自動化發(fā)展史.ppt

自動化專業(yè)概論 IntroductiontoAutomation 主講 黃從智辦公室 主樓E0521電話 61772820Email hcz190 課程目標(biāo) 解答如下問題 1 自動化的歷史 現(xiàn)在和未來 2 自動化的研究內(nèi)容 應(yīng)用領(lǐng)域 3 自動化專業(yè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容 就業(yè)前景 4 如何學(xué)好自動化專業(yè) 基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁 主要內(nèi)容 Content 緒論自動化發(fā)展簡史自動控制系統(tǒng)專題自動化專題工業(yè)自動化專題火電廠自動化專題自動化專業(yè)專題自動化展望及復(fù)習(xí) 第二講自動化發(fā)展簡史 黃從智 自動化專業(yè)概論 hcz190 第二講自動化發(fā)展簡史 自動化發(fā)展簡史 自動化教育 科研機(jī)構(gòu) 學(xué)術(shù)團(tuán)體 古代自動化裝置 自動化期刊 國際會議 一些重要術(shù)語 古代自動化裝置 自動控制思想及其實(shí)踐可以說歷史悠久 它是人類在認(rèn)識世界和改造世界的過程中產(chǎn)生的 并隨著社會的發(fā)展和科學(xué)水平的進(jìn)步而不斷發(fā)展 早在公元前300年 古希臘就運(yùn)用反饋控制原理設(shè)計(jì)了浮子調(diào)節(jié)器 并應(yīng)用于水鐘中 古希臘水鐘 上水箱 中水箱 下水箱 提供水源 穩(wěn)定液位 用于計(jì)時(shí) 浮子 古希臘水鐘原理 1 由上中下三個水箱構(gòu)成 2 上水箱提供水源 3 中水箱穩(wěn)定液位 4 下水箱用于計(jì)時(shí) 5 中水箱上面的浮子是個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 形成了反饋控制 6 當(dāng)中水箱液位升高時(shí) 浮子上升 上水箱流出的水量減少 導(dǎo)致液位下降 7 當(dāng)中水箱液位降低時(shí) 浮子下降 上水箱流出的水量增加 導(dǎo)致液位上升 8 最終中水箱液位穩(wěn)定在某一穩(wěn)定值附近 9 由于中水箱液位比較穩(wěn)定 流出中水箱的水量基本恒定 下水箱的液位會隨時(shí)間成比例地增加 從而可通過刻度指示時(shí)間 同樣早在1000多年前 我國古代先人們也發(fā)明了銅壺滴漏計(jì)時(shí)器 主要由幾個銅水壺組成 又叫 漏壺 除了最底下的那個 每個壺的底部都有一個小眼 水從最高的壺里 經(jīng)過下面的各個壺滴到最低的壺里 滴得又細(xì)又均勻 最低的壺里有一個銅人 手里捧著一支能夠浮動的木箭 壺里水多了 木箭浮起來 根據(jù)它上面的刻度 就可以知道時(shí)間 銅壺滴漏 中國古代自動計(jì)時(shí)裝置 銅壺滴漏 指南車 自動指示方向 自報(bào)行車?yán)锍?計(jì)里鼓車 V合適時(shí) 吸入飲酒者中的酒 V變大時(shí) V變小時(shí) V繼續(xù)變小 V變大 V恢復(fù)為合適速度 酒杯中的酒 飲酒管 保持均勻飲酒速度 公元2世紀(jì) 中國東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器 它是一種用漏水推動的水運(yùn)渾象 和現(xiàn)在的天球儀相似 可以用來實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動仿真 張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖 漏水轉(zhuǎn)渾天儀 檢測地震信號的大小和方向 候風(fēng)地動儀 世界上第一臺測定地震方位的儀器 公元1088年 中國蘇頌等人把渾儀 天文觀測儀器 渾象 天文表演儀器 和自動計(jì)時(shí)裝置結(jié)合在一起建成了水運(yùn)儀象臺 水運(yùn)儀象臺 一些重要術(shù)語 系統(tǒng)與控制 反饋 調(diào)節(jié)與決策 科學(xué) 技術(shù)與工程 數(shù)據(jù) 信息 知識與智能 科學(xué) 技術(shù)與工程 科學(xué) Science 對各種事實(shí)和現(xiàn)象進(jìn)行觀察 分類 歸納 演繹 分析 推理 計(jì)算和實(shí)驗(yàn) 從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律 并對各種定量規(guī)律予以驗(yàn)證和公式化的知識體系 科學(xué)的任務(wù) 揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律 探求真理 作為人們改造世界的指南 科學(xué)家 Scientist 專門從事科學(xué)研究的專家 科學(xué) 技術(shù)與工程 科學(xué) 自然科學(xué) 社會科學(xué) 研究物質(zhì)世界 研究精神世界 基礎(chǔ)科學(xué) 技術(shù)科學(xué) 數(shù)理化 天文學(xué) 生物學(xué)等 電工電子 固體力學(xué) 流體力學(xué) 機(jī)械學(xué)等 自動化學(xué)科屬于技術(shù)科學(xué) 科學(xué) 技術(shù)與工程 技術(shù) Technology 人類根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自然科學(xué)原理改變或控制其環(huán)境的手段和活動 是人類活動的一個專門領(lǐng)域 技術(shù)的任務(wù) 利用和改造世界 以其生產(chǎn)的產(chǎn)品為人類服務(wù) 技術(shù)家 Technologist 專門從事技術(shù)工作的專家 