自动化学科概论绪论.ppt

教材与参考书 自动控制理论的经典著作 课程基本情况 学时 24作业 待定成绩评定 平时 考勤 30 期末考查 笔试或者大作业 70 自动化学科概论 第1章绪论 1 1课程的目的1 2课程的性质1 3教与学的方式1 4课程安排 第1章绪论 1 1课程的目的 为什么要设这门课 读一本书 书名 内容提要 前言 目录 感兴趣部分 做一件事 目的 问题 方法 步骤 统揽全局 不能 只见叶 不见树 不能 只见树 不见林 要了解 自动化 树全貌及枝 叶 花之间关系 自动化 树与其它树之间的关系 如果把整个科学技术比作茂密的树林 各个学科 专业 比作树林中的一棵棵不同种类的参天大树 那么构成自动化学科的知识比作自动化参天大树的枝和叶 通过本课程学习 自动化专业学生能较深入的理解 自动化的内涵 外延与定位 自动化科学技术的基本原理与核心概念 自动化学科的知识体系 需要掌握的知识及其相互关系 自动化专业的课程体系 需要学习的主要课程及其相互关系 自动化科学技术 自动化专业与相关科学技术 专业之间的联系与区别并对现代自动化科学技术有一个大概的了解 课程定位 主要目的 不仅是学生学习 自动化专业 的入门书 而且可作为 自动化专业 4年学习期间的参考书 每当学习每门新课 尤其是主要课程 时 都能通过本书对所学课程 对该课程与其他课程之间的关系有一个大概的了解 更进一步 当学生 进入专业课学习阶段 三年级 可以 如果可能 选择选修课时 进入毕业设计 四年级 可以 如果可能 选择毕业设计课题时 准备报考研究生 三 四年级 选择研究方向时 能从书中获得做出自己的独立的 决策 的依据 教科书定位 主要目的 1 2课程的性质 这是一门什么样的课 高级科普 是 通俗易懂 深入浅出了解基本原理 学习新知识 激发兴趣 爱好 不完全是 比高级科普深一层次 更强调科学性 要说清 基本原理 核心概念重要的 次要的 课程的特点 与高级科普的不同点 包含的内容广 涉及几十门课难以系统介绍 却需要有系统性高级科普 想进一步了解 看相应的专业书本门课 想进一步深入了解 至少学一半以上专业课才有可能 难度很大 教师难教 学生真正理解很难 1 3教与学的方式 如何开好这门课 对老师 像高级科普那样 通俗易懂 深入浅出使能激发学生对控制科学与自动化技术学习的强烈兴趣 对学生 又能统揽全局 给出学科内部的立体关系科学性 系统性 不能当高级科普来听 要勤于思考 要能看懂内部的立体关系 在今后的各课程学习中 不断领悟 加强对总体的了解与把握 及时反馈意见 互动 1 4课程具体内容 自动化的概念和发展简史自动控制系统的类型和组成基本的控制方法控制和自动化的应用范畴自动化专业的知识体系与课程体系控制和自动化的展望 自动化专业的基本上是弱电控制 也可进行强电的操作 不过很少 1 电厂 包括各个公司 工厂的配电室 2 软件开发 特别是单片机或EDA等 3 PLC 大体是工控方向 搭建操作平台等 4 各个矿山 或金属冶炼场所 进行自动化设备的维护 操作等 5 去学校当老师6 做销售工作 专门卖自己专业相关的东西 7 公务员 每个专业都可以的8 各种什么研究所10 产品设计 就是硬件电路设计了 自动化专业的就业方向 11 自动化就业方向很广 生活中有很多自动化设备 不过做设计有前途 做销售有 钱 途 做维护就是工薪阶层 12 自动化选择面广 学好单片机和PLC哪都吃得开 英语好的话外企也不是不可能 13 自动化本科学出来基本上和没学差不多 什么都懂 但是什么也不精 但是上研以后那就不得了了 硬件方面的发展不可限量 但硬件的东西不一定要到读研究生的时候才能做 本科生完全可以染指最新的技术 不要觉得那些东西很高深 做过之后 也就是平常的知识 或者工具 一样 鼓励现在的大学生参加全国学科竞赛 到公司寻找实习机会 不要觉得这是一道屏障 这只是心理屏障 14 自动化的强势在于软件和硬件的结合 相比来说做硬件开发的提高更快 基本呈指数型增长 做软件开发最多是线型增长 希望大家能积极投身到这个行业中 全国大学生电子设计竞赛和 挑战者 杯 智能车全国大赛 这是针对自动化专业方向的 绝好的锻炼机会 全国大学生数学建模竞赛级别 国家级主办单位 教育部高等教育司与中国工业与应用数学学会 每年一次 一般在九月的某个周末前后的三天内举行 竞赛题目来源于工程技术和管理科学等方面经过适当简化加工的实际问题 不要求参赛者预先掌握深入的专门知识 只需要学过高等学校的数学课程 题目有较大的灵活性供参赛者发挥其创造能力 参赛者应根据题目要求 完成一篇包括模型的假设 建立和求解 计算方法的设计和计算机实现 结果的分析和检验 模型的改进等方面的论文 即答卷 竞赛评奖以假设的合理性 建模的创造性 结果的正确性和文字表述的清晰程度为主要标准 大学生以队为单位参赛 