自動化學(xué)科概論-學(xué)生版ppt課件

1、自動化學(xué)科概論,東南大學(xué) 戴先中,1）了解自動化專業(yè)（課程）的整體框架,各基礎(chǔ)課、專業(yè)課設(shè)置 各專業(yè)方向內(nèi)涵與設(shè)置 各專業(yè)課與各專業(yè)方向之間的關(guān)系 重要的基礎(chǔ)、專業(yè)課,2）了解本專業(yè)（課程） 與其它專業(yè)（課程）的關(guān)系,一、序 言,設(shè)這樣一門課的目的,三、自動控制基本原理,四、數(shù)字化與計算機控制,五、自動化基本設(shè)備,六、現(xiàn)代自動化技術(shù),七、控制科學(xué)與自動化技術(shù)的發(fā)展,一、序言,二、自動化專業(yè)簡介,課程內(nèi)容安排,一、序 言,具體安排 總共16學(xué)時，單周上課，第3周開始 分5次講課，每次3學(xué)時 1次自動化實驗室參觀,課程具體安排,課程的特點與難度矛盾 從需求考慮：開的越早越好； 但從效果考慮：開的晚

2、一些為好， 因為需要有一定的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ),一、序 言,二、 自動化專業(yè)簡介,1、學(xué)科、專業(yè)劃分 2、自動化的研究內(nèi)容 3、自動化的作用與重要性 4、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點 5、自動化專業(yè)與其它專業(yè)的關(guān)系 6、我校自動化專業(yè) 7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置 8、自動化專業(yè)有關(guān)實驗室介紹,1、學(xué)科、專業(yè)劃分,專業(yè)、學(xué)科的含義和劃分有多種，不同層面（層次）有不同理解與劃分。一般分為,二、自動化專業(yè)簡介,采用能理解又基本符合 研究生教育層面內(nèi)涵的學(xué)科專業(yè)劃分方法,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,1) 自動化的內(nèi)涵與外延,日常生活中，較少聽到”自動化”這個名詞

3、更多聽到的是： 這個設(shè)備(器具)是自動的、 自動控制的 或全自動的,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內(nèi)容,日常生活中常見的： *家庭： 全自動照相機、洗衣機、電飯煲,高檔樓宇： 自動門、自動自來水開關(guān),交通： 自動控制的紅綠燈、 火車上的自動燒開水機,銀行： 自動取款機ATM,2、自動化的研究內(nèi)容（續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,自動化設(shè)備的特點： 工作時不需要（或很少需要）人參與， 卻能按照人的要求“自動”完成其承擔(dān)的任務(wù),充分理解： 各種自動的（或自動控制的）設(shè)備 僅是一項大的自動化工程中的一個細胞。 而以上例舉的自動的設(shè)備 僅為整個自動化大家庭中的一個個小細胞,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化

4、的研究內(nèi)容(續(xù),自動化的應(yīng)用舉例,工業(yè)自動化自動機、自動生產(chǎn)線、 無人車間、無人工廠,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內(nèi)容(續(xù),Intelligence and human-machine interface,Internet,Robot,Camera,Microphone,Scanner,機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的例子,以機器人為單元的無人化工廠,控制與管理一體化,制造業(yè)頂層信息化 現(xiàn)代集成制造系統(tǒng),企業(yè)間層,設(shè)備裝置層,控制節(jié)點層,企業(yè)層,單元層,工程層,制造業(yè)底層自動化 機器人與自動化裝備,能量管理系統(tǒng)：電、氣、水全自動管理 空氣質(zhì)量系統(tǒng)：溫度、濕度、空氣質(zhì)量管理 安全消防系統(tǒng)：安檢、消防自動

5、報警、 救護系統(tǒng) 辦公自動化,二、自動化專業(yè)簡介,樓宇（管理）自動化,2、自動化的研究內(nèi)容(續(xù),軍事自動化無人飛機、導(dǎo)彈,交通自動化 機器人,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內(nèi)容(續(xù),壁面清洗機器人,擦玻璃機器人,采摘機器人,醫(yī)用機器人,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,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內(nèi)容(續(xù),比人干得更快、更好，極大地提高生產(chǎn)力 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。例： 5 元數(shù)字計算機,3、自動化的作用與重要性,二、自動化專業(yè)簡介,把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、

6、無人偵察機、導(dǎo)彈（無人,基本作用（傳統(tǒng)觀念,完成人無法完成的工作 管道機器人（各種油管、水管）、 水下6000米機器人,擴展作用 管理、經(jīng)濟、金融過程智能化,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù),自動化在國民經(jīng)濟、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。 自動化在人民日常生活中亦將起著舉足輕重的作用,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù),國家863高科技發(fā)展計劃 （有所為，有所不為） 分6個領(lǐng)域 自動化、能源、信息、 新材料、生物與農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境（海洋） 就有一個自動化領(lǐng)域 分CIMS主題、機器人主題,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù),所

