電氣工程及其自動化 學(xué)科概論

學(xué)科概論教學(xué)內(nèi)容自動化專業(yè)簡介自動化學(xué)科概論自動化專業(yè)教學(xué)計劃自動化專業(yè)學(xué)習(xí)資源研究生專業(yè)及入學(xué)考試課程作業(yè)專業(yè)簡介08學(xué)科門類：工學(xué)電氣信息類(0806)電氣工程及其自動化 080601自動化 080602電子信息工程 080603通信工程 080604計算機科學(xué)與技術(shù) 080605電子科學(xué)與技術(shù) 080606生物醫(yī)學(xué)工程 080607

自動化的定義所謂自動化（Automation）就是通過由各類電子裝置（包括計算機）、自動機構(gòu)等技術(shù)裝置所組成的系統(tǒng)，按照一定的規(guī)律去完成過去依靠人類的體力勞動和腦力勞動才能完成的各種信息處理、管理決策、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)加工、質(zhì)量控制等各項預(yù)定目標(biāo)，從而減輕人的勞動，提高工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。專業(yè)簡介本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生要具備電工技術(shù)、電子技術(shù)、控制理論、自動檢測與儀表、信息處理、系統(tǒng)工程、計算機技術(shù)與應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等較寬廣領(lǐng)域的工程技術(shù)基礎(chǔ)和一定的專業(yè)知識，能在運動控制、工業(yè)過程控制、電力電子技術(shù)、檢測與自動化儀表、電子與計算機技術(shù)、信息處理、管理與決策等領(lǐng)域從事系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)運行、科技開發(fā)及研究等方面工作的高級工程技術(shù)人才。

專業(yè)簡介畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識和能力：①

具有較扎實的自然科學(xué)基礎(chǔ)，較好的人文社會科學(xué)基礎(chǔ)和外語綜合能力；②

掌握本專業(yè)領(lǐng)域必需的較寬的技術(shù)基礎(chǔ)理論知識，主要包括電路理論、電子技術(shù)、控制理論、信息處理、計算機軟硬件基礎(chǔ)及應(yīng)用等；專業(yè)簡介③較好地掌握運動控制、工業(yè)過程控制及自動化儀表、電力電子技術(shù)及信息處理等方面的知識，具有本專業(yè)領(lǐng)域1-2個專業(yè)方向的專業(yè)知識和技能，了解本專業(yè)學(xué)科前沿和發(fā)展趨勢；④獲得較好的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計及系統(tǒng)開發(fā)方面的工程實踐訓(xùn)練；⑤在本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具備一定的科學(xué)研究、科技開發(fā)和組織管理能力，具有較強的工作適應(yīng)能力。自動化技術(shù)在社會發(fā)展中的地位和作用

自動化技術(shù)的產(chǎn)生及其發(fā)展

控制系統(tǒng)的組成、分類和性能評價自動化系統(tǒng)是一種信息處理系統(tǒng)自動化與系統(tǒng)工程自動化的發(fā)展趨勢人類社會已進(jìn)入信息時代，自動化已走進(jìn)現(xiàn)代社會生活、生產(chǎn)、國防和科研活動的各個方面。技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域家庭：洗衣機、電冰箱、空調(diào)、自動煙霧報警、自動電梯、聲控?zé)艄忏y行：自動取款機商店：自動售貨機、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)、飛機上的自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域建筑：智能建筑農(nóng)業(yè)：農(nóng)用溫室、現(xiàn)代化糧庫工業(yè)：機械制造、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是現(xiàn)代社會管理、生產(chǎn)和國防發(fā)展的需要。一個現(xiàn)代化的社會離不開自動化，這是由現(xiàn)代社會的高生產(chǎn)力水平所決定的。自動化技術(shù)的發(fā)展推動了社會管理、生產(chǎn)和國防的現(xiàn)代化?？梢哉f，沒有自動化就沒有現(xiàn)代化。樓宇自動化系統(tǒng)：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)通信自動化系統(tǒng)：辦公自動化系統(tǒng)：3A

