《北理工自動化》課件

北理工自動化北京理工大學(xué)自動化專業(yè)是一門以控制論、系統(tǒng)論、信息論為理論基礎(chǔ)的學(xué)科。該專業(yè)旨在培養(yǎng)掌握自動控制理論、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、信息處理與控制等知識和技能的復(fù)合型人才。課程簡介課程名稱《北理工自動化》課程性質(zhì)專業(yè)核心課程，理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)自動化專業(yè)人才。課程目標(biāo)掌握自動化領(lǐng)域的基本理論、方法和技術(shù)，具備解決實(shí)際工程問題的能力。課程內(nèi)容涵蓋自動化基礎(chǔ)知識、控制系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等，內(nèi)容豐富且實(shí)用。課程目標(biāo)11.理論知識培養(yǎng)學(xué)生對自動化領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，如信號與系統(tǒng)、自動控制理論、傳感器技術(shù)等。22.實(shí)際應(yīng)用掌握常見自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成、實(shí)施和維護(hù)方法，具備解決實(shí)際問題的能力。33.創(chuàng)新能力鼓勵學(xué)生進(jìn)行自動化相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)踐，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和解決問題的能力。44.職業(yè)素養(yǎng)提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、溝通表達(dá)、問題分析和解決能力，為未來職業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。課程體系架構(gòu)理論知識課程涵蓋自動化基礎(chǔ)知識，包括信號與系統(tǒng)、電子電路基礎(chǔ)、自動控制基礎(chǔ)等。這些知識為理解和掌握自動化技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)踐技能通過實(shí)驗(yàn)課程、項(xiàng)目實(shí)踐等方式，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用自動化理論解決實(shí)際問題的能力。例如，學(xué)習(xí)傳感器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)，以及自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成。拓展延伸課程還涉及自動化發(fā)展趨勢、應(yīng)用案例等內(nèi)容，幫助學(xué)生了解自動化技術(shù)的前沿和未來發(fā)展方向。自動化概論自動化是現(xiàn)代工業(yè)和社會發(fā)展的重要支柱。本課程介紹自動化領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用案例。自動化發(fā)展歷程1智能自動化人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)2數(shù)字自動化計(jì)算機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3機(jī)械自動化機(jī)械傳動和控制系統(tǒng)4手工操作早期的人工生產(chǎn)自動化發(fā)展經(jīng)歷了從手工操作、機(jī)械自動化、數(shù)字自動化到智能自動化的四個階段。隨著科技進(jìn)步，自動化技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對社會生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了重大影響。自動化基礎(chǔ)知識控制理論控制理論是自動化的核心，為設(shè)計(jì)和分析自動控制系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)傳感器是自動化系統(tǒng)的“眼睛”，負(fù)責(zé)采集外部信息，將物理量轉(zhuǎn)化為電信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動化的“手”，負(fù)責(zé)執(zhí)行控制指令，將電信號轉(zhuǎn)化為物理動作。信息處理信息處理是自動化系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)對傳感器信號進(jìn)行處理、分析和決策。信號與系統(tǒng)信號分析信號與系統(tǒng)課程涵蓋信號分析理論和技術(shù)，包括信號的時域分析、頻域分析和變換域分析。系統(tǒng)特性學(xué)習(xí)系統(tǒng)的特性，如線性度、時不變性、因果性、穩(wěn)定性，了解系統(tǒng)對信號的影響。系統(tǒng)建模掌握常用的系統(tǒng)模型，如微分方程模型、傳遞函數(shù)模型，并學(xué)會建立系統(tǒng)模型。應(yīng)用實(shí)踐通過案例和實(shí)驗(yàn)，將理論知識應(yīng)用到實(shí)際問題中，例如信號處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。電子電路基礎(chǔ)基本電子元件電路的基礎(chǔ)是各種電子元件。例如，電阻、電容、電感和集成電路等元件構(gòu)建了各種電子設(shè)備的核心。電路設(shè)計(jì)與分析學(xué)習(xí)電子電路基礎(chǔ)，可以幫助學(xué)生理解電路圖的符號、元件的特性和電路的分析方法。電子電路實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論知識，學(xué)習(xí)基本電子測量儀器和調(diào)試方法，增強(qiáng)實(shí)踐能力。測量與檢測技術(shù)11.測量原理了解測量過程中的物理量和測量方法，掌握測量誤差分析和補(bǔ)償技術(shù)。22.傳感器技術(shù)傳感器是自動化系統(tǒng)的重要組成部分，可將物理量轉(zhuǎn)換為電信號，用于檢測和控制。33.信號調(diào)理將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，使之適合后續(xù)的測量和控制。44.檢測技術(shù)運(yùn)用不同的檢測方法，對被測對象進(jìn)行精確測量和分析，獲取可靠數(shù)據(jù)。自動控制基礎(chǔ)反饋控制反饋控制系統(tǒng)根據(jù)輸出信號與期望值的偏差來調(diào)整控制輸入。數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)模型以分析和預(yù)測系統(tǒng)行為，并設(shè)計(jì)控制器。穩(wěn)定性分析評估系統(tǒng)在干擾和擾動下能否保持穩(wěn)定運(yùn)行。頻率響應(yīng)分析系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)特性，優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)組成傳感器傳感器用于采集物理量信息，例如溫度、壓力、流量等?？