系（類比）圖,（基礎(chǔ)）

15、自動化（核心是控制） 是工業(yè)化完成與否的標(biāo)志 自動化技術(shù)是工業(yè)化的核心技術(shù)先進(jìn)自動化（核心是信息、控制、系統(tǒng)） 是信息化完成與否的標(biāo)志 先進(jìn)自動化技術(shù)是信息化的核心技術(shù),自動化的重要性,中國共產(chǎn)黨十六次代表大會報告：,自動化是一個國家或社會現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志,以信息化帶動工業(yè)化；以工業(yè)化促進(jìn)信息化,“自動化” 快成為“現(xiàn)代化”的代名詞了。,設(shè)想：,每家每戶全部自動化設(shè)備（包括燒菜，喂飯）

16、 難道不算現(xiàn)代化？,工廠里除辦公室有人外（無人看門、無人車間） 難道不算現(xiàn)代化？,農(nóng)業(yè)自動化了（從種、管、收全部機(jī)器人） 難道不算現(xiàn)代化？,自動化在現(xiàn)代化建設(shè)中的作用與地位,2.4自動化發(fā)展簡史,自動化技術(shù)形成時期（18世紀(jì)末～20世紀(jì)30年代）,自動化技術(shù)的發(fā)展歷史，大致可以劃分為自動化技術(shù)形成、局部自動化和綜合自動化三個時期。,1788年，J.瓦特為了解決工業(yè)生

17、產(chǎn)中提出的蒸汽機(jī)的速度控制問題，把離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使蒸汽機(jī)變?yōu)榧劝踩謱嵱玫膭恿ρb置。開創(chuàng)了自動調(diào)節(jié)裝置的研究和應(yīng)用。在解決隨之出現(xiàn)的自動調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)定性的過程中，積累了設(shè)計和使用自動調(diào)節(jié)器的經(jīng)驗,公元1788年 J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng),對象和調(diào)節(jié)器形成調(diào)節(jié)系統(tǒng),?,(1)自動調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)用,,由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動

18、調(diào)節(jié)器（Regulator）或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J.法爾科（Farcot）發(fā)明反饋調(diào)節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機(jī)構(gòu)（Servo-mechanism）。 20世紀(jì)20-30年代，美國開始采用PID模擬式調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分調(diào)節(jié)器）?，F(xiàn)在還在許多工廠中采用。,(2)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,?,自調(diào)自動調(diào)節(jié)器和被控制對象（蒸汽機(jī)或船舵）組成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Autom

19、atic Regulation System）。當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定，即系統(tǒng)會振蕩）。,反饋和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是自動控制中極重要的概念,反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進(jìn)行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。 人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使一些數(shù)學(xué)家從理論上來加以研究，創(chuàng)造多種穩(wěn)定判劇。,?,1868

20、年英國物理學(xué)家J.C.麥克斯韋發(fā)表《論調(diào)速器》的文章,總結(jié)了無靜差調(diào)速器的理論。 1877年英國數(shù)學(xué)家E.J.勞思提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)，即著名的勞思穩(wěn)定判據(jù)。 1895年德國數(shù)學(xué)家A.胡爾維茨提出代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)的另一種形式，即著名的胡爾維茨穩(wěn)定判據(jù)。勞思－胡爾維茨穩(wěn)定判據(jù)是當(dāng)時能事先判定調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性的重要判據(jù)。 1892年俄國數(shù)學(xué)家А.М.李雅普諾夫發(fā)表《論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題》的專著，從數(shù)學(xué)方面給運(yùn)動穩(wěn)定性的概念下了嚴(yán)格的定義，并研究

21、出解決穩(wěn)定性問題的兩種方法。李雅普諾夫第一法又稱一次近似法,明確了用線性微分方程分析穩(wěn)定性的確切適用范圍。李雅普諾夫第二法又稱直接法，不僅可以用來研究小范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，而且可以用來研究(大范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。李雅普諾夫穩(wěn)定性理論至今仍是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法。,(3) 反饋控制和頻率法,進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種自動調(diào)節(jié)裝置，促進(jìn)了對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析和綜合的研究。,1927年美國貝爾電話實驗室的電氣工程師H.S.布萊克在解決

