自动化学科专业发展(修改增加)PPT课件

东南大学自动控制系戴先中 自动化学科 专业发展戴先中 东南大学自动控制系戴先中 序1 提起自动化 不能不涉及信息科技 不能不涉及自动化在信息科技中的地位 信息科技发展至今达到如此之广和如此之深的地步 以至于包罗万象 要给它一个明确的界定已经是一件很难的事了 为此 不妨从较窄的含义上 从与自动化密切相关的计算机和通信学科上去探讨它们之间的关系 如果把指南车 算盘和烽火台分别看成是自动化 计算机和通信科技的开端 那么信息将是一门十分古老的学科 但是 人们通常还是把以下三篇文章 或著作 看成是现代信息科技的奠基之作 这就是 美国维纳的控制论 Cyber netics 1948 英国数学家图灵关于图灵机的理论 1936年图灵在 可计算数及其在解密码中的应用 的论文中 提出通用机的思想 随后第一台电子数字计算机于1946年诞生 以及美国数学家申农关于通信理论的论文 一种通信的数学理论 1948 东南大学自动控制系戴先中 从这个角度看 这三个领域又可以说是同时起步于上个世纪30 40年代的年青学科 它们之间的历史渊源是如此紧密而且微妙 半个世纪以来 它们同步发展 它们的发展速度是如此迅速 如此不相上下 几乎影响了一代人的生活与工作 如果说 计算速度和通信速度在上个世纪后半叶 以令人目眩的莫尔定律高速增长的事实 已经是家喻尸晓的话 而自动化技术的高速增长却不为多数人所知晓 其实 从上个世纪20年代电子管反馈放大器诞生开始 直到今日因特网的出现 人造 控制 系统的规模和复杂性的增长速度也毫不逊色 今天 自动化 计算机和通信已经无所不在 它们正在进入千家万户 正在渗入千百领域 正在嵌入千万设备 一场影响人类未来的波澜壮阔的信息革命正在兴起 东南大学自动控制系戴先中 在这样的发展形势下 我们面临的第一个问题是 作为一个学科 自动化的领域不断地在扩展 几乎包罗万象 那么什么是今日的 自动化 就名称而言 这个学科在我国 在不同的时期里有过各种不同的名字 如自动学与远动学 自动控制 自动控制系统 工业企业电气化 工业电气自动化 自动化等等 名称的不断变迁 表明在不同的场合和不同的时期里 不同的人对自动化各有不同的认识和理解 随着信息 科技的发展 人们的认识还在不断地变化 自动化学科的个性越来越不清晰 因此当前给自动化学科以明确的界定十分必要 东南大学自动控制系戴先中 随着信息科技的发展 自动化 计算机与通信相互渗透 形成更为紧密的关系 你中有我 我中有你 密不可分 比如 因特网显然是计算机与通信的结合体 但它同时也是一个控制系统 与自动化有着紧密的关系 自动化与信息领域的其它学科的共性越来越多 这就向我们提出第二个问题 自动化在信息科技中应该如何定位 那些是它们的共性 哪些又是它们的个性 为了自动化学科的健康发展 这些都是当前亟待回答和解决的问题 东南大学自动控制系戴先中 戴先中教授 自动化科学与技术学科的内容 地位与体系 这本书 从书名上看 显然 就是为回答上述问题而写的 首先 我认为这是一项意义重大的工作 作者敢于承担这样艰巨的任务 很值得赞赏 也需要大家的支持 为了回答这些问题 作者做了大量的工作 收集和阅读了大量的资料 详细地分析了自动化科技发展的历吏 特别是在我国的发展历史 与不少专家进行深入地讨论 听取不同的意见 反复修改等等 在此基础上 作者对于自动化学科的内容 地位和体系都给出了明确的回答 希望大家仔细阅读 因为书中的结论都是在殷实的村料 深入的分析以及听取了不同意见与建议的基础上做出的 这本书对于关心自动化科学与技术的发展 对于关心自动化科研与教学的老师 学生以及户大的科技工作者都有很好的参考价值 它也为进一步探讨自动化学科如何发展提供了良好的基础 东南大学自动控制系戴先中 序2对于自动化学科的发展以及自动化专业的教学改革 不断深入理解这一学科的内涵 地位以及学科体系的动态发展是重要的 这便是人们常说的 定位 