自動化專業(yè)概論課件 2

第二章自動化的概念

和發(fā)展簡史

2.1控制和自動化的概念現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現(xiàn)對這種控制的自動化。第二章自動化的概念

和發(fā)展簡史2.1控制和自動1

各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別用雙雷達控制的防空導彈可以自動跟蹤高空的飛行目標進行命中爆炸，如圖2.1所示。各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別2圖2.1防空導彈的制導1—目標跟蹤雷達；2—導彈導引雷達；3—計算機；4—導彈發(fā)射架312??????目標交會點4圖2.1防空導彈的制導1—目標跟蹤雷達；2—導彈導引雷達3

自動化(Automation):表示機器或設備在無人干預的情況下，按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制以達到預定的要求。圖2.2(a)和(b)是水溫的手動控制漫畫和采用自動控制的示意圖。自動化(Automation):表示機器或設備在無人干4圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖(a)手動控制漫畫圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖(a)手動控5?調節(jié)記錄儀溫水測溫計冷水蒸汽調節(jié)閥(b)自動控制圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖?調節(jié)記錄儀溫水測溫計冷水蒸汽調節(jié)閥(b)自動控制圖2.6

自動化是一個涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術，歸屬于控制科學與工程的范疇。自動化的研究內容有自動控制和信號處理兩個方面，包括理論、方法、應用硬件和軟件等。自動化是新的技術革命的一個重要方面。自動化是一個涉及學科較多、應用廣泛的7

2.2我國古代自動裝置

⑴指南車

2.2我國古代自動裝置8車身齒輪系木人車輛轉彎方向圖2.3指南車方向自動裝置框圖車身齒輪系木人車輛方向圖2.3指南車方向自動裝置框圖9

⑵銅壺滴漏

⑶飲酒速度的自動調節(jié)⑷計里鼓車⑸漏水轉渾天儀⑹候風地動儀⑺水運儀象臺⑵銅壺滴漏102.3控制和自動化技術發(fā)展簡史

控制和自動化技術的發(fā)展經歷了四個歷史時期。

2.3控制和自動化技術發(fā)展簡史控制和自動化技11⑴古代自動裝置⑵近代自動裝置2.3.1自動裝置的出現(xiàn)和應用(18世紀以前)⑴古代自動裝置2.3.1自動裝置的出現(xiàn)122.3.2自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）

公元1788年英國機械師J.瓦特(Watt)發(fā)明離心式調速器，并把它與蒸汽機的閥門連接進來，構成蒸汽機轉速的閉環(huán)自動調速系統(tǒng)。2.3.2自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀3013

這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展有重要影響。

⑴自動調節(jié)的廣泛應用⑵自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展有重14圖2.4對象和調節(jié)器形成調節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽負荷離心式調速器轉速測量進汽-+圖2.4對象和調節(jié)器形成調節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽負荷離心式轉速15⑶反饋控制和頻率法圖2.5反饋調節(jié)（控制）系統(tǒng)調節(jié)器（控制器）被控對象輸出變量

控制量前向通道誤差

輸入變量（給定規(guī)律）反饋通道-+⑶反饋控制和頻率法圖2.5反饋調節(jié)（控制）系統(tǒng)調節(jié)器被162.3.3局部自動化時期(20世紀40～50年代)

在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術問題，各國科學家設計出各種精密的自動調節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學領域。2.3.3局部自動化時期(20世紀40～50年代)17目標方向敏感元件計算機定位伺服機構跟蹤誤差跟蹤環(huán)路瞄準環(huán)路視線瞄準誤差火炮瞄準命令火炮方向圖2.6自動防空火力控制系統(tǒng)原理圖目標方向敏感元件計算機定位伺服機構跟蹤誤差跟蹤環(huán)路瞄準環(huán)路視18伺服機構（控制繞垂直軸轉動）伺服機構（控制仰角）炮管中心

線視線計算機指揮儀敏感元件圖2.7自動防空火力控制系統(tǒng)伺服機構（控制伺服機構炮視線計算機指揮儀敏感元件圖2.7192.3.3.1經典控制理論的形成和發(fā)展

在代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、傳遞函數(shù)和頻率法判據(jù)的基礎上，再加上W.埃文斯1948年提出的根軌跡法，奠定了適宜用于單變量控制問題的經（古）典控制理論的基礎。經典控制理論→單變量控制問題2.3.3.1經典控制理論的形成和發(fā)展在代數(shù)穩(wěn)20

頻率法(或稱頻域法）成為分析和設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)一般稱為自動調節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動控制系統(tǒng)。因此，調節(jié)器現(xiàn)在也稱為控制器。頻率法(或稱頻域法）成為分析和設計線性單變量自動21