全自動柔性噴涂機器人巡航導(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。我國古代發(fā)明和使用過一些簡單的自動裝置：自動計時的‘銅壺滴漏’裝置、計里鼓車、指南車等具有重大意義的一種比較典型的自動裝置：瓦特（JamesWatt）在1787年發(fā)明的安裝在蒸汽機上的離心式調(diào)節(jié)器。蒸汽機轉(zhuǎn)速離心式調(diào)速器三、四十年代，出現(xiàn)半自動的流水生產(chǎn)線，使得工業(yè)生產(chǎn)開始出現(xiàn)了‘自動化’的萌芽。如美國福特汽車公司研制成功了用于汽車發(fā)動機生產(chǎn)的自動裝置，并設(shè)立‘自動化’部門。1948年《美國機械師》雜志第一次使用‘自動化’這個術(shù)語來介紹福特汽車公司的研究成果自動化的優(yōu)勢隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)的水平也愈來愈高。高水平自動化系統(tǒng)的主要標(biāo)志是不僅可以部分或全部代替人的體力勞動，而且可以部分代替人的腦力勞動，即具有智能功能。自動化的優(yōu)勢自動化裝置和系統(tǒng)還可以完成人類依靠自身的體力和腦力無法直接完成的任務(wù)，如核輻射、特高溫等危險場合的作業(yè)、海底作業(yè)、潛艇的航行、導(dǎo)彈的發(fā)射和彈道的控制、衛(wèi)星運行中的控制等。從這個意義上來說，自動化裝置和系統(tǒng)不僅作為人手功能而且作為人腦功能的延長。自動化技術(shù)是一門綜合技術(shù)，它是自動控制技術(shù)、信號處理技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和計算機技術(shù)的綜合。自動控制系統(tǒng)的組成、分類和性能評價自動控制系統(tǒng)（AutomaticControlSystem）的組成自動控制系統(tǒng)的分類1.自動控制系統(tǒng)的組成一個簡單的自動控制系統(tǒng)由4個基本部分組成被控制對象ControlledObject傳感器Sensor（變送器Transmitter）控制器Controller執(zhí)行器Actuator（執(zhí)行機構(gòu)）被控制對象被控制對象（ControlledObject）是控制系統(tǒng)的工作對象?？刂凭褪强刂破鲗Ρ豢刂茖ο笫┘右环N控制作用，以達(dá)到人們所預(yù)期的目標(biāo)。如一個溫度需要加以控制的房間就是一個被控制對象，溫度控制器根據(jù)實際室溫與設(shè)定的室溫之間的差，產(chǎn)生控制作用，增大或減小制冷量，使房間的溫度達(dá)到所期望的室溫。被控制對象五花八門，從簡單的的溫度、濕度控制到復(fù)雜工業(yè)過程控制；從民用工業(yè)過程的控制到導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船的發(fā)射及運行控制；從技術(shù)過程到社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生物過程等。但從控制的角度看，被控制對象在運動過程中所表現(xiàn)出來的動態(tài)行為（DynamicalBehavior）（也稱對象特性）有相似之處，可以用共同形式的數(shù)學(xué)模型加以描述，這就是被控制對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型（MathematicalModel）。被控制對象的數(shù)學(xué)模型是控制系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)，這就是為什么控制科學(xué)可以廣泛地用于各種不同領(lǐng)域，不管是技術(shù)過程還是社會、經(jīng)濟(jì)和生物過程等。被控制對象建立被控制對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，實際上就是要找出被控制對象的輸出與輸入之間的動態(tài)關(guān)系，即輸入與輸出之間的因果關(guān)系。建立被控制對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的方法很多，依據(jù)不同的分類方法，可分為：機理的方法（MechanismBased）：依據(jù)被控制對象內(nèi)在的機理，運用各種物理、化學(xué)、社會和經(jīng)濟(jì)規(guī)律建立模型的方法；被控制對象辯識方法（Identification)：不管內(nèi)在的機理如何，僅依據(jù)動態(tài)過程中被控制對象的輸出和輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理，并采用特定的算法建立數(shù)學(xué)模型的方法。