自動(dòng)控制自動(dòng)化學(xué)科概論課件

機(jī)械與電子工程學(xué)院西北農(nóng)林科技大學(xué)楊兵力機(jī)械工程控制基礎(chǔ)7/20/2023自動(dòng)化學(xué)科概論7/20/2023

一．對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)

二．對(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的認(rèn)識(shí)

三．對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的認(rèn)識(shí)四.對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)識(shí)

主要內(nèi)容7/20/2023一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)什么是自動(dòng)化控制和自動(dòng)化的關(guān)系自動(dòng)化和工業(yè)化的關(guān)系自動(dòng)化和信息化的關(guān)系7/20/20231.什么是自動(dòng)化？

(a)手動(dòng)控制漫畫(huà)(b)自動(dòng)控制

圖1水溫的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的示意圖一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/2023圖中水溫的操作員要用手（通過(guò)感覺(jué)）來(lái)測(cè)試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過(guò)大腦）。同時(shí)他要決定（通過(guò)大腦）：他的手應(yīng)該朝哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)加溫用的蒸汽閥門(mén)和旋轉(zhuǎn)多大的角度。采用自動(dòng)控制時(shí)上述功能都有各種的元件和儀表來(lái)代替。例如，溫度測(cè)量元件、控制記錄儀表和調(diào)節(jié)閥等。一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/2023手臂,手人眼輸入信號(hào)大腦人眼輸出信號(hào)用自動(dòng)裝置代替人工操作水溫控制系統(tǒng)的反饋控制方塊圖一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/20231-目標(biāo)跟蹤雷達(dá)2-導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)3-計(jì)算機(jī)雷達(dá)4-導(dǎo)彈發(fā)射架防空導(dǎo)彈制導(dǎo)一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/2023

各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的，特別用雙雷達(dá)控制的防空導(dǎo)彈可以自動(dòng)跟蹤高空的飛行目標(biāo)進(jìn)行命中爆炸（圖2）。一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/2023現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代生活離不開(kāi)對(duì)一些物理量的控制，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)這種控制的自動(dòng)化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50赫茲、220伏的交流電。為此，在發(fā)電廠就要設(shè)法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動(dòng)調(diào)壓和自動(dòng)調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。在機(jī)械加工廠金屬切削機(jī)床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的。一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/2023現(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值、衛(wèi)生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機(jī)無(wú)不進(jìn)行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動(dòng)按程序進(jìn)行。一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/20231）指設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)控制（Theautomaticoperationorcontrolofequipment,aprocess,orasystem)；自動(dòng)化（Automation）2）用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)控制的技術(shù)或設(shè)備（Thetechniquesandequipmentusedtoachieveautomaticoperationorcontrol)；3）被自動(dòng)控制或自動(dòng)操作的狀態(tài)（Theconditionofbeingautomaticallycontroledoroperatted).一、對(duì)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)7/20/20232.控制和自動(dòng)化的關(guān)系