1945年，美國數(shù)學家、控制理論專家N.維納把反饋的概念推廣到生物等一些控制系統(tǒng)。

1948年他出版了名著《控制論》一書，為控制理論的發(fā)展奠定了基礎。1945年，美國數(shù)學家、控制理論專家N.維納把反22

1954年，中國科學家錢學森全面地總結和提高了經典控制理論，在美國出版了用英語撰寫的、在世界上很有影響的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)一書。1954年，中國科學家錢學森全面地總結和提高了經232.3.3.2局部自動化的廣泛應用

第二次世界大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應用PID調節(jié)器，并用電子模擬計算機(ElectronicAnalogComputer)來設計自動控制系統(tǒng)。2.3.3.2局部自動化的廣泛應用第二次世界242.3.3.3電子數(shù)字計算機的發(fā)明

1943～1946年，美國電氣工程師J.埃克脫(Eckert)和物理學家J.莫奇利(Mauchly)為美國陸軍研制成世界上第一臺基于電子管的電子數(shù)字計算機(ElectronicDigitComputer)——電子數(shù)字積分和自動計數(shù)器(ENIAC)。2.3.3.3電子數(shù)字計算機的發(fā)明1943～1252.3.4綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）

復雜工業(yè)過程和航天、航海技術的自動控制問題，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。2.3.4綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）26

但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。

20世紀70年代微處理機的出現(xiàn)對實現(xiàn)各種復雜的控制任務起了重大的推動作用。但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。272.3.4.1現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展

公元1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學家JI.龐特里亞金提出極大值原理。同年美國數(shù)學家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。2.3.4.1現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展公元128

1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內在屬性?，F(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展，形成了多個重要分支?，F(xiàn)代控制理論→多變量控制問題1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩29

⑴系統(tǒng)辨識、建模與仿真,系統(tǒng)辨識是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學模型的理論和方法。⑵自適應控制和自校正控制器⑶遙測、遙控和遙感20世紀20年代，遙測和遙控開始在鐵路信號和道岔控制上實際應用。⑴系統(tǒng)辨識、建模與仿真,系統(tǒng)辨識30被控對象自適應控制器反饋控制器校正作用輸出干擾控制輸入圖2.8自適應控制框圖被控對象自適應控制器反饋控制器校正作用輸出干擾控制輸入圖2.31被控對象辨識器反饋控制器參數(shù)輸出干擾控制輸入圖2.9自校正控制框圖被控對象辨識器反饋控制器參數(shù)輸出干擾控制輸入圖2.9自校正32

⑷綜合自動化20世紀50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計算機控制的工廠，20世紀60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產線，工業(yè)生產開始由局部自動化向綜合（全盤）自動化方向發(fā)展。⑷綜合自動化20世紀50年代末到60年代33

⑸大系統(tǒng)理論的誕生大系統(tǒng)理論的重要作用在于對大系統(tǒng)進行調度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解—協(xié)調以較短時間計算出優(yōu)化結果，使需要在線及時求取的大系統(tǒng)優(yōu)化解并實施優(yōu)化控制成為可能。大系統(tǒng)：規(guī)模宏大或結構復雜的系統(tǒng)⑸大系統(tǒng)理論的誕生大系統(tǒng)理論的重要作用在于34

⑹模式識別和人工知能使用電子數(shù)字計算機并使它能直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖像、景物等，稱為“模式識別”，如對汽車牌照的識別以控制和管理交通，對指印的識別以甄別罪犯，對漢字的識別以實現(xiàn)辦公自動化等。⑹模式識別和人工知能使用電子數(shù)字計算機并35

⑺智能控制系統(tǒng)的誕生隨著人工智能研究的發(fā)展，人們開始將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)。它的特點是具有智能，能解決一些以往的自動控制技術解決得不好或者不能解決的控制問題。智能控制系統(tǒng)：具有一定人類智能功能的系統(tǒng)⑺智能控制系統(tǒng)的誕生隨著人工智能研究的發(fā)36

它將人工智能中的專家系統(tǒng)、學習控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經網絡等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法相結合，形成一些新的、具有獨特性能的智能自動控制系統(tǒng)，例如智能機器人便是一例。智能控制理論→復雜系統(tǒng)的控制問題它將人工智能中的專家系統(tǒng)、學習控制、模糊邏輯控制372.4中國的自動化教育和科研機構

自從1950年在上海交通大學為電機系本科生和研究生開設“伺服機構原理”課程以后，1953年在高等院校電機（力）系開始逐步設置了“工業(yè)企業(yè)電氣化”專業(yè)（自動化專業(yè)的前身）。2.4中國的自動化教育和科研機構自從19538

