自动化论文2.doc

本 科 课 程 论 文课程名称： 自动化概论(公选课) 课程主讲人： 课程开设单位： 论文题目： 初识自动化系 别： 专 业： 姓 名： 学 号 姓 名： 学 号 姓 名： 学 号 姓 名： 学 号 二0 一一 年 十二 月目 录第1章 自动化的基本概念 第2章 自动化技术的发展第3章 自动化技术的内容及应用 第一节 控制理论 第二节 工程系统与控制 第三节 系统科学与系统 工程 第四节 模式信息处理 第五节 人工智能 第六节 机器人学与机器人技术 第四章 如何学习自动化 第一节 数学 第二节 专业理论知识 第三节 实践 第四节 知识更新 摘 要在论证未来时代将会是自动化时代的基础上，首先介绍了自动化的基本概念和发展历史，形成了对自动化的一个整体认识。然后进一步，更加全面的介绍自动化学科的各个部分内容及其应用于现代生产实践中的重要意义。最后在对自动化有了一个全面了解的情况下，对应如何学习自动化做了探讨，提出应从数学、专业理论知识、实践和知识更新四个方面予以重视。 关键词：自动化时代；基本概念；发展；内容及应用；如何学习自动化20世纪科学技术迅速发展，至如今已经涌现出众多新兴科学技术分支：如控制论和自动化技术；计算机和信息论；激光技术和光导纤维；分子生物学和遗传工程；宇航科技等等。它们汇聚成一股巨大的力量，急剧地改变着人类的劳动方式和生活方式，促进社会各方面产生深刻的变化。它不仅冲击着生产第一线的工人和农民，而且冲击着企业、事业、政府机关，甚至家庭主妇。这些变革来得如此之快，致使对社会现象最为敏感的社会学家也感到愕然：这个社会将去向何处？ 从科学意义上来看，人类社会无一不是能量交换和信息交换的有机组合，当我们详尽地了解了人类社会各种具体的特殊规律之后，都可以用具有这两种功能的机器来完成1，这便是自动化技术。所以从某种意义上来说，自动化就是现代化的代名词。由此可以断言，人类社会历经原始的人力时代，走过精密的机械时代，如今正处于一个新的变革时期，而这次变革的终点便是振奋人心的自动化时代。 之所以说它“振奋人心”，是因为在自动化时代里，几乎所有的生产活动都可以用机器来完成，人类劳动生产率将得到大大的提高，社会财富将极大丰富。只有在此时，人类才能摆脱为了糊口而不得不从事的强迫劳动，生产力得到全面的解放，使实现共产主义真正成为可能。 1自动化的基本概念 那究竟什么是“自动化”呢？ 简单地说，自动化就是在无人的情况下，用各种元件和仪表执行控制2。 它始于人们用机器实现按固定程序自动进行的各种操作，把人类从笨重、单调、重复性的劳动中解放出来。但仅仅如此是不够的，要进一步解放人力就要求机器不断提高在不确定或变化的环境中自动保持必要的功能以达到预定目标的能力。因此，自动化系统必须是开放的，不断从外界环境中获取信息并进行必要的分析、处理、判断、决策、调整和控制3。由此可知，自动化技术研究的是如何通过各种技术工具和系统（包括计算机）延伸人的信息获取、处理和决策控制的功能，从而更好地指导生产，以提高生产能力、生产水平和劳动生产率。2自动化技术的发展 具有不同程度“自动化”功能的装置古以有之。我国古代的指南车、木牛流马、铜壶滴漏，欧洲的钟表报时装置和一些手工机械，无一不反映人民的聪明智慧，多少都带有一些“自动”的味道。但真正刻意设计出来取代或增强人的智能功能，从而能在不确定的条件下保证实现预定目标的自动装置最早应属瓦特发明的蒸汽机上的离心调速器。它自觉地运用了反馈原理，从而能在锅炉压力和负荷变化的条件下把转速保持在一定的范围3。 20世纪是自动化技术飞速发展的一个世纪，这与控制科学与技术的发展紧密相关。