戴先中教授的这本书反映了他在教学和科研实践中对这一问题的深入见解尽管是一家之言 但我相信本书的出版会引起大家的兴趣 会对自动化学术界 教育界产生积极的作用 对其它相关学科也会有意义 在我国 自动化学科正面临一个极好的发展机遇 经济的持续高速增长 走新型工业化道路 以信息化带动工业化 以及当前国家安全的需要等等 都是自动化学科的重大机遇 在机遇面前 把握住了就有可能推进学科的发展 如果把握不住 也有可能削弱学科的发展 因此了解自动化学科的特点是有意义的 东南大学自动控制系戴先中 自动化学科的第一个特点是它的实践性 自动化学科的发展 总是和社会的重大需求紧密联系在一起的 从工业革命到二战时期武器装备的需求 诞生了完整的古典控制理论以及相应的自动化技术 人类登月这一伟大事件 是现代控制理论的强大推动力 这方面的例子比比皆是 脱离了社会的重大需求 不可能对自动化学科的发展产生重大的推动作用 今天 我国社会发展对自动化的需求是国民经济和社会信息化 新型工业化道路 以信息化带动工业化 以及国家安全的重大需求 自动化学科应该在投身于这一历史性潮流中做出贡献 无论是本科 专科以及研究生等不同层次的人才培养 都可以而且应该适应和推进社会的进步和经济的发展 东南大学自动控制系戴先中 自动化学科的第二个特点是它的时代性 自动化学科总是具有最鲜明的时代特征 用现在的话说 它 与时俱进 作为人类改造客观世界的重要知识和技术手段 人们总是把当时最先进的技术用作自动化技术的主要内容 比如50年代前后 是以 电气化 为时代特点的 当时的自动化技术是建立在 电气技术 的基础上的 如各种仪表 电子管放大器 电机放大机 交磁放大机 磁放大器以及稍后的晶体管放大器 晶闸管等等 而当时的理论基础 古典控制理论已经比较完善了 当时的自动化学科体系也可以说已经形成 东南大学自动控制系戴先中 今天的时代是以信息技术的飞速发展和广泛应用为特征的 无疑 自动化学科一定会以信息技术作为主要的技术内涵 这就是为什么信息技术的各种最新成果会被自动化学科所迅速采用 而自动化学科的有关理论 方法论从另一方面激发和深化了信息技术的发展一因特网的产生 使自动化学科从时间和空间上进入到网络化时代 在今天 把自动化学科作为信息学科的一个分支是合适的 因为今天的自动化学科的技术内涵 大部分都是信息技术 而控制论也是信息学科的重要理论基础之一 但是这里需要指出的是自动化学科并不只是 信息技术应用 或 计算机应用 它还具有更丰富的内容 这便是学科的又一个特点 东南大学自动控制系戴先中 自动化学科的第三个特点是 系统 与其他许多学科不同之处在于自动化学科总是强调从 系统 的角度来分析 研究和实现各种目标 系统 不仅重视其组成 更强调系统的模型和性能 因此建模和优化总是自动化学科最关心的主题 这也是为什么应用数学的许多成就都会被自动化学科所应用 从一般的物理系统到复杂的大系统 巨系统 复杂性问题自然是自动化学科发展的一个必然的重要方向这与人类社会进步所面临的越来越复杂的系统问题是完全一致的 解决这一问题 不仅涉及到数学 计算机科学 还会涉及到方法论以至哲学 可以说自动化学科是一个大跨度的 从客观的哲学到微观的实现技术 学科 其广阔的空间可以让人发挥各种各样的聪明才智 东南大学自动控制系戴先中 第四个特点是交叉性 自动化学科作为 系统 学科 离不开信电 技术 电气技术 数学以及自动化对象的相关领域知识 如机械 化工过程 因此自动化学科需要与更多学科交叉 融合 以 系统 为线把相关学科的知识如珍珠一般串起来 进而促进各自学科的发展 上述看法也是一家之言 作为 序 已经写得太长了 这里所提的自动化学科几个特点与教学改革也是密切相关的 我们希望对这一问题的讨论有利于自动化学科的发展 有利于自动化专业的教学改革 有利于各个学校的自动化专业办出自己的特色 东南大学自动控制系戴先中 前言 翻开一部科学与技术发展史 我们会惊奇地发现 技术发展的永恒动力源是 