如工程師 農(nóng)藝師 醫(yī)師等 科學(xué) 技術(shù)與工程 技術(shù) 工程技術(shù) 農(nóng)業(yè)技術(shù) 醫(yī)療技術(shù) 機(jī)械 電氣 能源 動力 化工 土木 計(jì)算機(jī)等 種植 畜牧 造林 園藝等 自動化學(xué)科屬于工程技術(shù) 中醫(yī) 西醫(yī) 臨床等 科學(xué) 技術(shù)與工程 工程 Engineering 應(yīng)用科學(xué)知識使自然資源最好地為人類服務(wù)的一項(xiàng)活動 工程也指具體的科研或建設(shè)項(xiàng)目 如三峽工程 發(fā)電廠工程等 工程師 Engineer 專門從事工程活動的專家 也是一種技術(shù)家 工程不等同于技術(shù) 還受到政治 經(jīng)濟(jì) 法律 美學(xué)等非技術(shù)方面的影響 技術(shù)存在于工程之中 科學(xué) 技術(shù)與工程 科學(xué)家的任務(wù)是如何認(rèn)識 因而可選擇自己感興趣的研究課題 工程師的任務(wù)是如何實(shí)現(xiàn) 必須解決面臨的實(shí)際問題 工程問題受到多方面因素的制約 工程師須在多種可能方案中作出選擇 謀求最可靠 最經(jīng)濟(jì)的解決方法 三峽水電站工程 系統(tǒng)與控制 系統(tǒng) System 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 如構(gòu)成系統(tǒng)的組成部分本身也是系統(tǒng) 則稱之為子系統(tǒng) 對于一個具體的系統(tǒng) 系統(tǒng)環(huán)境 系統(tǒng)以外的部分 系統(tǒng)邊界 系統(tǒng)與系統(tǒng)環(huán)境的分界 系統(tǒng)與控制 系統(tǒng)輸入 系統(tǒng)環(huán)境對系統(tǒng)的作用 系統(tǒng)輸出 系統(tǒng)對系統(tǒng)環(huán)境的作用 系統(tǒng)輸入 系統(tǒng)輸出 系統(tǒng) 環(huán)境 系統(tǒng)邊界 系統(tǒng)工程 研究大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng) 系統(tǒng)與控制 控制 Control 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 所有系統(tǒng)分為可控系統(tǒng)和不可控系統(tǒng) 不可控系統(tǒng)無法進(jìn)行人工控制 干預(yù) 可控系統(tǒng)可進(jìn)行人工控制 干預(yù) 反饋 調(diào)節(jié)與決策 反饋 Feedback 將系統(tǒng)的實(shí)際輸出與期望輸出進(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) 反饋 正反饋PositiveFeedback 負(fù)反饋NegativeFeedback 反饋信息使系統(tǒng)輸出的誤差逐漸增大 反饋信息使系統(tǒng)輸出的誤差逐漸減少 反饋 調(diào)節(jié)與決策 調(diào)節(jié) Regulation 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 調(diào)節(jié) 以反饋為基礎(chǔ) 控制 閉環(huán)控制 以反饋為基礎(chǔ) 開環(huán)控制 無反饋 反饋 調(diào)節(jié)與決策 決策 DecisionMaking 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 如何科學(xué)地進(jìn)行決策是各項(xiàng)工作順利開展的重要保證 也是本學(xué)科近年來研究和發(fā)展的新領(lǐng)域之一 Data Information Knowledge Intelligence Data Information Knowledge Intelligence Knowledge Information Data 房間溫度32 理想溫度23 房間溫度高 通風(fēng)量不足 溫度高原因 Intelligence 解決溫度高的辦法 增大通風(fēng)量 Data Information Knowledge Intelligence Data Information Knowledge Intelligence 公元1788年J Watt發(fā)明離心式調(diào)速器 并將其與蒸汽機(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) 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 提出多種穩(wěn)定性判據(jù) 1868年英國物理學(xué)家J Maxwell用微分方程描述并總結(jié)了調(diào)節(jié)器的理論 1877年英國數(shù)學(xué)家Routh提出Routh判據(jù) 1895年德國數(shù)學(xué)家A Hurwitz提出Hurwitz判據(jù) 1892年俄國數(shù)學(xué)家A Lyapunov提出穩(wěn)定性的嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義并發(fā)表專著 至今他的穩(wěn)定性理論仍是研究分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法 控制理論發(fā)展簡史 第一階段是四十年代末到五十年代的經(jīng)典控制論時(shí)期 著重研究單機(jī)自動化 解決單輸入單輸出 SISO SingleInputSingleOutput 系統(tǒng)的控制問題 主要數(shù)學(xué)工具是微分方程 拉普拉斯變換和傳遞函數(shù) 