7、以講： 自動化是當(dāng)代高科技的集中體現(xiàn)與應(yīng)用。 智能機器人是當(dāng)代高科技的結(jié)晶。 宋鍵,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù),自動化學(xué)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。 目前，離開計算機，自動化一事無成。 但光有計算機，能改變周圍的一切嗎,二、自動化專業(yè)簡介,I）學(xué)科特點,4、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點,II） 研究、應(yīng)用特點,寬、廣，幾乎無所不包， 并且，伴隨其它技術(shù)發(fā)展，越來越廣,二、自動化專業(yè)簡介,4、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點(續(xù),III） 學(xué)自動化的特點,在所有學(xué)工的學(xué)生中，學(xué)自動化學(xué)習(xí)的計算機僅次于計算機專業(yè),在所有學(xué)工的學(xué)生中，學(xué)自動化需要

8、的數(shù)學(xué)知識最多,因此我們一直說,自動化專業(yè)基礎(chǔ)面寬， 需要學(xué)的知識多，并要求扎實,二、自動化專業(yè)簡介,4、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點(續(xù),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?qū)捇A(chǔ)、寬專業(yè)面,4、自動化專業(yè)、學(xué)科的特點(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,5、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、電子電氣等等,二、自動化專業(yè)簡介,l其它專業(yè)向自動化擴展 機械工程及其自動化 電氣工程及其自動化 動力工程及其自動化 甚至：農(nóng)業(yè)工程及其自動化 交通運輸自動化,I）自控系自動化所 合辦一個本科專業(yè)自動化專業(yè) （對應(yīng)一級學(xué)科，控制科學(xué)與工程） 三個研究

9、生學(xué)位點 （對應(yīng)三個二級學(xué)科,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè),II）圍繞研究生教育，系、所劃分,III）自動化專業(yè)水平,二、自動化專業(yè)簡介,畢業(yè)生質(zhì)量 （統(tǒng)計數(shù)字較少，比較困難,成績,辦學(xué)條件,師資,四方面評價,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),一位（科學(xué)院）院士 （國內(nèi)僅清華有兩位，上交大0個， 浙大1個，我校共有7位,下作比較（與國內(nèi)一流自動化專業(yè)比,l師資,有較多的教授、博導(dǎo)、博士,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),在自動化一級學(xué)科下全部二級學(xué)科均有博士（碩士）授予權(quán),l辦學(xué)條件,國家級重點學(xué)科 （全國只有13所 / 東大只有10個國家重點學(xué)科,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我

10、校自動化專業(yè)(續(xù),一批國際高水平論文（在國內(nèi)享有盛譽） 獲全國首屆百篇優(yōu)秀博士論文之一,一項國際大獎,一批國家級獎勵,l取得成績,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),2002年國務(wù)院學(xué)位委員會 首次全國十二個一級學(xué)科 整體水平排名(試點) 0701 數(shù)學(xué) 0811 控制科學(xué)與工程 0702 物理學(xué) 0812 計算機科學(xué)與技術(shù) 0703 化學(xué) 0831 生物醫(yī)學(xué)工程 0901 作物學(xué) 0802 機械工程 0904 植物保護 0809 電子科學(xué)與技術(shù) 1201 管理科學(xué) 0810 信息與通信工程 與工程,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),與我校有關(guān)工科（08） 6個一級學(xué)科

11、整體水平按學(xué)校排名 0831 生物醫(yī)學(xué)工程 第2 生醫(yī)系 0811 控制科學(xué)與工程 第5 自動控制系 0810 信息與通信工程 第5 無線電系 0809 電子科學(xué)與技術(shù) 第8 電子系 0812 計算機科學(xué)與技術(shù) 第17 計算機系 0802 機械工程 第21 機械系 1201 管理科學(xué)與工程 第16 管理學(xué)院,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),與我?！翱刂瓶茖W(xué)與工程”(自動化專業(yè))有關(guān) 整體水平按學(xué)校排名情況 東北大學(xué)1, 浙江大學(xué)2, 清華大學(xué)3 上海交通大學(xué)4, 東南大學(xué)5 西安交通大學(xué)6, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)7 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)8, 北京理工大學(xué)9 北京航空航天大學(xué)10, 華中科技