這種方法又稱‘黑箱’(BlackBox)方法。這種方法的理論基礎(chǔ)--系統(tǒng)辯識理論已經(jīng)成為控制理論的一個重要分支。被控制對象由于實際被控制對象的復(fù)雜性，如：非線性、時變性、分布參數(shù)、系統(tǒng)內(nèi)部相互耦合等，以及各種干擾的存在，獲得各種不同被控制對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一件復(fù)雜而繁重的任務(wù)，是控制工作者的重要研究課題。對具體的控制要求用被控制量(ControlledVariable)來描述。被控制量可以是一個，也可以是多個。如對房間的控制要求可以只是溫度，也可以是溫度、濕度、氣壓和二氧化碳含量。為使被控制量達(dá)到預(yù)定目標(biāo)所要改變的參量稱為操作量(ManipulatedVariable)。被控制量不同，所采用的操作量也不同，如通過加熱或制冷來控制溫度，通過加濕或干燥來控制房間的濕度等。在前述蒸汽機離心式調(diào)速器的例子中，蒸汽機是被控制對象，蒸汽機的轉(zhuǎn)速是被控制量，蒸汽量是操作量。傳感器（Sensor）是技術(shù)過程和生物過程的控制系統(tǒng)獲得反饋信號所必不可少的。如果把人體看成一個被控制對象的話，控制人體去從事一切有目的活動的是許多復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而人的眼睛、耳朵、鼻子、皮膚等就是傳感器。技術(shù)過程使用的傳感器將各種物理量、化學(xué)量、生物量轉(zhuǎn)換成易于處理和使用的弱電信號，如熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換成毫伏，壓電晶體將壓力轉(zhuǎn)換成微弱電信號等。常用的被檢測量熱工量：溫度、壓力、流量、液位等；機械量：長度、厚度、位置、速度、加速度、角度、角加速度等；電工量：電壓、電流、電功率、電頻率等化工量：組份、PH值、糖化率等；生物量：白血球數(shù)、紅血球數(shù)等。變送器(Transmitter)不僅將熱工量、機械量電工量、化工量等轉(zhuǎn)換成微弱電信號，且進(jìn)行必要的信號處理、工程量轉(zhuǎn)換和儀表化，使之成為能適應(yīng)各種工程環(huán)境和要求的儀表。變送器的核心是傳感器研究新的傳感器技術(shù)、設(shè)計出體積小、轉(zhuǎn)換快、精度高、性能穩(wěn)定可靠的傳感器是自動化工作者的重要任務(wù)之一?？刂破?Controller)的作用是接受傳感器（變送器）來的測量信號，并與被控制量的設(shè)定值（SetPoint）進(jìn)行比較，得到實際測量值與設(shè)定值的偏差，然后根據(jù)偏差信號的大小、變化率和被控制對象的動態(tài)特性，經(jīng)過思維和推理，決定采用什么樣的控制規(guī)律，以使被控制量快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地到達(dá)所預(yù)定的目標(biāo)值?？刂埔?guī)律(ControlLaw)是自動化系統(tǒng)功能的主要體現(xiàn)。最普遍的是比例-微分-積分控制（ProportionalplusIntegralplusDerivativeControl--PID）。執(zhí)行器(Actuator)（也稱執(zhí)行機構(gòu)）執(zhí)行自動化系統(tǒng)的大腦——控制器所輸出的控制作用，是自動化系統(tǒng)的手和腳。執(zhí)行器（執(zhí)行機構(gòu)）可以是電動機、閥門或由它們所組成的復(fù)雜的電子－機械裝置。2.控制系統(tǒng)的分類1）開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)（OpenLoopControlSystem）系統(tǒng)的輸出與其輸入按一定比例改變以趨于預(yù)定目標(biāo)值，系統(tǒng)的輸出不反饋到輸入端來例：一艘駕駛系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)的輪船要通過一個兩面都有暗礁的海峽閉環(huán)控制系統(tǒng)(ClosedLoopControlSystem)閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱反饋控制系統(tǒng)（FeedbackControlSystem）例：一艘駕駛系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)的輪船通過一個兩面都有暗礁的海峽自動化系統(tǒng)是一種信息處理系統(tǒng)