1）自動(dòng)化和控制是有不同內(nèi)涵的兩個(gè)概念自動(dòng)化與“設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)等具體物理對(duì)象”的自動(dòng)運(yùn)行密切相關(guān)，脫離了具體物理對(duì)象談自動(dòng)化是毫無(wú)意義的。控制（Control)有駕馭或支配的含義是人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)而采用的方法與手段，因而可以脫離物理對(duì)象而去研究控制?？刂频膽?yīng)用范圍比自動(dòng)化廣，但本身的含義卻要比自動(dòng)化窄；就工程控制范圍而言，控制只是自動(dòng)化中的核心概念之一；自動(dòng)化是多個(gè)概念交叉、融合的產(chǎn)物，而控制卻不是。7/20/20232）自動(dòng)化和控制概念的外延第一從控制科學(xué)開(kāi)始“延伸”，即控制科學(xué)→控制理論→控制技術(shù)→控制系統(tǒng)→控制工程；第二從自動(dòng)化應(yīng)用開(kāi)始“延伸”，即自動(dòng)化工程→自動(dòng)化設(shè)備→自動(dòng)化技術(shù)→自動(dòng)化理論→自動(dòng)化科學(xué)。2.控制和自動(dòng)化的關(guān)系7/20/20233）自動(dòng)化科學(xué)和控制科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)——信息科學(xué)控制科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)科學(xué)————自動(dòng)化科學(xué)2.控制和自動(dòng)化的關(guān)系7/20/2023目前在許多場(chǎng)合，控制與自動(dòng)化似乎是同義詞，兩者區(qū)分并不顯著。但嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，控制與自動(dòng)化的含義是不同的，控制較強(qiáng)調(diào)科學(xué)思想和方法，自動(dòng)化則較強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)?？刂萍瓤梢允亲詣?dòng)的，也可以是人工的，而自動(dòng)化最直接的含義是使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，這里并非一定需要有控制行為。雖然如此，我們還是要承認(rèn)控制與自動(dòng)化在大多數(shù)情況下是一致的，因?yàn)槲覀兿Ｍ刂谱詈媚茏詣?dòng)實(shí)現(xiàn)以減少人工控制的負(fù)擔(dān)和不穩(wěn)定性，同時(shí)我們也希望自動(dòng)化系統(tǒng)的性能更優(yōu)更好，常常會(huì)用控制的思想和方法提高系統(tǒng)的質(zhì)量。2.控制和自動(dòng)化的關(guān)系7/20/2023工業(yè)化特點(diǎn)：專指工業(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(dòng)化（加入自動(dòng)控制器）

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，就完成工業(yè)化目前來(lái)說(shuō)：自動(dòng)化是工業(yè)化的最重要標(biāo)志（國(guó)內(nèi)總體來(lái)說(shuō)，已機(jī)械化、電氣化）3.自動(dòng)化與工業(yè)化的關(guān)系7/20/2023信息化特點(diǎn)：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

計(jì)算機(jī)化（大規(guī)模使用數(shù)字計(jì)算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）

先進(jìn)自動(dòng)化（綜合集成了系統(tǒng)、管理）

實(shí)現(xiàn)先進(jìn)自動(dòng)化，就完成（工業(yè)）信息化

先進(jìn)自動(dòng)化是信息化的最重要標(biāo)志（國(guó)內(nèi)總體，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化已有一定規(guī)模）4.自動(dòng)化與信息化的關(guān)系7/20/2023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(dòng)化（加入自動(dòng)控制器）計(jì)算機(jī)化（應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)）網(wǎng)絡(luò)化（實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）先進(jìn)自動(dòng)化（系統(tǒng)、管理）智能化（引入智能）知識(shí)化（處理知識(shí)）工業(yè)化信息化知識(shí)化4.自動(dòng)化與信息化的關(guān)系7/20/20234.自動(dòng)化與信息化的關(guān)系7/20/2023（基礎(chǔ)）自動(dòng)化（核心是控制）

是工業(yè)化完成與否的標(biāo)志自動(dòng)化技術(shù)是工業(yè)化的核心技術(shù)先進(jìn)自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)是信息化的核心技術(shù)4.自動(dòng)化與信息化的關(guān)系7/20/2023自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化：主要包括自動(dòng)完成加工生產(chǎn)的設(shè)備自動(dòng)化，自動(dòng)完成正常生產(chǎn)進(jìn)程的過(guò)程自動(dòng)化，以及自動(dòng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理的管理自動(dòng)化。辦公自動(dòng)化：現(xiàn)代辦公自動(dòng)化正朝著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。家庭自動(dòng)化：主要是指自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)生活服務(wù)或提供信息服務(wù)。農(nóng)業(yè)自動(dòng)化軍事自動(dòng)化7/20/2023航空航天與運(yùn)輸（a）F-18飛機(jī)，第一種運(yùn)用能遙控的自動(dòng)駕駛儀技術(shù)的軍用飛機(jī)之一，（b）X-45（UCAV）無(wú)人飛行器。