它作为自动化技术的理论基础，在20世纪经历了若干重要的发展时期：如20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制律概念；20年代的反馈放大器；30年代的Nyquist与Bode图；40年代维纳的控制论；50年代贝尔曼动态理论和庞特里亚金极大值原理；60年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系统能控性和能观性；70年代的自校正控制和自适应控制；80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制；90年代基于智能信息处理的智能控制理论等4。 除此以外，电子信息科学，特别是计算机科学的飞速发展，无疑为自动化提供了一个广阔的发展舞台。例如，20世纪20年代，电子信息技术的发展提供了信号处理的各种强有力手段，使得自动控制和信息处理技术有了一个飞跃性的进步，并逐渐形成了一门新兴学科自动化。 到了五六十年代，数字计算机日益广泛的应用大大提高了进行复杂数值计算和简单逻辑判断的能力，从而特别适合于实现基于精确数学模型具有明确算法的信息处理和自动控制问题。使得自动化技术真正应用到了从工业生产到航空航天的各个领域。但由于当时的“老式”计算机功能还很不够，所以一些较为复杂的问题，仍然不能得到很好的解决。 七八十年代以来，各种新型计算机相继出现，这些计算机拥有了更加全面的功能：可以高速地对图象、声音等各种信息进行存取和运算，可以对数据和符号进行定性、模糊的推理和判断，可以容许局部出现错误或故障而保持整体的优良性能。人们可以在这些计算机中存入“专家知识”，从而使它更善于处理未曾遇到过的局势，从而满足自动化技术的更高要求。 总之，自动化技术在本领域的研究进一步深入和其它一些学科发展的深远影响下，在20世纪开始了飞速的发展。而且，可以看出这种发展势头至如今仍没有一点放缓的迹象。由此，我们有理由相信，自动化技术会在不久的将来从众多新兴学科中脱颖而出，从而更好地改进人类的生产结构体系，成为未来社会最具影响力的技术科学。 3自动化技术的内容及应用 自动化的内容按其理论途径、技术手段和处理对象的不同，可以将之大致划分为控制理论、工程系统与控制、系统科学与系统工程、模式信息处理、智能系统与知识工程，以及机器人学和机器人技术六大部分3。 下面分别对各部分的研究对象及应用范畴做一个简单的介绍，以求对自动化有一个更加深入的了解。 31控制理论 控制理论研究的是如何按被控对象和环境的特性，通过能动地采集和运用信息施加控制作用而使系统正常运行并具有预定的功能3。 控制理论在20世纪的人类科技进步中起到了举足轻重的作用，为解决当今社会的许多挑战性问题产生了积极的影响，提供了科学的思想方法论，为许多产业领域实现自动化奠定了理论基础。 如今，它更是成功的运用并渗透到工农业生产、科学技术、军事、生物医学、社会经济及人类生活的众多领域。 32工程系统与控制 工程系统与控制研究各种工程系统控制和设计的问题。从单一的自动控制装置到一个生产过程的自动化，直到整个工厂、企业的控制、管理和经营决策一体化，都是其研究的内容3。 工程系统与控制技术广泛应用于制造生产的各个领域。其中最具影响力的、发展前景最为可观的当属现代集成制造系统（CIMS）。从最广的意义说，CIMS可以包括从企业长远规划、市场分析、研发策略、产品规划、设计投产、资源分配，到车间一级的具体计划调度、生产活动的监督控制、质量控制、产品检验，直到销售服务、市场反馈等整个企业经营的全过程3。 这样一种全盘、综合自动化的生产过程可以使企业以更高效高质的服务更好地满足市场要求，提高企业效益，增强企业的商业竞争能力。（在中国还没有一家公司完整的引用了此系统，差距） 33系统科学与系统工程 系统科学研究的是在最一般意义下，由相互作用、相互联系的事物按一定结构组成并具有某种总体功能的各种系统的运动规律、行为特征以及如何进行设计和控制的问题3。 它主要应用于运筹学、控制论、信息论等多个学科分支，成为自动化学科的一个重要研究领域并得到蓬勃的发展。 