每队3人 须属于同一所学校 专业不限 在网上下载赛题后在三天时间里使用各种图书资料 计算机和软件 在互联网上浏览 解决所在队伍所选的赛题 有几道题可供选择 选一道即可 但不得与队外任何人 包括在网上 讨论 点评和建议 虽然是冠名是 数学 但实际赛题并不是我们平时所做的数学题 而是数学的应用题 很偏向于实践 建议不仅理科学生要参加 工科学生更要踊跃的参加 因为以后所面对的工程问题 其实就是建模问题 要深刻领会建模的思想 学会进行敏感分析 工程里其实就是系统的稳定性问题 学会使用近现代数学方法 如神经网络 模糊数学 前两个是很重要的 遗传算法等 全国大学生电子设计竞赛级别 国家级主办单位 教育部高等教育司和信息产业部人事司 每逢单数年的9月份举办 赛期四天 具体日期届时通知 竞赛题目一般来说有电机控制类 信号识别 传感器类 电源类以及其他类 偏向于实际问题 而且对知识的掌握程度要求高 以队为单位 每队3人 专业不限 当然很明显 电子类专业的专属竞赛 在网上下载试题后 选其中一题制作电子实物并写一篇论文上交 只容许队内交流 可查阅书籍 上网查看资料 全国大学生电子设计竞赛 嵌入式系统专题竞赛 嵌入式系统 在电子 通信 信号处理等领域的应用日益广泛 是目前国内外教学改革中广为关注的内容 该专题竞赛的开展 一方面对电子信息类专业基础课教学内容的更新 整合 改革以及课程建设将起到促进作用 另一方面 对增强大学生动手能力和工程实践能力 培育大学生创新意识均有积极作用 每队三人 强调参赛学生自主设计 独立完成 指导教师的作用仅限于选题与方案讨论 强调指导教师教书育人的作用 中国机器人智能大赛 广茂达杯 中国智能机器人大赛是中国人工智能机器人专业委员会等多个单位主办的一项全国性的赛事 也是国内历史最悠久 规模最大的综合机器人赛事 从2000年开始 至今已连续举办了十余届 这个大赛是世界机器人竞赛冠军的摇篮 诞生了中国第一个机器人竞赛世界冠军 诞生了第一个中国创造的国际机器人比赛赛制 大赛的主题是 创新 动手 欢乐 大赛的使命是 培养未来技术精英 推进创新教育新模式 全国大学生 飞思卡尔 杯智能汽车竞赛全国大学生智能汽车竞赛是在统一汽车模型平台上 使用飞思卡尔半导体公司的8位 16位微控制器作为核心控制模块 通过增加传感器 设计电机驱动等相关电路 编写相应软件以及装配模型车等环节 制作一个能够自主识别道路的模型汽车 按照规定路线行进 以完成时间最短者为优胜 每支参赛队由3名学生组成 其中至少包括2名本科学生或研究生 并从中选定一名课题负责人 每人只能报名参加一个课题组 全国大学生挑战杯凡在正式注册的全日制在校大学生 含本科生 专科生 硕士研究生 都可申报作品参赛 团队负责人必须在校的学生担任 自动化专业见解 各学科就业情况及方向 自动控制近年来的热门专业 考研的数量居计算机和通信之下排里工科的第三 当然与时下的就业热有很大的关系的 现在自动控制很热的 工作好找 因为需求量很大 在电子和IT领域等很多地方都有用武之地的 当然这些领域的薪水很高的 说是控制理论 但很多都是在应用上的 还可以在信息处理领域工作的 检测 现在的很多的工业产品生产线需要 很多要检测工程师 比如生产线运行故障诊断和处理 当然在这些工业生产领域里薪水不会太高的了 工作环境也不是很好了 有些是搞传感器的和信息检测的 怎么说呢 干的出色也可以不错的 模式识别 这个学科是一门很重视理论研究的学科 对你的概论和数学分析的能力要求很高的 如果这方面的能力不是很强的话 很难搞出名堂的 在实际的工程应用上很少 很多都是理论研究 有的东西是信号处理领域的 但只能是了解不可能象他们一样深入研究的 系统工程 特别是在IT领域里面有很大的用途 因为这方面的人才现在很少 在软件领域里有可以作到主管之类的职位 薪水很高的 自动化学科概论 第2章自动化与自动化学科 专业 2 1自动化2 2自动化科学与技术2 3自动化学科 专业 2 1 1自动化的内容与应用范围2 1 2自动化的发展历史2 1 3自动化在工业化建设中的作用与地位2 1 4自动化在信息化建设中的作用与地位2 1 5自动化在现代化建设中的作用与地位 第2章自动化与自动化学科 专业 2 1自动化 1 自动化的内涵与外延 日常生活中 较少听到 自动化 这个名词更多听到的是 这个设备 器具 是自动的 自动控制的或全自动的 2 1 1自动化的内容与应用范围 日常生活中常见的 家庭 全自动照相机 洗衣机 电饭煲 高档楼宇 自动门 自动自来水开关 交通 自动控制的红绿灯 火车上的自动烧开水机 银行 自动取款机ATM 自动化设备的特点 工作时不需要 或很少需要 人参与 却能按照人的要求 自动 完成其承担的任务 充分理解 各种自动的 或自动控制的 