22、電子管放大器失真問題時首先引入反饋的概念。,不久拉普拉斯變換就被應(yīng)用到分析自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的問題上，并取得了顯著成效。傳遞函數(shù)就是在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入的描述線性系統(tǒng)或線性元件的輸入輸出關(guān)系的函數(shù)，是分析自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要工具。在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的頻率響應(yīng)的方法即頻率法已成為經(jīng)典控制理論中分析和綜合自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要方法。,1922年 N.米諾爾斯基發(fā)表《關(guān)于船舶自動操舵的穩(wěn)定性》，1934年美國科學(xué)家H.L.黑曾發(fā)表《關(guān)于伺服機(jī)

23、構(gòu)理論》1934年蘇聯(lián)科學(xué)家И．Н．沃茲涅先斯基提出《自動調(diào)節(jié)理論》1938年蘇聯(lián)電氣工程師A.B.米哈伊洛夫提出《頻率法》。這些論文標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。1939年蘇聯(lián)科學(xué)院成立自動學(xué)和遠(yuǎn)動學(xué)研究所（1969年改名為控制問題研究所）。同年美國麻省理工學(xué)院建立伺服機(jī)構(gòu)實驗室。這是世界上第一批系統(tǒng)與控制的專業(yè)研究機(jī)構(gòu)，為20世紀(jì)40年代形成經(jīng)典控制理論和發(fā)展局部自動化作了理論上和組織上的準(zhǔn)備。,經(jīng)典控制理論的誕生,局部自動化時期

24、 (20世紀(jì)40-50年代),1 經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,2 局部自動化的廣泛應(yīng)用,3 電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)明,20世紀(jì)40年代是自動化技術(shù)和理論形成的關(guān)鍵時期，一批科學(xué)家為了解決軍事上提出的火炮控制、魚雷導(dǎo)航、飛機(jī)導(dǎo)航等技術(shù)問題，逐步形成了以分析和設(shè)計單變量控制系統(tǒng)為主要內(nèi)容的經(jīng)典控制理論與方法。,在前述代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)的基礎(chǔ)上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（Root Locus

25、 Method），奠定了適宜用于單變量控制問題的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。頻率法（或稱頻域法，F(xiàn)requency Method）成為分析和設(shè)計線性單變量自動控制系統(tǒng)的主要方法。早期，反饋控制系統(tǒng)通稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動控制系統(tǒng)（Automatic Control System）。因此，調(diào)節(jié)器現(xiàn)也稱為控制器。,隨著高速飛行、核反應(yīng)堆、大電力網(wǎng)和大化工廠提出的新控制問題：非線性系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)、脈沖及采樣控制系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)和有隨

26、機(jī)輸入的系統(tǒng)的控制問題等的深入研究，經(jīng)典控制理論在20世紀(jì)50年代有新的發(fā)展。,1 經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,?,自動防空火力控制系統(tǒng),在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，各國科學(xué)家設(shè)計出各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學(xué)領(lǐng)域。,?,2. 局部自動化的廣泛應(yīng)用,二次大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器，并用電子模擬計算機(jī)（Electronic Analog Comp

27、uter）來設(shè)計自動控制系統(tǒng)。當(dāng)時在工業(yè)上實現(xiàn)局部自動化，即單個過程或單個機(jī)器的自動化。,在20世紀(jì)30-40年代出現(xiàn)了統(tǒng)一信號的、通用的、標(biāo)準(zhǔn)的氣動單元組合儀表。20世紀(jì)50年代研制出了電動單元組合儀表。這些為工業(yè)自動化提供了必不可少的技術(shù)工具，并使得構(gòu)成和設(shè)計自動控制系統(tǒng)更簡便、更工程化了。,智能化的儀表和控制器是當(dāng)前流行的產(chǎn)品。,,?,智能化的儀表YS-80及所屬的可編程序智能控制器,?,3 電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)明,目前小型電子數(shù)