人类总是设想或努力把今天的工作交给明天的机器去做 并从内容到规模不断提高到更高的层次 同时也把人类自身的活动提高到新的层次气和机器 环境 科学 技术和实现 这种交互式发展 推动着科学与技术进步 推动着整个人类社会的进步 如果说 过去的机器仅仅是人的手和脚的延长 今天的自动化机器则包合了人脑的延伸这是自动化科学与技术的一大特点 也是自动化科学与技术成为当代发展迅速 应用广泛 引人瞩目的交又学科的原因所在 东南大学自动控制系戴先中 今天 自动化的概念已深入人心 家喻户晓 自动化在我国的工业化与信息化 现代化的建设中做出了巨大的贡献 自动化科学与技术已纳入所有国家重点支持的科学与技术计划中 其中自动化技术领域作为我国863高技术发展计划的六个重点支持领域之一 容纳了包括自动化 机械 计算机 仪器等学科在内的众多科研与技术开发人员 自动化学科与专业 一直是最受社会各界欢迎的专业之一 报考的学生多 毕业生一次就业率高 但自动化 自动化科学与技术 自动化学科与专业的发展历史从来不是平坦的 充满着怀疑 挑战甚至反对 东南大学自动控制系戴先中 1 在自动化发展历史上 包括政治家 社会活动家 工会活动家在内的 许多人 担心自动化会造成大量的失业 最早是在工业革命初期 手工业作坊工人就联合起来反对自动纺纱机 甚至捣毁机器 50年代的美国 组织了一个反对发展自动化的3A革命委员会 70年代 当工业机器人出现时 美国劳联一产联和英国的工会 担心机器人会带来大量工人失业 迫使政府连续几年停止对发展机器人的支持 东南大学自动控制系戴先中 2 在自动化科学与技术的发展历史上 同样经历了坎坷 70年代 现代控制理论遇到了对象难以精确描述和存在不确定因素等的挑战 与此同时 数字计算机被大量应用于自动化控制 使得在自动化技术方面取得的主要进展主要来自于计算机的大量应用与不断更新 90年代以来 大型系统和网络的规模和复杂程度大大超出了控制的传统应用范围 人与机器以及机器之间的交互方式发生了迅速变化 研究的瓶颈也从处理系统的物理学特性转变为处理系统的复杂性 东南大学自动控制系戴先中 3 在我国自动化专业的发展历史上 也充满着曲折开始时 按苏联办学模式 全国的工科专业划分似 行业公会 而国内又没有 自动化 这个产业或行业 挂靠 归属成了问题 改革开放后需要与国际主流教育体制接轨 美国又没有 自动化 专业 如何才能顺利接轨 历史的发展表明 挑战既是一种巨大的压力 又可变为巨大的动力 经历了坎坷与曲折的磨难 在全国从事自动化科学与技术研究 自动化应用和自动化专业教育的全体人员的辛勤耕耘下 在机械 计算机 通信 仪器等其他学科和各界人士对自动化的关心 支持和帮助下 我国的自动化 自动化科学与技术 自动化学科与专业的发展还从来没有像今天这样事业辉煌 队伍壮大 历史是一面巨大的镜子 从中我们可以看到昨天 今天和明天 东南大学自动控制系戴先中 首先 对自动化会造成大量的失业 从而引发严重的社会问题的担心是不必要的 美国50年代反对发展自动化的3A革命委员会曾预测 到1970年美国将失去700万个就业机会 但结果是反而增加了几百万个就业机会 20世纪80年代 日本由于在汽车生产线上大量采用机器人 一跃成为汽车的出口大国 耐人寻味的是 在发达工业国中 日本应用的机器人最多 失业率最低 英国应用的机器人最少 失业率却最高 东南大学自动控制系戴先中 其次 20世纪90年代以来 普遍运用控制原理和系统方法的机会不仅在传统制造业领域 而且在通信 网络 交通运输等非制造业以及生物 太空 军事 经济 社会等领域瀑发了 随着越来越多的装置包含嵌入式处理器 传感器和联网硬件 计算机 通信系统和检测设备正在变得越来越便宜 越来越无所不在 使我们能采用20年前想像不到的方式和速度来处理各种信息 自动化科学技术进入了又一个创新发展的黄金时期 使得有可能研发出真正带有智能的机器 解决各类有着复杂的相互间联系与影响的物质和信息系统的控制与协调问题 