设备仅是一项大的自动化工程中的一个细胞而以上例举的自动的设备仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞 自动化 的定义 自动化是指机器设备 扩展到生产 管理过程 在没有人直接参与下 经过自动检测 信息处理 分析判断 操纵控制实现预期的目标 自动化的核心是 控制 进一步扩展到经济系统 生态系统等 自动化技术的两方面 动力方面的自动化技术 工业化 人的手 脚 各种感觉的延长 信息处理方面的自动化技术 信息化 延伸人的信息获取 处理和决策控制等功能 2 自动化的应用举例 工业自动化 机器人等自动化机械 机器 设备 自动化生产线自动化车间自动化工厂 1954年第一台工业机器人 国产100公斤点焊机器人 2005年我国成功发射载人飞船 神舟6号 1981年美国 哥伦比亚 号航天飞机首次发射成功 采松果机器人 挖树根机器人 农业自动化 嫁接机器人 采摘机器人 壁面清洗机器人 擦玻璃机器人 服务自动化 飞机清洗机器人 汽车加油机器人 家用清洁机器人 高压输电线维修 遥操作 机器人 医用机器人 中国骨科机器人系统 法国远程医疗机器人 医疗机器人 录像 第三代医疗仪器 医疗机器人 4 55 医疗机器人 脑外科手术 7 33 各种军用机器人 1 57 军事自动化 国产反恐机器人 空间舱外舱内机器人 其他自动化 未来发展 微型 几毫米 机器人 仿生 机器鱼 仿生 微型 机器人 表演 蛇 岸上 0 27 蛇 水中 0 34 鱼 抢球 0 34 鱼 过孔 0 25 大鱼 0 26 真假鱼 0 20 足球机器人 中型组 足球机器人 小型组1 足球机器人 小型组2 拾球机器人 机器人能否干活 机器人干活 机器人战胜国际象棋冠军 2010年 自动化是当代高科技的集中体现与应用 智能机器人是当代高科技的结晶 宋键 59 自动控制技术与人类进步 1 AutomaticControl HumanCivilization 前言 自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术 依靠它 人类可以从笨重 重复性的劳动中解放出来 从事更富创造性的工作 自动化技术是当代发展迅速 应用广泛 最引人瞩目的高技术之一 是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术 自动化也即现代化 60 I 前期控制 EarlyControl 1400B C 1900 0 中国 埃及和巴比伦出现自动计时漏壶 1400B C 1100B C 孙武著 孙子兵法 600B C 1 秦昭王时 李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践 300B C 西汉漏壶 平水小壶上有溢水口 可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定 在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀 当受水壶水位升至满刻度时 浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔 切断水滴 漏壶 中国古代的自动计时 测量时间 装置 又称刻漏或漏刻 漏壶的最早记载见于 周礼 这种计时装置最初只有两个壶 由上壶滴水到下面的受水壶 液面使浮箭升起以示刻度 即时间 保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键 这个问题后来是互相衔接的多级 3 5级 水壶来解决的 莲华漏由4个壶组成 天池壶 平水壶逐级向平水小壶供水 62 3 中国张衡发明水运浑象 研制出自动测量地震的候风地动仪 132年 2 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置 100年 63 4 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车 235年 5 中国明代宋应星所著 天工开物 记载有程序控制思想 CNC 的提花织机结构图 1637年 公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车 指南车是一种马拉的双轮独辕车 车箱上立一个伸臂的木人 车箱内装有能自动离合的齿轮系 当车子转弯偏离正南方向时车箱前端就顺此方向移动 而后端则向反方向移动 并将传动齿轮放落 使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动 恰好抵消车子转弯产生的影响 车向正南方向行驶时 车轮和木人下的大齿轮是分离的 木人指向不变 无论车转向何方 