28、字計算機(jī)或單片計算機(jī)已成為復(fù)雜自動控制系統(tǒng)的一個組成部分，以實現(xiàn)復(fù)雜的控制和算法。,電子數(shù)字計算機(jī)內(nèi)部元件和結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路的四個發(fā)展階段。電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)明，為60-70年代開始的在控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及應(yīng)用數(shù)字計算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程，奠定了基礎(chǔ)。,?,1945年美國數(shù)學(xué)家N.維納把反饋的概念推廣到一切控制系統(tǒng)。1948年維納發(fā)表《控制論》一書,為控制論奠定了基礎(chǔ)。,同年,美國電信

29、工程師C.E.香農(nóng)發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》，為信息論奠定了基礎(chǔ)。,維納和香農(nóng)從控制和信息這兩個側(cè)面來研究系統(tǒng)的運(yùn)動，維納還從信息的觀點來研究反饋控制的本質(zhì)。從此人們對反饋和信息有了較深刻的理解。,控制理論的發(fā)展：,1954年中國系統(tǒng)科學(xué)家錢學(xué)森全面地總結(jié)了經(jīng)典控制理論，并進(jìn)一步把它提高到更高的理論高度上,在美國出版《工程控制論》一書。工程控制論使我們有可能有更廣闊的眼界,用更系統(tǒng)的方法來觀察有關(guān)的問題，因而往往可以得到解決舊問題的更有效的

30、新方法，還可能揭示新的以前沒有看到過的前景 50年代以后,經(jīng)典控制理論有了許多新的發(fā)展。1951年蘇聯(lián)科學(xué)家Я．З．齊普金提出了脈沖系統(tǒng)（一種離散時間系統(tǒng)）的分析和設(shè)計方法。高速飛行、核反應(yīng)堆、大電力網(wǎng)和大化工廠提出的新的控制問題，促使一些科學(xué)家對非線性系統(tǒng)、繼電系統(tǒng)、時滯系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)和有隨機(jī)輸入的系統(tǒng)的控制問題進(jìn)行了深入的研究。,20世紀(jì)40年代中發(fā)明的電子數(shù)字計算機(jī)開創(chuàng)了數(shù)字程序控制的新紀(jì)元 1950年賓夕法

31、尼亞大學(xué)莫爾小組研制成功第二臺存儲程序式電子數(shù)字計算機(jī)──離散變量電子自動計算機(jī) (EDVAC)。這臺計算機(jī)也裝備在亞伯丁武器試驗場的彈道實驗室。 電子數(shù)字計算機(jī)的發(fā)明為60～70年代在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及廣泛應(yīng)用電子數(shù)字計算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)典控制理論的方法基本上能滿足第二次世界大戰(zhàn)中軍事技術(shù)上的需要和戰(zhàn)后工業(yè)發(fā)展上的需要。但是到了50年代末就發(fā)現(xiàn)把經(jīng)典控制理論的方法推廣到多變量系統(tǒng)時會得出錯誤的

32、結(jié)論。經(jīng)典控制理論的方法有其局限性。,綜合自動化時期（20世紀(jì)50年代末起至今）,復(fù)雜工業(yè)、復(fù)雜工業(yè)過程和航天技術(shù)的自動控制問題，都是多變量控制系統(tǒng)的分析和綜合問題，迫切需要加以解決。,1 現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展,1956年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家Л.龐特里亞金提出極大值原理。同年美國數(shù)學(xué)家R.貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃。兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。1960年美國數(shù)學(xué)家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性?？柭€引入

33、狀態(tài)空間法，提出具有二次型性能指標(biāo)的線性狀態(tài)反饋律，為線性自動控制系統(tǒng)給出了最優(yōu)調(diào)節(jié)器的概念。以上這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。20世紀(jì)60-70年代，英國學(xué)者H.羅森布羅克、D.梅恩和A.G.麥克法蘭等將頻率法推廣到分析和設(shè)計多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法。,2 現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展,(1) 系統(tǒng)辯識、建模與仿真(2) 自適應(yīng)控制和自校正控制器 (3) 遙測、遙控和遙感 (4) 綜合自動化 (5) 大系統(tǒng)理論的