該專業(yè)的課程設置中有“自動調節(jié)理論”課程，即現(xiàn)在的“自動控制理論”課程。當時類似課程在電類其他專業(yè)的教學計劃中也都設置了，如在“發(fā)電”專業(yè)的教學計劃中設置有“電力系統(tǒng)自動化”課程以及“電力系統(tǒng)遠動學”（即遠距離測量和控制學）。該專業(yè)的課程設置中有“自動調節(jié)理論”39

這兩個自動化類專業(yè)為中國培養(yǎng)了大批專業(yè)人才。

1957年中國科學院成立了自動化研究所，20世紀60年代中葉又成立了中國科學院沈陽自動化研究所。這兩個自動化類專業(yè)為中國培養(yǎng)了大批專業(yè)40

以控制論專家錢學森、張鐘俊、鐘士模、郎世俊和關肇直為代表的老一輩自動控制專家對中國的自動化教育和自動控制理論發(fā)展以及在國防上的應用作出了極其重要的貢獻。以控制論專家錢學森、張鐘俊、鐘士模、郎世俊和關肇41

在他們的教育、培養(yǎng)和帶動下，新一代的自動控制專家茁壯成長，其中涌現(xiàn)了一批科學院院士和工程院院士。在他們的教育、培養(yǎng)和帶動下，新一代的42第二章自動化的概念

和發(fā)展簡史

2.1控制和自動化的概念現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現(xiàn)對這種控制的自動化。第二章自動化的概念

和發(fā)展簡史2.1控制和自動43

各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別用雙雷達控制的防空導彈可以自動跟蹤高空的飛行目標進行命中爆炸，如圖2.1所示。各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別44圖2.1防空導彈的制導1—目標跟蹤雷達；2—導彈導引雷達；3—計算機；4—導彈發(fā)射架312??????目標交會點4圖2.1防空導彈的制導1—目標跟蹤雷達；2—導彈導引雷達45

自動化(Automation):表示機器或設備在無人干預的情況下，按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制以達到預定的要求。圖2.2(a)和(b)是水溫的手動控制漫畫和采用自動控制的示意圖。自動化(Automation):表示機器或設備在無人干46圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖(a)手動控制漫畫圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖(a)手動控47?調節(jié)記錄儀溫水測溫計冷水蒸汽調節(jié)閥(b)自動控制圖2.2水溫的手動控制和自動控制的示意圖?調節(jié)記錄儀溫水測溫計冷水蒸汽調節(jié)閥(b)自動控制圖2.48

自動化是一個涉及學科較多、應用廣泛的綜合性科學技術，歸屬于控制科學與工程的范疇。自動化的研究內容有自動控制和信號處理兩個方面，包括理論、方法、應用硬件和軟件等。自動化是新的技術革命的一個重要方面。自動化是一個涉及學科較多、應用廣泛的49

2.2我國古代自動裝置

⑴指南車

2.2我國古代自動裝置50車身齒輪系木人車輛轉彎方向圖2.3指南車方向自動裝置框圖車身齒輪系木人車輛方向圖2.3指南車方向自動裝置框圖51

⑵銅壺滴漏

⑶飲酒速度的自動調節(jié)⑷計里鼓車⑸漏水轉渾天儀⑹候風地動儀⑺水運儀象臺⑵銅壺滴漏522.3控制和自動化技術發(fā)展簡史

控制和自動化技術的發(fā)展經歷了四個歷史時期。

2.3控制和自動化技術發(fā)展簡史控制和自動化技53⑴古代自動裝置⑵近代自動裝置2.3.1自動裝置的出現(xiàn)和應用(18世紀以前)⑴古代自動裝置2.3.1自動裝置的出現(xiàn)542.3.2自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）

公元1788年英國機械師J.瓦特(Watt)發(fā)明離心式調速器，并把它與蒸汽機的閥門連接進來，構成蒸汽機轉速的閉環(huán)自動調速系統(tǒng)。2.3.2自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀3055

這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展有重要影響。

⑴自動調節(jié)的廣泛應用⑵自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題這項發(fā)明對第一次工業(yè)革命和控制理論后來的發(fā)展有重56圖2.4對象和調節(jié)器形成調節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽負荷離心式調速器轉速測量進汽-+圖2.4對象和調節(jié)器形成調節(jié)系統(tǒng)蒸汽源蒸汽負荷離心式轉速57⑶反饋控制和頻率法圖2.5反饋調節(jié)（控制）系統(tǒng)調節(jié)器（控制器）被控對象輸出變量

控制量前向通道誤差

輸入變量（給定規(guī)律）反饋通道-+⑶反饋控制和頻率法圖2.5反饋調節(jié)（控制）系統(tǒng)調節(jié)器被582.3.3局部自動化時期(20世紀40～50年代)