7/20/2023機(jī)器人技術(shù)和智能機(jī)械（a）火星旅居者漫游者（b）索尼愛(ài)波娛樂(lè)表演機(jī)器人

7/20/20237/20/2023二、對(duì)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的認(rèn)識(shí)科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)研發(fā)技術(shù)科學(xué)技術(shù)7/20/2023基礎(chǔ)科學(xué)——自然科學(xué)數(shù)學(xué)系統(tǒng)科學(xué)社會(huì)科學(xué)技術(shù)科學(xué)——信息科學(xué)自動(dòng)化科學(xué)運(yùn)籌學(xué)其他技術(shù)科學(xué)工程技術(shù)——信息技術(shù)自動(dòng)化技術(shù)廣義的信息技術(shù)7/20/2023自動(dòng)化科學(xué)（AutomationScience/Automatics)或稱控制系統(tǒng)科學(xué)（ControlSystemScience),是一門(mén)技術(shù)科學(xué)，起源于20世紀(jì)初，《控制論》與《工程控制論》的問(wèn)世標(biāo)志著這門(mén)技術(shù)科學(xué)的基本成型。自動(dòng)化技術(shù)（AutomationTechnology)或稱控制系統(tǒng)技術(shù)（ControlSystemTechnology)或控制技術(shù)。作為一門(mén)工程應(yīng)用技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷史要更長(zhǎng)，但其獲得廣泛應(yīng)用是在自動(dòng)化科學(xué)基本成熟和計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)普及之后。7/20/2023自動(dòng)化科學(xué)的特點(diǎn)自動(dòng)化科學(xué)的數(shù)學(xué)屬性——嚴(yán)密的理論特征自動(dòng)化科學(xué)的對(duì)象特性——鮮明的改造世界的特征自動(dòng)化科學(xué)的系統(tǒng)與社會(huì)屬性——系統(tǒng)的復(fù)雜性特征自動(dòng)化科學(xué)的滲透與擴(kuò)散特性——普遍適用特征7/20/2023自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)之一

最初——處理系統(tǒng)的物理特性，

基礎(chǔ)自動(dòng)化，物質(zhì)、能量

當(dāng)前——處理系統(tǒng)的復(fù)雜性，

先進(jìn)自動(dòng)化，主要是信息7/20/2023當(dāng)前，自動(dòng)化科學(xué)研究的焦點(diǎn)和難點(diǎn)

——系統(tǒng)的復(fù)雜性，

需要解決的基本問(wèn)題或基本科學(xué)問(wèn)題

——復(fù)雜系統(tǒng)的建模問(wèn)題

綜合集成問(wèn)題（包括人）

整體優(yōu)化問(wèn)題、失效容錯(cuò)問(wèn)題

和系統(tǒng)智能問(wèn)題

自動(dòng)化技術(shù)主要包括

——模型技術(shù)、仿真技術(shù)、集成技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、可靠性技術(shù)和運(yùn)行技術(shù)。

7/20/2023自動(dòng)化科學(xué)與信息科學(xué)同根、同源

信息科學(xué)的基礎(chǔ)---《信息論》與《控制論》、《系統(tǒng)論》

自動(dòng)化科學(xué)的基礎(chǔ)---《控制論》、《系統(tǒng)論》與《信息論》自動(dòng)化學(xué)科與信息學(xué)科的關(guān)系7/20/2023自動(dòng)化技術(shù)涉及到信息技術(shù)的全部7/20/2023注意兩點(diǎn)：

1）自動(dòng)化科學(xué)與信息科學(xué)的同根、同源，自動(dòng)化技術(shù)涉及到信息技術(shù)的全部，并不隱含著：

自動(dòng)化技術(shù)可替代信息技術(shù)

2）我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金，將自動(dòng)化科學(xué)劃歸信息科學(xué)部。并不隱含著：