34、誕生 (6) 模式識別和人工智能 (7) 智能控制的誕生,現(xiàn)代控制理論的迅速發(fā)展，形成了多個重要分支：,?,系統(tǒng)辯識、建模與仿真,系統(tǒng)辯識是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的理論和方法。此外建立數(shù)學(xué)模型還可以采用解析法和實驗方法。通常有必要在仿真設(shè)備上試驗系統(tǒng)，包括建立、修改、復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的模型，這稱為系統(tǒng)仿真。,自適應(yīng)控制能在對象數(shù)學(xué)模型變動和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，以保持良好的工作品質(zhì)。,(2) 自適

35、應(yīng)控制和自校正控制器,(3) 遙測、遙控和遙感,遙測就是對被測對象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。遙控就是對被控對象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。遙感就是利用裝載在飛機(jī)或人造衛(wèi)星等運(yùn)載工具上的傳感器，收集由地面目標(biāo)物反射或發(fā)射出來的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲得關(guān)于目標(biāo)物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。,(4) 綜合自動化,20世紀(jì)50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計算機(jī)控制的化工廠，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開始由局部自

36、動化向綜合（全盤）自動化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專用機(jī)床組成的無人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無人工廠。,無人加工車間,圖2.25,?,柔性制造系統(tǒng)是在生產(chǎn)對象有一定限制的條件下有靈活應(yīng)變能力的系統(tǒng)，其著眼點主要是放在具體的硬設(shè)備上。為了進(jìn)一步實現(xiàn)生產(chǎn)的飛躍，自動機(jī)械上用的軟件就成為突出的問題。最終的目標(biāo)就是要使整個生產(chǎn)過程軟件化，這就要研究計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。它是指在生產(chǎn)中應(yīng)用自動化可編程序，把加工、處理、搬

37、運(yùn)、裝配和倉庫管理等真正結(jié)合成一個整體，只要變換一下程序，就可以適用于不同產(chǎn)品的全部加工過程。,開始對出現(xiàn)的大系統(tǒng)如大電力系統(tǒng)、化工聯(lián)合企業(yè)、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及社會經(jīng)濟(jì)大系統(tǒng)等開始進(jìn)行了研究。對于這類大系統(tǒng)的建模與仿真，優(yōu)化和控制，分析和綜合，以及穩(wěn)定性、能控性、能觀測性和魯棒性等的研究，統(tǒng)稱為大系統(tǒng)理論。,大系統(tǒng)理論的重要作用在于對大系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解-協(xié)調(diào)以較短時間計算出優(yōu)化結(jié)果。,(6) 模式識別和人工智能,使用機(jī)

38、器來模擬人的智能。用計算機(jī)直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖象、景物等。人工智能學(xué)者已研制出用于醫(yī)療診斷、地質(zhì)勘探、金融決策、軍事指揮、大規(guī)模集成電路設(shè)計等各種專家系統(tǒng)；研制出智能機(jī)器人，如有視覺和觸覺的機(jī)器人和能與人對答的機(jī)器人等等。,大系統(tǒng)理論的誕生,?,(7) 智能控制的誕生,將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)。這是新一代的自動控制系統(tǒng)。它的特點是具有智能，能解決一些以往的自動控制解決得不好或者不能解決

39、的控制問題。,它將人工智能中的專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法相結(jié)合，形成一些新的、具有獨特性能的智能自動控制系統(tǒng)，例如的智能機(jī)器人。,?,,水下機(jī)器人,擦玻璃機(jī)器人,法國遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人,軍用機(jī)器人,,,,,自動化是當(dāng)代高科技的集中體現(xiàn)與應(yīng)用。 智能機(jī)器人是當(dāng)代高科技的結(jié)晶。 ——宋鍵,2.5

40、自動化與自動化學(xué)科、專業(yè),1 學(xué)科與專業(yè)的含義與區(qū)分,學(xué)科(Discipline)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一種分類法，具有明確的定義,專業(yè)（Specialty）是“高等學(xué)?；蛑械葘I(yè)學(xué)校里的學(xué)業(yè)門類,專業(yè)、學(xué)科的含義不同， 劃分方法有多種， 不同層面還有不同理解與劃分。 一般分為：,社會層面 —— 中學(xué)教育,本科生層面—— 一般意義上的大學(xué)教育,研究生層面—— 研究生教育,,容易理解又基本符合研究生教育內(nèi)涵的學(xué)科、專