并完全有可能使20世纪60年代空间计划刺激下所取得的进步相形见绌 东南大学自动控制系戴先中 最后 进入21世纪 我们惊喜地看到 自动化专业无产业或行业挂靠这一昔日的弱势在要求打破 行业公会 式的专业划分 设置宽口径专业 设置 跨行业的专业 的一片教育改革呼声中变成了优势 同时我们还惊喜地看到 全国目前已有197所高等学校设有自动化专业 如果再把那些将 自动化 作为其专业名称一部分的专业 如 电气工程及其自动化 机械设计制造及其自动化 农业机械化及其自动化 等专业 算在内 这无疑将是中国最庞大的专业 总之 面对发展的一片大好局面与各种新的机遇 盲目乐观是危险的 而面对严峻的挑战与巨大的压力 盲目悲观也是不足取的 东南大学自动控制系戴先中 正是在这样的背景下 为了迎接挑战 抓住自动化科学与技术的发展机遇 2002年4月 国家自然科学基金委信息学部在西安召开了 中国自动化领域发展战略高层学术研讨会 来自国内外的40多名自动化领域的知名科学家和高级工程师 就国家 十五 发展规划的重大需求给我国自动化科学与技术带来空前的机遇与挑战和面对自动化科学技术学科自身的发展要求进行了深入的讨论 而几乎与此同时 在美国政府机构的资助下 围绕 信息丰富世界中的控制学 的发展 召开了包括著名高校 研究所与大企业以及政府机构管理人员在内的类似的研讨会 东南大学自动控制系戴先中 也正是在这样的大背景下 为了迎接挑战 抓住自动化学科与专业的发展机遇 在2002年11月教育部新组建的高等学校自动化专业教学指导分委员会的工作会议上讨论我国自动化学科与专业发展战略时 提议撰写本书 希望在比较全面 准确地分析自动化学科与专业的发展历史 它的内涵 外延与定位的基础上 总结自动化学科与专业的知识结构 知识体系与本科课程体系 从而使自动化专业的学生能对本学科与专业有深入的了解 学习的目的性更明确 学习更主动 进一步促使学生热爱自动化专业 立志为我国自动化事业的发展贡献力量 同时也希望本书的有关内容能为从事自动化学科与专业的研究与教育人员以及其他关心自动化学科与专业的更多的人提供一份比较全面 准确地了解自动化学科与专业的参考材料 一个窗口 东南大学自动控制系戴先中 为了达到这一目的 就必须首先对自动化学科与专业的源泉 自动化科学与技术的内涵 外延和其在整个科学与技术体系中的地位以及与其他相关学科的联系 区别 进行全面 准确地分析 也必须对自动化专业毕业生的主要用武之地 自动化应用及其在当前我国工业化 信息化 现代化和全球经济化进程中的作用与地位 进行必要的介绍与分析 为此 本书将按自动化 第1章 主要从应用的角度 自动化科学与技术 第2章 主要从科学技术研究的角度 自动化学科 第3章 从研究与教育合一的角度 自动化专业 第4章 完全从本科教育的角度 的顺序展开 各章内容是这样安排的 东南大学自动控制系戴先中 第1章 自动化 主要从应用的角度 详细论述自动化的定义与包含的内容 论述自动化在工业化 信息化 现代化与经济全球化进程中的重要性与突出地位 不但为论述自动化科学与技术的重要性奠定基础 也明确了自动化学科与专业毕业生广阔的用武之地 东南大学自动控制系戴先中 第2章 自动化科学与技术 完全从科学技术发展 科学技术研究的角度 论述自动化科学与技术的定义 内涵与外延 论述自动化科学与技术作为一门新兴的 综合交叉性的技术学科在整个科学技术体系中的位置与主要特点 包括分析 自动化科学技术与信息科学技术的关系 不仅明确了自动化科学与技术在整个科学技术体系中的重要性与突出位置 也深刻地反映了自动化是科学技术革命的直接产物 自动化科学与技术是 第1章中论述的 自动化应用取得如此巨大成功与成效的源泉与基础 同时也为进一步论述自动化科学与技术学科 专业作了必要的铺垫 东南大学自动控制系戴先中 第3章 自动化学科 从科学技术研究与科学工程教育的统一角度 合一角度 来对自动化科学与技术学科 简称自动化学科 的分类与构成 知识结构与体系以及研究 教育 