控制過程是一個信號檢測、變換、處理和傳遞的過程

數(shù)學(xué)模型的辯識過程本身也是一個信號處理的過程

在自動化系統(tǒng)中，被控制量的測量信號常常受到各種外界噪聲信號的干擾，為了去除噪聲，還其真實信號的本來面目，這就需要用濾波理論、估計理論等進(jìn)行信號處理，如雷達(dá)信號處理等

自動化系統(tǒng)是一種信息處理系統(tǒng)在一些自動化系統(tǒng)中，有些特征量的獲取不是用一般的傳感器所能完成的，如銀行、刑偵和一些重要場所用的指紋系統(tǒng)，需要對指紋進(jìn)行處理和識別，這就是所謂的模式識別問題。模式識別已成為一個很活躍的研究領(lǐng)域。

辦公室自動化、倉庫自動化、網(wǎng)上信息處理、電子商務(wù)等均是信息處理過程

自動化與系統(tǒng)工程隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步,自動化系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。另外，技術(shù)過程與社會過程的聯(lián)系也越來越密切（如工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境污染、生態(tài)平衡等的影響），這就要求從全局的范圍去觀察和考慮問題，以達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效益，這是系統(tǒng)工程（SystemsEngineering）所要研究的內(nèi)容

自動化與系統(tǒng)工程‘系統(tǒng)’是由相互作用和互相依賴的若干組成部分結(jié)合而成的具有特定功能的有機整體，它本身又是它所從屬的更大系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)工程是研究人工系統(tǒng)的一門技術(shù)學(xué)科，是各類人工系統(tǒng)組織、管理技術(shù)的總稱，它運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)方法從全局出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)分析、系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)設(shè)計、最后作出合理的決策，以便最優(yōu)化或次最優(yōu)化地實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)。

運籌學(xué)是系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)，控制論與系統(tǒng)科學(xué)的研究關(guān)系密切、相互滲透系統(tǒng)工程和運籌學(xué)的形成和發(fā)展是現(xiàn)代生產(chǎn)力發(fā)展的必然產(chǎn)物。系統(tǒng)工程的形成起源于本世紀(jì)30-40年代。從60年代開始，系統(tǒng)工程和運籌學(xué)日益廣泛地應(yīng)用于航天等一類大規(guī)模尖端科研系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、人口問題、生態(tài)平衡、環(huán)境保護(hù)、社會經(jīng)濟(jì)、金融服務(wù)與行政管理等各個方面，取得越來越明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益

系統(tǒng)分析：包括系統(tǒng)目標(biāo)分析和確定、系統(tǒng)的模型化、系統(tǒng)的最優(yōu)化和系統(tǒng)評價。系統(tǒng)仿真：在初步提出系統(tǒng)的模型后，對其進(jìn)行仿真，以便進(jìn)行方案比較，作出最優(yōu)決策。系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)和必需的約束條件，設(shè)計出理想系統(tǒng)，然后，經(jīng)修正，建立技術(shù)上可以實現(xiàn)的系統(tǒng)。

系統(tǒng)科學(xué)的特點：全局性、關(guān)聯(lián)性、擇優(yōu)性和綜合性

全局性：系統(tǒng)工程考慮問題時，先從整體出發(fā)，提出目標(biāo)，再從整體出發(fā)，考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，最終實現(xiàn)總體目標(biāo)。關(guān)聯(lián)性：系統(tǒng)內(nèi)部存在各種聯(lián)系，如：系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系、子系統(tǒng)之間的關(guān)系、系統(tǒng)組成部分中的參數(shù)與系統(tǒng)功能之間的關(guān)系等，系統(tǒng)工程分析問題時必須從量上去描述這些關(guān)系。

系統(tǒng)科學(xué)的特點：全局性、關(guān)聯(lián)性、擇優(yōu)性和綜合性擇優(yōu)性：系統(tǒng)工程所要解決的是系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，也就是要實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制、最優(yōu)管理和最優(yōu)調(diào)度等，這就需要運用最優(yōu)化方法、最優(yōu)控制理論和決策論等。綜合性：由于復(fù)雜的系統(tǒng)涉及面廣，系統(tǒng)工程不僅涉及技術(shù)因素，而且涉及經(jīng)濟(jì)、社會等因素。理論上，涉及數(shù)學(xué)、控制論、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多門學(xué)科的知識。就應(yīng)用面來說，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、經(jīng)濟(jì)、行政管理等自動化的發(fā)展趨勢

1.自動化裝置

2.控制規(guī)律

3.系統(tǒng)的功能和規(guī)模

自動化裝置由液動、氣動發(fā)展到電子-機械裝置。裝置也由大到小，由單一功能到功能復(fù)雜、具有智能的自動化系統(tǒng)。信號傳輸由模擬向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。為了提高安全可靠性，采用冗余(Redundancy)技術(shù)和故障診斷(FaultDiagnosis)技術(shù)。如用于工業(yè)控制的自動化裝置由液動—氣動—電子裝置—集散型計算機控制系統(tǒng)（DistributedComputerControlSystem—DCS）—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FieldBusControlSystem）,實現(xiàn)信號的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化傳輸?？刂埔?guī)律

1）簡單的比例-微分-積分控制2）基于模型和工控機的復(fù)雜控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制(AdaptiveControl)：自動改變控制器的參數(shù)，使控制效果最優(yōu)。最優(yōu)控制(OptimalControl)：選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，使得控制系統(tǒng)的品質(zhì)最好。