刂破骺刂破鞲鶕?jù)傳感器采集的信息進(jìn)行處理，并發(fā)出控制信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制信號改變系統(tǒng)狀態(tài)，例如電機(jī)、閥門、加熱器等。反饋回路反饋回路用于將系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給控制器，以閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器控制器是自動控制系統(tǒng)中重要的組成部分，負(fù)責(zé)接收反饋信號并根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算，生成控制信號?？刂破鞲鶕?jù)控制算法和反饋信息，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方式，從而實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動控制系統(tǒng)的末端環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將控制信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制動作，直接作用于被控對象。常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、液壓缸、氣動缸、閥門、繼電器等，根據(jù)控制需求選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器技術(shù)光纖傳感器光纖傳感器以其高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。壓力傳感器壓力傳感器用于測量氣體或液體的壓力，是自動化系統(tǒng)中重要的測量元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。溫度傳感器溫度傳感器是測量溫度的裝置，在工業(yè)自動化中用于監(jiān)測和控制溫度，例如在恒溫系統(tǒng)、加熱設(shè)備等領(lǐng)域。流量傳感器流量傳感器用于測量流體流動的速度或流量，廣泛應(yīng)用于化工、石油、電力等行業(yè)，對生產(chǎn)過程控制至關(guān)重要。典型自動化系統(tǒng)自動化系統(tǒng)種類繁多，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，涵蓋工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。例如，工業(yè)自動化系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，農(nóng)業(yè)自動化系統(tǒng)可以提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，交通自動化系統(tǒng)可以提高交通安全性和效率。工業(yè)現(xiàn)場總線定義與作用工業(yè)現(xiàn)場總線是用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中不同設(shè)備之間通信的網(wǎng)絡(luò)。它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、控制命令傳輸、參數(shù)設(shè)置等功能，提高了系統(tǒng)效率和可靠性。類型與標(biāo)準(zhǔn)常見的工業(yè)現(xiàn)場總線類型包括CAN總線、PROFIBUS總線、AS-i總線等，它們遵循各自的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。不同的標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)傳輸速率、協(xié)議類型、應(yīng)用場景等方面有所區(qū)別。應(yīng)用優(yōu)勢使用工業(yè)現(xiàn)場總線能夠簡化系統(tǒng)布線，降低成本，提高系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性。此外，它還能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性，提高工業(yè)自動化系統(tǒng)的整體性能。應(yīng)用案例工業(yè)現(xiàn)場總線廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化系統(tǒng)，例如制造業(yè)、電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸?shù)?。例如，在汽車制造過程中，總線用于控制機(jī)器人、傳感設(shè)備、控制系統(tǒng)等設(shè)備的通信和協(xié)作。機(jī)器人技術(shù)工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，例如焊接、噴涂、搬運(yùn)、組裝等。服務(wù)機(jī)器人服務(wù)于人類日常生活，例如家庭清潔、醫(yī)療護(hù)理、教育娛樂等，為人們提供便利和服務(wù)。特種機(jī)器人用于特殊環(huán)境和任務(wù)，例如災(zāi)難救援、軍事偵察、太空探索等，具備特殊功能和能力。人工智能人工智能技術(shù)融入機(jī)器人，賦予機(jī)器人更強(qiáng)的感知、學(xué)習(xí)和決策能力，使其更加智能化。自動化仿真技術(shù)虛擬環(huán)境創(chuàng)建虛擬模型，模擬真實(shí)系統(tǒng)，測試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。預(yù)測系統(tǒng)行為，分析性能指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。仿真軟件MATLAB/Simulink、LabVIEW、ANSYS、Autodesk等。提供豐富的建模工具、仿真功能和分析方法。人機(jī)交互與人工智能人機(jī)交互界面用戶友好界面設(shè)計(jì)，提升用戶體驗(yàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測用戶行為，提供個性化服務(wù)。智能助手語音識別，自然語言處理，智能問答。自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1需求分析確定系統(tǒng)功能，制定性能指標(biāo)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)2系統(tǒng)架構(gòu)選擇合適的硬件和軟件，設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議3控制算法設(shè)計(jì)控制策略，編寫程序代碼，測試和優(yōu)化算法4系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行系統(tǒng)集成和調(diào)試，確保系統(tǒng)安全可靠，滿足設(shè)計(jì)要求自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的過程，需要考慮多個因素，例如成本，性能，可靠性，安全性等等。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇合適的技術(shù)和方法，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)。