12、大學(xué)11 南京理工大學(xué)15, 南京航空航天大學(xué)23,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),總之 我校自動化學(xué)科（專業(yè)） 在國內(nèi)是一流的， 在校內(nèi)也是一流的。 我們應(yīng)當(dāng)自豪! 我們還需努力,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,因此，我校自動化專業(yè)圍繞 研究生3個學(xué)位點(二級學(xué)科)設(shè)置專業(yè)方向課,二、自動化專業(yè)簡介,因此，各人會涉及到選專業(yè)方向課,自動化研究內(nèi)容、應(yīng)用領(lǐng)域極其廣闊,辦自動化專業(yè)不可能面面俱到，只能有所側(cè)重,學(xué)自動化專業(yè)更不可能面面俱到，必須有所側(cè)重,7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置,必修課,選修課,二、自動化專業(yè)簡介,面向全校各專業(yè)(公共課,工科專業(yè)（自然科學(xué)基礎(chǔ)課,自

13、動化專業(yè),一級學(xué)科基礎(chǔ)課,一級學(xué)科實踐課,一級學(xué)科主干課,課程設(shè)置,二級學(xué)科（方向）訓(xùn)練課,二級學(xué)科選修課,7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,I）必修課,工科專業(yè),7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置 (續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,一級學(xué)科基礎(chǔ)課,電路分析、信號與系統(tǒng),計算機結(jié)構(gòu)與邏輯、微機系統(tǒng)與接口,電子線路、電磁場與波,網(wǎng)絡(luò)通信,自控原理（I,7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,一級學(xué)科實踐課,電路實驗,微機實驗,電子實驗,綜合課程設(shè)計,7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,一級學(xué)科主干課,自動控制原理（II,計算機控制技術(shù)

14、,電機原理與拖動,管理信息系統(tǒng),7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),二、自動化專業(yè)簡介,II）選修課,A組,二級學(xué)科（方向,訓(xùn)練課（任選兩組,C組,D組,B組,智能控制,檢測技術(shù),自動化儀表設(shè)計,系統(tǒng)辨識與仿真,數(shù)字信號處理,圖象處理,自動控制系統(tǒng),電力電子技術(shù),檢測技術(shù)與自動化儀表（二級學(xué)科,控制理論與工程（二級學(xué)科,模式識別與智能系統(tǒng)（二級學(xué)科,二、自動化專業(yè)簡介,二級學(xué)科選修課,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信原理 二選一,電子電路CAD,FOXPRO、C語言,計算機軟件、儀表抗干擾,機器人及控制、過程控制,五選三,四選二,多媒體、自動化工具軟件,7、自動化專業(yè)本科課程設(shè)置(續(xù),8、自動化專業(yè)有關(guān)實驗室介紹,

15、二、自動化專業(yè)簡介,實驗室：工業(yè)自動化實驗室 自動控制原理實驗室 計算機硬件實驗中心(校級) 研究室：機器人研究室 運動控制研究室 過程控制研究室,三、自動控制基本原理,控制科學(xué)嚴密嚴格的數(shù)學(xué)（深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),應(yīng)用于控制工程合理的近似 因為：控制對象絕大多數(shù)非常復(fù)雜， 非線性 / 相互耦合,Intelligence and human-machine interface,Internet,Robot,Camera,Microphone,Scanner,機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的例子,1、自動控制系統(tǒng)的兩大基本類型 （1）開環(huán)控制（非反饋控制） （2）閉環(huán)控制（反饋或負反饋控制,三、自動控制基本原理,如直

16、流電機轉(zhuǎn)速開環(huán)控制,三、自動控制基本原理,開環(huán)： 簡單 不準確（希望1000r/min，實際 950r/min,三、自動控制基本原理,人工閉環(huán),功率 放大器,V,轉(zhuǎn)速表,三、自動控制基本原理,自動閉環(huán)控制,功率 放大器,V,測速發(fā)電機,三、自動控制基本原理,控制器,對象,反饋 （測量,參考輸入,偏差,輸出,三、自動控制基本原理,開環(huán)： 簡單 不準確（希望1000r/min，實際 950r/min） 閉環(huán)： 準確 復(fù)雜、設(shè)備多,三、自動控制基本原理,2、自動控制包含的基本內(nèi)容,1）對象數(shù)學(xué)模型的建立與分析,三、自動控制基本原理,3、對象建模與分析,基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)、物理,三、自動控制基本原理,1）建立

17、微分方程式,輸入流量Qi；輸出流量Qo； 液面高度H要求控制在一定值內(nèi)； 系統(tǒng)輸入量Qi；(中間變量Qo）； 系統(tǒng)輸出量（被控量）H *建立微分方程式,a、根據(jù)物質(zhì)守恒定律,三、自動控制基本原理,b、消去中間變量,這是標準的一階非線性微分方程非線性系統(tǒng),注：*該系統(tǒng)已經(jīng)作了簡化與近似， 完整的系統(tǒng)還要復(fù)雜,三、自動控制基本原理,2）簡化微分方程式線性化常用方法 基礎(chǔ)：數(shù)學(xué)中的在某點的泰勒級數(shù)展開， 并取一階近似,三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,這是標準的一階線性微分方程線性系統(tǒng) 可寫成,三、自動控制基本原理,3）用傳遞函數(shù)表示,對線性系統(tǒng)兩邊同求拉普拉斯變換,微分方程 線性系統(tǒng),三