的层次进行详细的分析 不仅有助于进一步加深对自动化学科的构成与知识体系的认识 也为探讨自动化学科的科学与工程教育打下坚实基础 第4章 自动化专业 收缩我们的视线 集中在自动化学科的科学工程教育上 来对大学自动化学科与专业的历史与现状 它的任务与特点 它的知识体系与课程体系 以及自动化学科与专业的发展前景与发 畏趋势作分别的论述 从而构成对整个自动化科学与技术学科的内容 地位与体系的完整认识 东南大学自动控制系戴先中 此外 在书的附录中给出了 控制与自动化关系刍议 对美英等国没有自动化专业的原因分析及相关介绍 对目前一些尚有很大争议的问题作进一步深入的讨论 并谈一些作者更鲜明的观点 在书的后记中介绍了本书的写作背景与成书过程 一起作为对本书正又内容的补充 供参考 由于这是国内 或许也是在国际上 第一本较系统地论述自动化学科与专业的书 货有类似的书可 临摹 受有太多的现成资料可参考 因而全书的架构 章节段落安排还值得进一步推敲 对自动化 自动化科学与技术 自动化学科与专业的理解 把握与论述一定还存在许多错误与不当之处 难以达到 能对自动化学科与专业的内涵 外延与结构体系 自动化学科与专业的定位 特点与特色有一个较清晰 又有说服力的论述 的成书初衷 因而诚挚地希望能听到 收到各方面的批评与批判意见 以便能作进一步的修改 使其不断完善 作者的通信地址是 南京市四牌楼2号 210096 东南大学自动控制系 E mail xzdai seu edu en 东南大学自动控制系戴先中 报告内容一 引子 急需回答的问题二 对自动化的认识 发展自动化的重要性三 对自动化学科的认识 发展自动化学科的重要性四 对自动化专业的认识 发展自动化专业的重要性 东南大学自动控制系戴先中 一 引子有一系列难回答 但急需回答的问题 1 关于自动化自动化的确切含义 在工业化 信息化中 自动化的位置在哪 自动化的发展前景 东南大学自动控制系戴先中 一 引子急需回答的问题 2 关于自动化学科自动化学科的地位 自动化学科与信息学科的关系 是包容 还是相对独立 自动化学科要解决的科学问题是什么 过去很清楚 现在说不清了 自动化学科的发展方向 东南大学自动控制系戴先中 一 引子急需回答的问题 3 关于自动化专业自动化专业与信息类其他专业的关系 人才的通用性如何 我国的自动化专业特色在哪 发展前景如何 东南大学自动控制系戴先中 二 对自动化的认识 东南大学自动控制系戴先中 自动化是指机器设备 系统或过程 生产 管理过程 在没有人或较少人的直接参与下 按照人的要求 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 自动化涉及的范围极其广阔 从深度来看 以工业生产为例 小到一个普通的设备电机 大到企业的整个加工 制造系统乃至企业的整个生产过程 从广度来看 涉及第二产业工业自动化 第一产业农业自动化 第三产业服务自动化 如办公自动化 楼宇自动化 商务自动化 交通自动化等等 涉及的系统可有人造系统 如机器系统 交通系统 电力系统 军事系统 和自然系统 如生命系统 生态系统 涉及的过程有生产过程 管理过程 决策过程等等 自动化的含义 东南大学自动控制系戴先中 自动化的魅力自动化设备能克服人的局限性 生理阈值 完成人无法完成的工作 如 人易出错 自动化设备与系统完成作业的一致性与重复性要远高于人 使生产的产品质量大幅度地提高 人的视觉 人的手 无法完成精确 精细 动作 因而集成电路的制作必须采用高精尖的自动化设备 人的 庞大 的躯体 无法在窄小空间中作业 从而各种管道 油管 水管 内的检修 需要各种管道机器人 人无法承受高温 高压 深水 核等环境下的工作 必须采用各种自动化设备或机器人 东南大学自动控制系戴先中 自动化和自动化学科的关系 相互依存自动化科学与技术是自动化的源泉与基础其物化是自动化设备与系统其应用包括自动化设计 自动化制造自动化工程 自动化管理自动化决策 