信息技術(shù)包含了自動(dòng)化技術(shù)

自動(dòng)化技術(shù)的重點(diǎn)是在

信息的控制應(yīng)用上

自動(dòng)化技術(shù)的作用是如何有效地

利用信息來(lái)促進(jìn)能量與物質(zhì)的有效利用。

7/20/2023三、對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的認(rèn)識(shí)學(xué)科（Discipline）是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一種分類法。學(xué)科是“知識(shí)或教學(xué)的一個(gè)分支”。自動(dòng)化學(xué)科具有兩方面的含義，分別對(duì)應(yīng)著自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)研究（知識(shí)）與自動(dòng)化科學(xué)工程教育（教學(xué)）。7/20/2023為什么要分自動(dòng)化學(xué)科的研究層次？

自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)包含面太寬

——多學(xué)科交叉

難以從最基礎(chǔ)的理論到最實(shí)際的具體工程應(yīng)用

都面面俱到地、均衡地去研究或?qū)W習(xí)。

應(yīng)該確保科學(xué)與技術(shù)（工程）不分家的前提

分層次的、有重點(diǎn)的去研究與學(xué)習(xí)7/20/2023如何分自動(dòng)化學(xué)科的研究層次？

根據(jù)被控制的對(duì)象的

不同物理、數(shù)學(xué)形態(tài)

自動(dòng)化學(xué)科研究可分為三個(gè)不同層次：

1）

模型的控制，突出學(xué)科的數(shù)學(xué)特征；

2）

信息的控制，突出學(xué)科的信息特征；

3）

實(shí)體的控制，突出學(xué)科的工程特征。7/20/2023實(shí)體的控制

——工程中具體對(duì)象（實(shí)際設(shè)備）的控制

最基本、最實(shí)在的控制

最充分地體現(xiàn)了自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)的作用是如何有效地利用信息來(lái)促進(jìn)能量與物質(zhì)（如能源、材料和環(huán)境資源、人力資源等）的有效利用。

實(shí)體的控制的特點(diǎn)是：

1）工程特征，明顯的使能特性與對(duì)象依賴性；

2）橋梁特性，信息與能量、物質(zhì)之間的橋梁；

3）交叉特征，與其它工程學(xué)科密切交叉。7/20/2023

信息的控制

“控制論”對(duì)控制的定義:

這門(mén)新學(xué)科的一個(gè)非常突出的特點(diǎn)就是完全不考慮能量、熱量和效率等因素，可是在其他各門(mén)自然科學(xué)中這些因素是非常重要的。控制論所討論的主要問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)不同部分之間的相互作用的定性性質(zhì)以及整個(gè)系統(tǒng)的總的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？刂普摰闹埸c(diǎn):

信息與控制，或說(shuō)信息的控制。7/20/2023信息的控制的特點(diǎn)：

1）信息特征。重點(diǎn)研究信息，

是信息科學(xué)技術(shù)的重要部分；

2）系統(tǒng)特征。從系統(tǒng)的觀點(diǎn)研究信息的控制

通過(guò)“綜合”與“集成”解決信息的控制

3）滲透與擴(kuò)散特性。解決帶有一定普遍性或共性的對(duì)象的信息控制問(wèn)題，目的又是為了改造世界，因而有強(qiáng)的滲透與擴(kuò)散特性、廣闊的應(yīng)用范圍。

7/20/2023模型的控制

面向控制的模型與一般模型的不同:

*描述子系統(tǒng)間的交互作用的方法不同，要求反映出系統(tǒng)的基本輸入/輸出特性以及噪聲抑制能力和互聯(lián)穩(wěn)定性；

*在輸入/輸出特性的框架下，比較容易將一個(gè)高逼真度的復(fù)雜模型降階成為低逼真度的簡(jiǎn)單模型，從而為復(fù)雜互連系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

對(duì)自動(dòng)化學(xué)科的理論研究來(lái)說(shuō)，與其它學(xué)科的交叉更多地就體現(xiàn)在系統(tǒng)建模中。7/20/2023模型的控制的特點(diǎn)：