主要研究方法是時(shí)域法 頻域法和根軌跡法 主要問題是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 快速性和準(zhǔn)確性 控制論發(fā)展三階段 控制論的奠基人 1945年 美國數(shù)學(xué)家諾伯特 維納 NorbertWiener 把反饋的概念推廣到生物等一切控制系統(tǒng) 1948年 維納出版名著 CYBERNETICS 一書 標(biāo)志著控制論正式誕生 錢學(xué)森 TsueShenTsian 工程控制論 1954 EngineeringCybernetics 中國自動控制的學(xué)術(shù)泰斗 第二階段是六十年代的現(xiàn)代控制理論時(shí)期 著重解決機(jī)組自動化和生物系統(tǒng)的多輸入多輸出 MIMO Multi InputMulti Output 系統(tǒng)的控制問題 主要數(shù)學(xué)工具是一次微分方程組 矩陣論 狀態(tài)空間法等等 主要方法是變分法 極大值原理 動態(tài)規(guī)劃理論等 重點(diǎn)是最優(yōu)控制 隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制 核心控制裝置是電子計(jì)算機(jī) 控制論發(fā)展三階段 電子計(jì)算機(jī) 1992年我國自行研制的銀河 II巨型機(jī) 1946年2月15日 世界上第一臺通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī) 埃尼阿克 面世 第三階段是七十年代的大系統(tǒng)理論時(shí)期 著重解決生物系統(tǒng) 社會系統(tǒng)這樣一些眾多變量的大系統(tǒng)的綜合自動化問題 方法是時(shí)域法為主 重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級遞階控制 核心裝置是網(wǎng)絡(luò)化的電子計(jì)算機(jī) 控制論發(fā)展三階段 從控制論的觀點(diǎn)看 人是最巧妙 最靈活的控制系統(tǒng) 它善于根據(jù)條件的變化而作出正確的處理 如何將人的智能應(yīng)用于實(shí)際的自動控制系統(tǒng)中 這是個有重要意義的問題 七十年代開始 人們不僅解決社會 經(jīng)濟(jì) 管理 生態(tài)環(huán)境等系統(tǒng)問題 而且為解決模擬人腦功能 形成了新的學(xué)科 人工智能科學(xué) 這是控制論的發(fā)展前沿 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為人工智能的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 人們通過計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的信息處理能力來開發(fā)人工智能 并用它來模仿人腦 在沒有人的干預(yù)下 人工智能系統(tǒng)能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié) 自我學(xué)習(xí)和自我組織 以適應(yīng)外界環(huán)境的變化 并作出相應(yīng)的決策和控制 智能控制 IntelligentControl 將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)中 形成智能控制系統(tǒng) 特點(diǎn) 具有智能 能解決一些以往的自動控制技術(shù)解決不好或不能解決的控制問題 它將人工智能中的專家系統(tǒng) 學(xué)習(xí)控制 模糊邏輯控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法結(jié)合 形成一些新的 具有獨(dú)特性能的智能自動控制系統(tǒng) 經(jīng)典控制 現(xiàn)代控制與智能控制 經(jīng)典控制主要用于分析線性定常單入單出系統(tǒng) 其分析工具是微分方程或傳遞函數(shù) 現(xiàn)代控制還可以分析非線性時(shí)變多入多出系統(tǒng) 其分析工具是狀態(tài)方程和輸出方程 智能控制是模仿人類智能所構(gòu)成的一類控制系統(tǒng) 它可以處理各種復(fù)雜系統(tǒng) 其求解過程主要依靠搜索 自學(xué)習(xí) 模擬進(jìn)化 經(jīng)典控制 現(xiàn)代控制與智能控制 應(yīng)用對象不同 SISO SISO和MIMO 各種復(fù)雜系統(tǒng) 數(shù)學(xué)方法不同 微分方程或傳遞函數(shù) 狀態(tài)方程和輸出方程 搜索 自學(xué)習(xí)和模擬進(jìn)化等 對被控對象數(shù)學(xué)模型的要求不同 經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制均需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型 而智能控制則不需要詳細(xì)了解被控對象的數(shù)學(xué)模型 控制算法的不同 經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制基于精確的控制算法 而智能控制算法具有隨機(jī)性和模糊性 自動化教育機(jī)構(gòu) 西安 上海 北京交通大學(xué) 中國石油大學(xué) 北化工 華東理工 東北大學(xué) 清華大學(xué) 浙江大學(xué) 中科大 華北電力大學(xué) 東北電力大學(xué) 上海電力學(xué)院 哈工大 西北工大 北理工 自動化科研機(jī)構(gòu) 中科院自動化所中科院沈陽自動化所冶金自動化研究所機(jī)械工業(yè)自動化研究所天津電氣傳動設(shè)計(jì)研究所上海工業(yè)自動化儀表研究所重慶工業(yè)自動化儀表研究所 