自动化运行等自动化 应用 是自动化科学与技术的用武之地 是自动化专业毕业生的主要用武之地 东南大学自动控制系戴先中 机械化 应用机器系统 电气化 加入电机 网络 自动化 加入自动控制器 计算机化 应用数字计算机 网络化 实现计算机网络 先进自动化 系统 管理 智能化 引入智能 知识化 处理知识 工业化信息化知识化 社会总发展 自动化的位置 东南大学自动控制系戴先中 自动化与工业化的关系工业化特点 专指工业 尤其是制造业工业化发展三阶段 机械化 大规模使用机器系统 电气化 加入电机 电网络 自动化 加入自动控制器 实现自动化 就完成工业化目前来说 自动化是工业化的最重要标志 国内总体来说 已机械化 电气化 东南大学自动控制系戴先中 自动化与信息化的关系信息化特点 不单指工业 包含第一 三产业仅从工业的角度 信息化发展也可分三阶段 一定在工业化的基础上 计算机化 大规模使用数字计算机 网络化 实现计算机网络 先进自动化 综合集成了系统 管理 实现先进自动化 就完成 工业 信息化先进自动化是信息化的最重要标志 国内总体 数字化 网络化已有一定规模 东南大学自动控制系戴先中 机械化 应用机器系统 电气化 加入电机 网络 自动化 加入自动控制器 计算机化 应用数字计算机 网络化 实现计算机网络 先进自动化 系统 管理 智能化 引入智能 知识化 处理知识 工业化信息化知识化 社会总发展 东南大学自动控制系戴先中 东南大学自动控制系戴先中 基础 自动化 核心是控制 是工业化完成与否的标志自动化技术是工业化的核心技术先进自动化 核心是信息 控制 系统 是信息化完成与否的标志先进自动化技术是信息化的核心技术 东南大学自动控制系戴先中 三 对自动化科学与技术学科的认识 东南大学自动控制系戴先中 广义科学技术体系结构 东南大学自动控制系戴先中 自动化科学的定位与任务一门技术科学 一门应用基础科学研究的基本任务是为自动化技术 包括设计 制造 控制和管理计算机集成制造系统CIMS 计算机集成过程控制系统CIPS等先进自动化系统 和控制工程 包括控制航天器这样的设备 提供科学理论基础 致力于带有一定普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究 使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用 东南大学自动控制系戴先中 自动化技术的定位与任务一门工程应用技术研发的基本任务 一方面将自动化科学原理与方法转换为工程实用技术 包括工具和手段 使得能应用于工程实际 将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力 另一方面将工程实际中遇到的技术问题提炼 抽象成为科学问题 为自动化科学研究提供新的研究对象 东南大学自动控制系戴先中 自动化科学解决什么科学问题 自动化技术研究什么针对技术 传统意义上如何 当前又如何 东南大学自动控制系戴先中 传统的自动化 给定值 跟踪控制问题 东南大学自动控制系戴先中 传统的自动化 闭环控制手段 东南大学自动控制系戴先中 传统意义上 自动化科学研究的焦点 系统的物理学特性需要解决的基本问题 给定值控制问题 跟踪问题和自主问题其基本科学问题 建模问题 稳定性问题 动态特性问题适应性 鲁棒性 问题和自主性问题自动化技术研究的针对性工程应用技术 模型技术 检测技术 执行技术 控制 计算 技术 东南大学自动控制系戴先中 自动化科学与技术的发展自动化科学的奠基者维纳在 控制论 第二版中指出 如果一门科学学科是真正有生命力的 它的引人兴趣的中心就必须而且应该随着岁月而转移 因此 控制论科学家应该继续走向新的领域 应该把它的大部分注意力转移到近十年的发展新思想上去 东南大学自动控制系戴先中 自动化科学与技术的发展最初 处理系统的物理特性 基础自动化 物质 能量当前 处理系统的复杂性 先进自动化 