34模式信息处理 模式识别，亦称模式信息处理，其本来意义是研究用计算机对一般由人类感觉器官接受的图象、文字、语音等模式信息进行处理、描述和分类的学科。在更广的含义下，模式识别也可泛指任何对一般事物抽取概念特征进行判断和分类的过程3。 模式识别的应用方向包括计算机视觉，文字、文本识别，语音识别和理解等多个领域。中国在模式识别领域正处于世界领先地位，许多中国学者都为此做出了重要贡献。 35人工智能 人工智能研究的主要是如何用机器模仿人类智能活动的某些方面，延伸人脑功能的问题3。 现代科学技术的迅速发展和重大进步，已经对控制和系统科学提出了新的更高的要求，自动化控制理论正面临着新的发展机遇和严峻挑战。传统控制理论在解决一些具有不确定性、难以构建精确数学模型、复杂多变的问题上遇到了不少难题。这就需要建造出这样的机器，使它能够在复杂变化的环境中，能够实时应变，进行灵活判断、决策以实现更高层次的自动化系统智能控制。简单地说，自动控制的出路之一就是实现控制系统的智能化5。 人工智能作为一个前沿科学，发展极为迅速，最具影响力的分支有基于“知识表达”的专家系统和“简单处理器的复杂系统”人工神经元网络。这些领域不仅具有深刻的认识论意义，对许多科学和技术领域的发展有深远的影响，而且在自动控制、信息处理以及将计算机用于判断决策和问题求解的应用领域里都得到了广泛的应用，表现出巨大的生命力。 36机器人学与机器人技术 机器人是一类特殊的自动化机器，它具有与人的四肢相比拟的运动机构，可接受视觉、听觉、触觉等传感信息，在处理器的指挥下完成各种机器操作功能3。 机器人不仅可以把人类从恶劣条件、繁重单调的作业中解放出来，而且在力量、精度和速度，以及在特殊环境下生存和工作能力各方面都有人类无法替代的优点。 正因如此，机器人技术在工业、国防和科学技术中得到了日益广泛的应用，并且有力地推动了相关学科和技术领域的发展，从而使它成为现代自动化学科中一个活跃而富有魅力的研究领域。 4如何学习自动化 对于新事物新知识的学习开始于对它的了解，但仅如此是远远不够的。当真正了解一门学科之后，更重要的是真正的去进入它、去学习它。自动化专业作为一门理论与技术相结合的学科，其学习方法与纯理论知识和纯实践技术的学习有很大的不同。那么究竟该如何学习自动化呢？我个人认为有以下几个值得注意的地方。 一数学 数学，作为几乎一切工科知识的必备理论工具，应该首先引起我们的高度重视。 一个数学好的人不一定专业知识也那么出众，但一个专业强的人必定拥有扎实的数学功底。道理很简单，“工欲善其事，必先利其器”。一个电工没有必要的仪表如何能完成一个电路检测的工作？一位医生没有必要的医药材料，如何能治愈奄奄一息的病人？静坐湖边的老者若没有手中的鱼杆、鱼钩、鱼线，如何能钓起湖中的游鱼？同样，一个没有扎实数学功底的人，如何能够学好自动化专业呢？ 因此，自动化专业的学习应该把数学的学习放在首位。 二专业理论知识 没有深厚广博的专业理论知识就不可能在本专业方向有所成就。牛顿为什么会成为数学家、物理学家而非“自动化学家”呢？就是由他的专业理论知识所决定的。 其次，自动化学科内容繁多，对于更高层次学习之前，应该对自己的发展方向有一个大致的规划设想。不求面面俱到，而应有所突破；不求泛泛而谈，而应深刻领会，使自己对于专业知识不仅“广博”而且“精专”。这样才能在未来的人才战场上得到一个较好的军衔。 三实践 自动化专业不仅仅是一门理论，更是一门广泛应用于生产实践的技术，因此理论实践对于自动化的学习而言，是不可或缺的。 “实践是检验真理的唯一标准”，一门理论只有应用于实践才能显现出其本来的面貌。对于自动化而言，专业的学习最终是指向工作的，因此，在学习阶段就加强理论的实践环节，无疑对以后工作有百益而无一害。 四知识更新 自动化，作为新兴的前沿学科，几乎每天都在发生着巨大的变化。真正要学好自动化专业，最起码得保证自己能跟上时代发展的进程。对于飞速发展的