18、、自動控制基本原理,開環(huán)控制是不行的，溢出或流干,必須閉環(huán)控制，如下圖,三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,1）為何閉環(huán)控制能滿足要求 直觀上應(yīng)能滿足,控制框圖方框圖如上,原理：偏差調(diào)節(jié),三、自動控制基本原理,閉環(huán)傳遞函數(shù),三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,2）設(shè)計控制器的幾大要點,穩(wěn)定性 什么是不穩(wěn)定：如水溢出、流干 穩(wěn)定性是壓倒一切的,對線性系統(tǒng)，有成熟的穩(wěn)定性分析方法。 對非線性復(fù)雜系統(tǒng)，很難，需要高深的數(shù)學(xué) 是自動控制重要研究 內(nèi)容,三、自動控制基本原理,穩(wěn)態(tài)誤差,動態(tài)特性,三、自動控制基本原理,3）控制器的發(fā)展,模擬模擬數(shù)字混合式 全數(shù)字式 計算機（軟件實現(xiàn),線性非

19、線性,簡單復(fù)雜,常規(guī)智能,三、自動控制基本原理,微小型機器人系統(tǒng),二自由度機電控制平臺 特點： SCARA結(jié)構(gòu) 直流伺服驅(qū)動 可重構(gòu),二自由度機器人平臺,伺服控制系統(tǒng)方框圖,濾波,位置 控制,速度 控制,電流 控制,電機,負載,位置 檢測器,微分,指令,位置環(huán),速度環(huán),位置環(huán),位置指令,速度指令,速度指令,位置指令,速度指令,速度指令,直流伺服驅(qū)動器,DSP,門極驅(qū)動,H Bridge,電機,碼盤信號,電流檢測,PWM,RS232/ RS485,嵌入式 控制器,嵌入式機器人控制系統(tǒng),嵌入式控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖,四、數(shù)字化與計算機控制,1、數(shù)字化 （1）模擬量到數(shù)字量,2）微分方程到差分方程,四、

20、數(shù)字化與計算機控制,四、數(shù)字化與計算機控制,3）實際處理（實現(xiàn),數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換,模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換,采樣,四、數(shù)字化與計算機控制,四、數(shù)字化與計算機控制,1）計算機硬件 計算機本身接口（A/D、D/A等,2）計算機軟件 各種控制（智能） 分時控制/集散控制,四、數(shù)字化與計算機控制,4）計算機系統(tǒng)控制 簡單系統(tǒng)包含以上部分（硬件 軟件對象） 復(fù)雜系統(tǒng)許多對象，下位機網(wǎng) 絡(luò)上位 機,3）測量、控制設(shè)備同模擬控制,四、數(shù)字化與計算機控制,五、自動化基本設(shè)備,1、測量傳感器（sensor)、變送器(transducer,包括：溫度 、壓力、 流量、 液位、 成分 轉(zhuǎn)速（加速度）、 位置,兩大類： 電 測

21、量：電壓、電流、功率 非電量測量：轉(zhuǎn)換成電信號,基本結(jié)構(gòu),測量的重要性：相當(dāng)人的眼睛、耳朵、觸覺、 嗅覺、味覺,高質(zhì)量的控制離不開高精度的測量,五、自動化基本設(shè)備,2、控制器,五、自動化基本設(shè)備,又如：部分洗衣機，撥碼式彈簧計 數(shù)，接觸控制每一動作,五、自動化基本設(shè)備,電子控制器： 兩大類,核心：自動控制原理及其實現(xiàn),數(shù)字控制器（計算機）：今后發(fā)展趨勢,模擬控制器：目前仍有較廣用途 如家用電器,五、自動化基本設(shè)備,3、執(zhí)行器,1）電類（電動作式控制電量） 繼電器、接觸器 電機 電力電子,五、自動化基本設(shè)備,3）混合類（電動作式控制非電量） 電機（氣、液、固體）閥門、開關(guān),2）非電類（氣液動作式控制非電量） 閥門、開關(guān)（氣液動作式,五、自動化基本設(shè)備,六、現(xiàn)代自動化技術(shù),一）控制理論與科學(xué),建立在線性代數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上 處理多變量系統(tǒng) 最優(yōu)化、最優(yōu)控制,2）現(xiàn)代控制理論,傳遞函數(shù)、根軌