41、業(yè)劃分方法,自動化科學(xué)既是一門技術(shù)科學(xué)、也是一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué) 研究的基本任務(wù)是為自動化技術(shù)（包括設(shè)計、制造、控制和管理計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS、計算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)CIPS等先進(jìn)自動化系統(tǒng)）和控制工程（包括控制航天器這樣的設(shè)備）提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。 致力于帶有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系統(tǒng)方法的研究，使其在實際控制工程和自動化技術(shù)中發(fā)揮創(chuàng)新的作用。,自動化科學(xué)的定位與任務(wù),對研究生學(xué)位培養(yǎng)來說，自動化學(xué)科的正式名

42、稱為“控制科學(xué)與工程” 學(xué)科，屬工科門類下的一級學(xué)科，如下表：,,,,具體的學(xué)科體系可分為：學(xué)科基礎(chǔ)、主干學(xué)科及相關(guān)學(xué)科。,基礎(chǔ)學(xué)科,控制理論與控制工程,主干學(xué)科,相關(guān)學(xué)科,數(shù)學(xué)物理… …,控制科學(xué)與工程電氣技術(shù)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù),,,,,電氣工程與自動化 機(jī)械制造自動化 社會科學(xué)/管理… …,自動控制學(xué)科的理論基礎(chǔ)是控制論，信息論和系統(tǒng)論,高等教育有多種分類法?？v向分類法： 粗分為：研究生教育和大學(xué)教育兩個層次

43、細(xì)分為：博士、碩士研究生、本科生和?？粕膶哟危粰M向分類法： 高等科學(xué)教育、高等工程教育等若干大類， 授予的學(xué)位為理學(xué)學(xué)士（碩士、博士）學(xué)位、 工學(xué)學(xué)士（碩士、博士）學(xué)位等。,,,,2 自動化專業(yè),,按我國的習(xí)慣，自動化專業(yè)特指大學(xué)教育（包括本科生和?？粕鷥蓚€層次），是自動化高等教育的基礎(chǔ)層次。,,,,,本科自動化專業(yè)與電氣工程及其自動化專業(yè)、電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)、計算機(jī)科學(xué)與

44、技術(shù)專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)同屬“工學(xué)”學(xué)科門類下的“電氣信息類” ，授予的學(xué)位為“工學(xué)學(xué)士”。 到2004年，全國已有239所學(xué)校設(shè)立了自動化專業(yè)，是設(shè)置學(xué)校最多的“工學(xué)”專業(yè)（工科專業(yè)）之一（僅次于計算機(jī)專業(yè)），如果再把那些將自動化作為其專業(yè)名稱的一部分的專業(yè)（如“電氣工程及其自動化”、“機(jī)械設(shè)計制造及其自動化”、“農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化”等專業(yè)）算在內(nèi)，“自動化類專業(yè)”無疑將是中國最龐大的專業(yè)。,,自動化學(xué)

45、科是一門多學(xué)科交叉的高技術(shù)學(xué)科。自動化學(xué)科是當(dāng)代高技術(shù)的集中體現(xiàn)與應(yīng)用。,（I）學(xué)科特點,3、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點,（II） 研究、應(yīng)用特點,范圍寬、內(nèi)容廣，幾乎無所不包， 并且，伴隨其它技術(shù)發(fā)展，越來越廣。,（III） 學(xué)習(xí)自動化的特點,自動化專業(yè)基礎(chǔ)面寬， 需要學(xué)的知識多，并要求扎實。,在所有學(xué)工的學(xué)生中，學(xué)自動化學(xué)習(xí)的計算機(jī)僅次于計算機(jī)專業(yè)。,在所有學(xué)工的學(xué)生中，學(xué)自動化需要的數(shù)學(xué)知識最多。,

46、因此我們一直說：,從而： 學(xué)自動化專業(yè)的適應(yīng)面寬、分配好，且工作易成功。,這符合大學(xué)改革的方向——厚基礎(chǔ)、寬專業(yè)面,4、自動化專業(yè)與其它專業(yè)的關(guān)系,l交叉學(xué)科的集中體現(xiàn) 如前介紹：計算機(jī)、電子電氣等等,l其它專業(yè)向自動化擴(kuò)展 機(jī)械工程及其自動化 電氣工程及其自動化