1)

抽象特征。模型提煉，使具有普適性。

對(duì)實(shí)際的復(fù)雜互連系統(tǒng)進(jìn)行模型化，進(jìn)行加工、改造，使更抽象、具有普適性；

2)

數(shù)學(xué)特征。堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

許多新的數(shù)學(xué)方法都是先用在自動(dòng)化學(xué)科之后再用于其它技術(shù)學(xué)科的。

3)

理論特征。研究與自動(dòng)化有關(guān)的原理性問(wèn)題、提出具有普適性的新的控制理論與方法。7/20/2023“模型的控制”—無(wú)電基礎(chǔ)研究“信息的控制”—弱電應(yīng)用基礎(chǔ)研究（信息學(xué)部）

“實(shí)體的控制”—強(qiáng)電應(yīng)用基礎(chǔ)研究（工程學(xué)部）

不同控制之間的區(qū)別與聯(lián)系抽象，基礎(chǔ)科學(xué)具體，實(shí)際工程自然科學(xué)基金7/20/2023模型的控制—無(wú)電信息的控制—弱電

實(shí)體的控制—強(qiáng)電

自動(dòng)化科學(xué)基礎(chǔ)研究（973）自動(dòng)化技術(shù)高技術(shù)研究（863）抽象，基礎(chǔ)科學(xué)具體，實(shí)際工程不同控制之間的區(qū)別與聯(lián)系（續(xù)）7/20/2023四對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)識(shí)

*

自動(dòng)化專業(yè)的知識(shí)體系；

*自動(dòng)化專業(yè)的課程體系；

*

自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)；

*

自動(dòng)化專業(yè)的發(fā)展前景。7/20/2023基本的負(fù)反饋閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

7/20/20237/20/20237/20/20237/20/2023自動(dòng)化專業(yè)的知識(shí)體系

由三層知識(shí)構(gòu)成，包括八個(gè)知識(shí)領(lǐng)域

反映自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)的五個(gè)知識(shí)領(lǐng)域

控制與智能、傳感與檢測(cè)

執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)、模型與仿真

系統(tǒng)與工程；

自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)體系的核心知識(shí)是

控制與智能、模型與仿真

系統(tǒng)與工程等三個(gè)知識(shí)領(lǐng)域

也是自動(dòng)化專業(yè)與其它專業(yè)的最大區(qū)別。

7/20/2023四對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)識(shí)(續(xù))

自動(dòng)化專業(yè)的課程體系

7/20/2023自動(dòng)化專業(yè)的不同課程體系

對(duì)應(yīng)學(xué)科不同的研究層次

適應(yīng)不同院校、不同專業(yè)設(shè)置：

1）

“模型的控制”類課程體系，適合理科院校；

2）

“信息的控制”類課程體系，適合重點(diǎn)工科院校

——通識(shí)自動(dòng)化

3)

“實(shí)體的控制”類課程體系，適合一般工科院校

——“專業(yè)”自動(dòng)化，如：商業(yè)自動(dòng)化

化工自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化。

設(shè)置不同類型的課程體系,有利于吸引更多的人來(lái)學(xué)習(xí)自動(dòng)化、掌握自動(dòng)化、從而投身自動(dòng)化事業(yè)，更有利于學(xué)科與專業(yè)的發(fā)展。

7/20/2023

四對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的認(rèn)識(shí)(續(xù)）

自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)

7/20/2023自動(dòng)化學(xué)科的特點(diǎn)

一門(mén)多學(xué)科交叉的高技術(shù)學(xué)科

自動(dòng)化應(yīng)用的特點(diǎn)

寬、廣，幾乎無(wú)所不包，

并且，伴隨其它技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越廣

學(xué)習(xí)自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)

需要學(xué)的知識(shí)多，并要求扎實(shí)

在學(xué)工的學(xué)生