在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術問題，各國科學家設計出各種精密的自動調節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學領域。2.3.3局部自動化時期(20世紀40～50年代)59目標方向敏感元件計算機定位伺服機構跟蹤誤差跟蹤環(huán)路瞄準環(huán)路視線瞄準誤差火炮瞄準命令火炮方向圖2.6自動防空火力控制系統(tǒng)原理圖目標方向敏感元件計算機定位伺服機構跟蹤誤差跟蹤環(huán)路瞄準環(huán)路視60伺服機構（控制繞垂直軸轉動）伺服機構（控制仰角）炮管中心

線視線計算機指揮儀敏感元件圖2.7自動防空火力控制系統(tǒng)伺服機構（控制伺服機構炮視線計算機指揮儀敏感元件圖2.7612.3.3.1經典控制理論的形成和發(fā)展

在代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、傳遞函數(shù)和頻率法判據(jù)的基礎上，再加上W.埃文斯1948年提出的根軌跡法，奠定了適宜用于單變量控制問題的經（古）典控制理論的基礎。經典控制理論→單變量控制問題2.3.3.1經典控制理論的形成和發(fā)展在代數(shù)穩(wěn)62

頻率法(或稱頻域法）成為分析和設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)一般稱為自動調節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動控制系統(tǒng)。因此，調節(jié)器現(xiàn)在也稱為控制器。頻率法(或稱頻域法）成為分析和設計線性單變量自動63

1945年，美國數(shù)學家、控制理論專家N.維納把反饋的概念推廣到生物等一些控制系統(tǒng)。

1948年他出版了名著《控制論》一書，為控制理論的發(fā)展奠定了基礎。1945年，美國數(shù)學家、控制理論專家N.維納把反64

1954年，中國科學家錢學森全面地總結和提高了經典控制理論，在美國出版了用英語撰寫的、在世界上很有影響的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)一書。1954年，中國科學家錢學森全面地總結和提高了經652.3.3.2局部自動化的廣泛應用

第二次世界大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應用PID調節(jié)器，并用電子模擬計算機(ElectronicAnalogComputer)來設計自動控制系統(tǒng)。2.3.3.2局部自動化的廣泛應用第二次世界662.3.3.3電子數(shù)字計算機的發(fā)明

1943～1946年，美國電氣工程師J.?？嗣?Eckert)和物理學家J.莫奇利(Mauchly)為美國陸軍研制成世界上第一臺基于電子管的電子數(shù)字計算機(ElectronicDigitComputer)——電子數(shù)字積分和自動計數(shù)器(ENIAC)。2.3.3.3電子數(shù)字計算機的發(fā)明1943～1672.3.4綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）

復雜工業(yè)過程和航天、航海技術的自動控制問題，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。2.3.4綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）68

但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。

20世紀70年代微處理機的出現(xiàn)對實現(xiàn)各種復雜的控制任務起了重大的推動作用。但經典的控制理論的直接應用遇到了困難。692.3.4.1現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展

公元1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學家JI.龐特里亞金提出極大值原理。同年美國數(shù)學家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。2.3.4.1現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展公元170

1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內在屬性?，F(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展，形成了多個重要分支?，F(xiàn)代控制理論→多變量控制問題1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩71

⑴系統(tǒng)辨識、建模與仿真,系統(tǒng)辨識是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學模型的理論和方法。⑵自適應控制和自校正控制器⑶遙測、遙控和遙感20世紀20年代，遙測和遙控開始在鐵路信號和道岔控制上實際應用。⑴系統(tǒng)辨識、建模與仿真,系統(tǒng)辨識72被控對象自適應控制器反饋控制器校正作用輸出干擾控制輸入圖2.8自適應控制框圖被控對象自適應控制器反饋控制器校正作用輸出干擾控制輸入圖2.73被控對象辨識器反饋控制器參數(shù)輸出干擾控制輸入圖2.9自校正控制框圖被控對象辨識器反饋控制器參數(shù)輸出干擾控制輸入圖2.9自校正74

⑷綜合自動化20世紀50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計算機控制的工廠，20世紀60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產線，工業(yè)生產開始由局部自動化向綜合（全盤）自動化方向發(fā)展。⑷綜合自動化20世紀50年代末到60年代75

⑸大系統(tǒng)理論的誕生大系統(tǒng)理論的重要作用在于對大系統(tǒng)進行調度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解—協(xié)調以較短時間計算出優(yōu)化結果，使需要在線及時求取的大系統(tǒng)優(yōu)化解并實施優(yōu)化控制成為可能。大系統(tǒng)：規(guī)模宏大或結構復雜的系統(tǒng)⑸大系統(tǒng)理論的誕生大系統(tǒng)理論的重要作用在于76

⑹模式識別和人工知能使用電子數(shù)字計算機并使它能直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖像、景物等，稱為“模式識別”，如對汽車牌照的識別以控制和管理交通，