自動化系統(tǒng)集成1系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成是一個復(fù)雜過程，需要進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，確定系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)，以及系統(tǒng)架構(gòu)和硬件軟件選型。2硬件集成硬件集成需要將各種硬件設(shè)備和系統(tǒng)連接在一起，并進(jìn)行調(diào)試和配置，保證硬件之間的相互兼容和穩(wěn)定運(yùn)行。3軟件集成軟件集成需要將各種軟件系統(tǒng)和應(yīng)用軟件集成在一起，并進(jìn)行測試和驗(yàn)證，確保軟件之間的相互兼容和協(xié)同工作。4系統(tǒng)測試與調(diào)試集成完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)測試和調(diào)試，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)。5系統(tǒng)維護(hù)與升級系統(tǒng)集成完成后，需要進(jìn)行持續(xù)的維護(hù)和升級，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和適應(yīng)新技術(shù)和應(yīng)用場景。自動化系統(tǒng)實(shí)施1系統(tǒng)測試確保系統(tǒng)功能完整、穩(wěn)定運(yùn)行。2系統(tǒng)調(diào)試解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)的問題。3系統(tǒng)集成將不同子系統(tǒng)整合為完整系統(tǒng)。4系統(tǒng)配置根據(jù)實(shí)際需求配置系統(tǒng)參數(shù)。5系統(tǒng)安裝將系統(tǒng)硬件和軟件安裝到現(xiàn)場。系統(tǒng)實(shí)施階段是將設(shè)計(jì)好的自動化系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用的過程，需要經(jīng)過系統(tǒng)安裝、配置、集成、調(diào)試、測試等步驟。各個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，確保最終系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。自動化系統(tǒng)維護(hù)定期檢查定期檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。故障診斷及時診斷系統(tǒng)故障原因，并進(jìn)行有效的故障排除和修復(fù)。軟件升級更新系統(tǒng)軟件版本，以提升系統(tǒng)性能、增強(qiáng)功能和修復(fù)漏洞。安全保障確保系統(tǒng)安全，防止非法訪問和惡意攻擊，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。人員培訓(xùn)定期對維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，提升他們的專業(yè)技能和維護(hù)水平。自動化系統(tǒng)優(yōu)化提高系統(tǒng)效率優(yōu)化算法、減少資源浪費(fèi)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低故障率，提高系統(tǒng)安全性。提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性適應(yīng)未來發(fā)展需求，方便系統(tǒng)升級，提高系統(tǒng)靈活性。降低系統(tǒng)成本降低能源消耗、維護(hù)成本，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。自動化系統(tǒng)安全11.安全風(fēng)險分析識別自動化系統(tǒng)潛在的安全風(fēng)險，并評估其危害程度。22.安全措施設(shè)計(jì)采取安全措施來降低或消除安全風(fēng)險，包括硬件、軟件和流程安全措施。33.安全測試與驗(yàn)證對安全措施進(jìn)行測試和驗(yàn)證，確保其有效性。44.安全管理與維護(hù)建立安全管理制度，定期進(jìn)行安全檢查和維護(hù)，確保安全措施的持續(xù)有效性。自動化系統(tǒng)應(yīng)用案例本節(jié)課將介紹自動化系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用案例，包括工業(yè)自動化、智能制造、農(nóng)業(yè)自動化、交通自動化、醫(yī)療自動化等。通過案例分析，幫助學(xué)生理解自動化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場景，并激發(fā)學(xué)生對自動化領(lǐng)域的興趣。工業(yè)生產(chǎn)線自動化智能倉庫管理系統(tǒng)無人駕駛汽車智能醫(yī)療診斷系統(tǒng)自動化系統(tǒng)前景展望智能制造自動化系統(tǒng)將繼續(xù)推動智能制造的發(fā)展，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。智慧生活自動化系統(tǒng)將應(yīng)用于智慧生活，例如智能家居、智慧交通，改善人們的生活品質(zhì)。智能交通自動化系統(tǒng)將應(yīng)用于無人駕駛汽車、智能交通管理，提高交通效率和安全性。醫(yī)療保健自動化系統(tǒng)將應(yīng)用于醫(yī)療保健，例如手術(shù)機(jī)器人、藥物研發(fā)，提升醫(yī)療水平。自動化系統(tǒng)發(fā)展趨勢智能化人工智能技術(shù)融入自動化系統(tǒng)，例如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，提高系統(tǒng)智能化程度，實(shí)現(xiàn)自主決策和優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)化自動化系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程控制，提升系統(tǒng)協(xié)同性和效率。個性化自動化系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求進(jìn)行定制，實(shí)現(xiàn)個性化的功能和服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場景的需要。綠色化自動化系統(tǒng)采用節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，降低能源消耗，減少污染排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。課程實(shí)踐與總結(jié)鞏固理論知識通過實(shí)踐項(xiàng)目，將課堂理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題，加深理解并提升解決問題的能力。培養(yǎng)動手能力實(shí)踐項(xiàng)目需要學(xué)生獨(dú)立思考、設(shè)計(jì)、實(shí)施和調(diào)試，鍛煉動手能力，提升工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)合作精神許多實(shí)踐項(xiàng)目需要團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神，提高溝通和協(xié)調(diào)能力。