主要是信息焦点和难点在哪 挑战在哪 东南大学自动控制系戴先中 基本挑战1通常难以建立系统的精确数学模型 随着工业化程度的逐步提高 各类制造业 如石油 化工 冶金 发电 机械 纺织 电子 和电力 交通等系统的规模越来越大 系统结构越来越复杂 优化控制目标和约束越来越多样化 东南大学自动控制系戴先中 SONY Honda AIST 人形机器人 东南大学自动控制系戴先中 HumanoidRobot HRP 2AIST Kawata 东南大学自动控制系戴先中 人形机器人 如何建模 1 03 东南大学自动控制系戴先中 基本挑战2传统数学模型不再适用传统数学模型连续工业过程 微分 或差分 方程模型 离散工业过程 DEDS模型 更完整的数学模型广义系统 微分 代数方程模型混杂系统 既有连续变量又有离散变量 东南大学自动控制系戴先中 传统数学模型 微分方程模型 线性非线性 东南大学自动控制系戴先中 复杂电力大系统 复杂结构 地域分布广阔 网络结构 东南大学自动控制系戴先中 整个电力系统可被描述为 元件微分方程元件接口方程网络方程 东南大学自动控制系戴先中 复杂电力大系统完整的 结构化的非线性模型 东南大学自动控制系戴先中 元件与系统其余部分关系示意图 东南大学自动控制系戴先中 元件微分方程元件接口方程输出方程 含输出方程的元件 被控对象结构图 东南大学自动控制系戴先中 进一步挑战伴随 工业 计算机网 通讯网等的快速发展 目标 结构 形态不同的复杂系统大量出现 由物质系统与信息系统共同组成 此类复杂系统通过信息网将分散在不同地点的各个子系统 物质系统或信息系统 联系在一起 由此产生与传统意义复杂系统不同的新的复杂的控制与决策问题 其意义不但对控制 对计算机网 通讯网的安全同样重要 东南大学自动控制系戴先中 复杂系统分类 从物质 能量与信息的角度和正开展的研究角度 完全由物质系统组成 子系统之间主要是物质流 能量流传统的复杂工业过程属于此类 完全由信息系统组成 子系统之间仅有信息流 目前的通讯网系统 由物质系统与信息系统共同组成 可进一步分类 如 子系统均为物质系统 之间信息流 物质流 能量流并重 现代的电力系统 制造系统属此类 子系统均为物质系统 子系统之间仅有信息流 网络化机器人系统属于此类 东南大学自动控制系戴先中 电力系统的三级递阶控制结构 东南大学自动控制系戴先中 计算机集成制造系统的五级递阶控制结构 东南大学自动控制系戴先中 通过Internet主从式控制系统结构 东南大学自动控制系戴先中 未来的无人化工厂 东南大学自动控制系戴先中 检测 计算 通信 执行和复杂性技术成本 性能曲线 东南大学自动控制系戴先中 总结 当前 自动化科学研究的焦点和难点 系统的复杂性 需要解决的基本问题或基本科学问题 复杂系统的建模问题综合集成问题 包括人 整体优化问题 失效容错问题和系统智能问题自动化技术主要包括 模型技术 仿真技术 集成技术 优化技术 可靠性技术和运行技术 东南大学自动控制系戴先中 与此同时 自动化科学与技术的各种新的应用机会也已明显出现 无所不在的分布式计算 通信和检测系统的出现已创造了这样一种环境 一方面使我们能方便地获得大量的信息 另一方面使我们能采用二十年前想象不到的方式和速度来处理这些信息 这对于实时控制来说是如此的重要 使得有可能研发出真正带有智能的机器 解决各类有着复杂的相互间联系和影响的物质和信息系统的控制与协调问题 从而将对物质世界的一切产生深远影响 自动化科学技术进入又一个创新发展的黄金时期 并完全有可能使20世纪60年代空间计划刺激下的所取得的进步相形见绌 东南大学自动控制系戴先中 手工时代机器时代自动化时代信息时代 数字化时代 下一个时代 机器人时代 时代的变迁 东南大学自动控制系戴先中 农业社会工业社会 工业机器人服务型社会 服务机器人 社会的变迁 机器人的变化 东南大学自动控制系戴先中 技术发展 从IT到RT RT RoboticsTechnology机器人技术 