自動化學(xué)術(shù)團(tuán)體 IFAC IFAC 全稱InternationalFederationofAutomaticControl 國際自動控制聯(lián)合會 網(wǎng)址是 http www ifac control org 1957年9月成立于巴黎 自動控制領(lǐng)域國際性 非政府 非贏利 非政治性的組織 每個國家只能有一個代表組織 中國自動化學(xué)會是IFAC創(chuàng)始會員國之一 IFAC sAIMS PromotecontrolscienceandtechnologyAdvanceinternationalcollaborationStimulateresearch developmentandapplicationofautomaticcontrolandsystemsengineeringPromotedisseminationandexchangeofinformationStimulateimprovementandextensionofeducation IFAC FoundedSeptember1957IFACMembers NationalMemberOrganizationsTheNMOsrepresentcontrolengineersfromeachofthefollowing AFRICA SouthAfrica AMERICA CanadaUSAArgentinaBrazilChileCubaMexicoVenezuela AUSTRALIA Australia ASIA ChinaHongKongIndonesiaIsraelJapanKoreaRep SingaporeVietnam EUROPE AustriaBelgiumBulgariaCroatiaCzechRep DenmarkEstoniaFinlandFranceGermanyGreeceHungaryItalyIrelandKosovo LithuaniaMacedoniaNetherlandsNorwayPolandPortugalRomaniaRussiaSlovakRep SloveniaSpainSwedenSwitzerlandTurkeyUkraineUnitedKingdom IFACEVENTS WorldCongressesSymposia theTechnicalBoarddefinestheMasterplan ConferencesWorkshops Approximately30eventsperyear IFACAwards PresentedateachTriennialWorldCongress THEGIORGIOQUAZZAMEDAL 1981Prof JohnF Coales1984Prof IakovZ Tsypkin1987Prof KarlJ Astr m1990Prof PetarKokotovic1993Prof EdwardJ Davison1996Prof AlbertoIsidoriProf BrianD O Anderson2002Prof LennartLjung2005Prof TamerBasar2008Prof GrahamGoodwin THENATHANIELNICHOLSMEDAL 1996Prof J rgenAckermannProf GunterStein2002Dr CarlNett2005Dr WilliamF Powers2008Prof GerdHirzinger IFACYoungAuthorPrizeIFACApplicationsPaperPrizeIFACHaroldChestnutControlEngineeringTextbookPrizeIFACPosterPaperPrize 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Balchen H F Chen S Engell W Findeisen K Furuta M Gevers G Guardabassi D Hrovat P Ioannou M Masten D Mayne T McAvoy B Polyak T SoederstroemIn2007 thefollowingpersonswereelectedIFACFellowsF Allgoewer J Cruz J M Dion C Georgakis H Khalil H Kimura V Kucera I Landau LeiGuo W Marquardt E Mosca R Tempo P vandenHof F Y WangIn2008 thefollowingpersonswereelectedIFACFellowsS Bittanti R Braatz E Camacho X R Cao C Cassandras T Y Chai T Edgar E Gottzein A Haddad M Krstic A Kurzhanski F Lewis M Morari M Safonov A Vicino 自動化學(xué)術(shù)團(tuán)體 IEEE IEEE InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美國電氣和電子工程師協(xié)會 網(wǎng)址是 http www ieee org 成立于1963年 是一個國際性的電子技術(shù)與信息科學(xué)工程師的協(xié)會 是美國規(guī)模最大的專業(yè)學(xué)會 擁有來自175個國家的40萬會員 到2011年 在太空 計(jì)算機(jī) 電信 生物醫(yī)學(xué) 電力及消費(fèi)性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中都是主要的權(quán)威 在電氣及電子工程 計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)領(lǐng)域中 IEEE發(fā)表