都能使人的手臂始终指向南方 指南车是一个保持方向恒定的自动装置 指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆 据史书记载 东汉张衡 公元78 139 三国时代魏国的马钧 南齐的祖冲之都曾制造过指南车 66 6 英国J Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度 1788年 7 英国J C Maxwell发表 论调速器 OnGovernors 论文 1868年 67 8 英国E J Routh建立Routh判据 Routh HurwitzStabilityCriteria 1875年 9 俄国A M Lyapunov博士论文 论运动稳定性的一般问题 1892年 10 英国J M Gray号设计出第一艘全自动蒸汽轮船 东方 GreatEastern 1866年 68 11 由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船 黄鹄 号 L20m 25T 10km hr 在安庆内军械所下水 1866 次年 中国第一艘木质明轮蒸汽舰船 恬古 号在江南造船厂下水 操江号 62mx10m 392匹马力 600T排水 备炮9门 69 II 经典控制前期 ThePre classicalPeriod 1900 1935 1 美国福特 FordMotor 汽车公司建成最早的汽车装配流水线 1913 2 美国N Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构 提出PID控制方法 1922 3 美国MIT的VannevarBush研制成第一台大型模拟计算机 DifferentialAnalyzer 1928 V Bush 70 4 美国H S Black提出放大器性能的负反馈方法 NegativeFeedbackAmplifier 1927 H S Black 71 5 自动控制的基础为闭环控制 控制论的奠基人N Wiener给出的定义为 Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance 闭环控制系统的结构框图 72 6 美国E Sperry以及C Mason研制出火炮控制器 1925 气压反馈控制器 1929 73 III 经典控制 ClassicalControl 1935 1950 1 美国贝尔实验室的H Bode 1938 以及Nyquist 1940 提出频率响应法 2 美国Taylor仪器公司的J G Ziegler和N B Nichols提出PID参数的最佳调整法 1942 3 美国MIT的N Wiener研究随机过程的预测 1942 提出Wiener滤波理论 1942 发表 控制论 Cybernetics 一书 1948 标志着控制论学科的诞生 N B Nichols N Wiener N Wiener shownherein1954withYukWingLee left andAmarG Bose discussinganaspectofstatisticalcommunicationtheory 74 4 美国的H Hazen发表 关于伺服结构理论 TheoryofServome chanism 1934 并在MIT建立伺服机构实验室 ServomechanismLaboratory 1939 H Hazen 75 5 英国A M Turine提出图灵计算机的设想 1937 6 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C Shannon提出继电器逻辑自动化理论 1938 随后 发表专著 通信的数字理论 TheMathematicalTheoryofCommunication 奠定了信息论的基础 1948 C E Shannon 76 7 MITRadiationLaboratory在研究SCR 584雷达控制系统的过程中 创立了NicholsChartDesignMethod R S Philips的工作OnNoiseinServomechanisms 以及Hurwicz 1947 的数字控制系统 SampledDataSystem 8 美国W Evans提出根轨迹法 RootLocusMethod 1948 以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成 9 多本有关经典控制的经典名著相继出版 包括Ed S Smith的AutomaticControlEngineering 1942 H Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier 1945 L A MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms 1945 以及钱学森的 工程控制论 EngineeringCybernetics 1954 自动控制技术与人类进步 2 AutomaticControl HumanCivilization 前言I 前期控制 EarlyControl 1400B C 1900 II 经典控制前期 ThePre classicalPeriod 1900 1935 III 经典控制 ClassicalControl 1935 1950 IV 现代控制 ModernControl 1950 77 78 IV 现代控制 ModernControl 1950 二次世界大战中火炮 雷达 飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展 五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛 如导弹 发射 操纵 指导及跟踪 卫星 航天器和星球大战 以及计算机技术的出现 英国科学家A J G MacFarlane 79 2 美国R Bellman在RANDCoporation数学部的支持下 发表著名的DynamicProgramming 建立最优控制的基础 1957 3 国际自动控制联合会 IFAC 成立 1957 中国为发起国之一 第一届学术会议于莫斯科召开 1960 1 苏联L S Pontryagin发表 最优过程数学理论 提出极大值原理 MaximumPrinciple 1956 L S Pontryagin 80 4 美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床 1952 81 5 世界第一颗人造地球卫星 Sputnik 由苏联发射成功 1957 Sputnik1wasthefirstartificialsatellitelaunchedintospace 1957 Laika Sputnik2 82 Oct 4 1957 LaunchoftherocketcarryingSputnik thefirstman madesatellite Photosofthelaunchwerenotinitiallyreleased Thisphotoisastillfroma1967Sovietdocumentaryfilm K S Pavlovitch 1906 1966 RussianspacecraftdesignerandheaderoftheVostokandVoskhodprojects 83 6 美国GeorgeDevol研制出第一台工业机器人样机 1954 两年后 被称为机器人之父的JosephEngelberger创立了第一家机器人公司 Unimation 7 美籍匈牙利人R E Kalman发表 OntheGeneralTheoryofControlSystems 等论文 引入状态空间法分析系统 提出能控性 能观测性 最佳调节器和kalman滤波等概念 奠定了现代控制理论的基础 1960 R E Kalman 84 8 苏联东方 号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道 人类宇航时代开始了 1961 1961 attheageof27 Gagarinlefttheearth ItwasAprilthe12th 9 07Moscowtime launch site Baikonur 108minuteslater hewasback Theperiodoforbitalrevolutionwas89 34minutes thisfigurewas calculatedbyelectroniccomputers Themissionsmaximumflightaltitudewas327000meters Themaximumspeedreachedwas28260kilometersperhour 宇宙哥伦布 加加林 AstampissuedbyRussiatomemorizeY Gagarin Capsuleusedinfirstmannedorbitofearth In1961 thefirsthumantopilotaspacecraft YuriGagarin waslaunchedbytheSovietUnionaboardVostokI 85 9 1963年 美国的LoftiZadeh与C Desoer发表LinearSys