感知 Sensing规划 Processing Thinking动作 Action交互 Inter Communication IT basedRT 下一代发展方向 东南大学自动控制系戴先中 个人装备 发展 从PC到PR PR PersonnelRobot 个人机器人 Internet从传递文字 画面 声音 图像 到传递动作 Action 东南大学自动控制系戴先中 个人机器人PR何时走入家庭 个人机器人 PersonnelRobot通过Internet传递行动 Action一个发展的过程 预计 目前 人手一台PC2020年 人手一台PR 个人机器人PR将引领生活 东南大学自动控制系戴先中 计算机 Computer 电脑希望计算机能像人脑一样聪明 发展到今天 与人脑相比还有极大的差距但计算机发展的辉煌成就是有目共睹的20多年前 当IBM推出个人计算机PC时 无论是IBM公司本身还是IT行业大胆的预言家 都未想到PC会有今天这样的强大的功能与今天这样巨大的市场 计算机 手机与机器人的对比 手机 Mobile phone 东南大学自动控制系戴先中 人类对机器人寄予了无限的希望希望机器人能像人一样能干甚至无所不能今天最先进的机器人 其智力相当于一个婴儿但机器人40年的辉煌成展示了一个美好的前景何时 机器人足球队参加世界杯足球比赛与人同场竞技 2050年 机器人或许还真能赢 Robot 机器人 东南大学自动控制系戴先中 新观点 控制界的摩尔定律 新的IT技术成熟应用于自动化需要多少年 结论是 10年 东南大学自动控制系戴先中 控制界的摩尔定律 10年间隔 RelayLogic ElectronicLogicPC以太网 无线通讯 蓝牙 Zigbee 东南大学自动控制系戴先中 三对自动化学科的认识 续 自动化学科与信息学科的关系 东南大学自动控制系戴先中 自动化科学与信息科学同根 同源信息科学的基础 信息论 与 控制论 系统论 自动化科学的基础 控制论 系统论 与 信息论 实际上 三论与相关的决策与博弈论以及计算机算法和体系结构等作为一个学科群的基础理论均是在20世纪40年代由同一批科学家提出和形成的 东南大学自动控制系戴先中 自动化技术涉及到信息技术的全部 东南大学自动控制系戴先中 注意两点 1 自动化科学与信息科学的同根 同源 自动化技术涉及到信息技术的全部 并不隐含着 自动化技术可替代信息技术2 我国国家自然科学基金 将自动化科学划归信息科学部 并不隐含着 信息技术包含了自动化技术自动化技术的重点是在信息的控制应用上自动化技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质的有效利用 东南大学自动控制系戴先中 对自动化专业的认识 自动化专业的知识体系 自动化专业的特点 自动化专业与其他相关专业的关系 自动化专业的发展前景 东南大学自动控制系戴先中 知识体系 知识层 知识域 知识元和知识点四个层次每个知识层由若干知识域组成 一个知识域包括若干个知识元 一个知识元可分解成若干个知识点知识元是知识体系中的基本单位 知识元又分为核心知识元和一般 非核心 知识元 核心知识元组成了知识体系的最小集合 东南大学自动控制系戴先中 基本的负反馈闭环控制结构 东南大学自动控制系戴先中 东南大学自动控制系戴先中 东南大学自动控制系戴先中 东南大学自动控制系戴先中 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业的知识体系由三层知识构成 包括十个知识域反映自动化专业特点的五个知识域控制与智能 传感与检测执行与驱动 对象与建模系统与工程 自动化专业知识体系的核心知识是控制与智能 对象与建模系统与工程等三个知识域也是自动化专业与其它专业的最大区别 东南大学自动控制系戴先中 四对自动化专业的认识 续 自动化专业的特点 东南大学自动控制系戴先中 自动化学科的特点一门多学科交叉的高技术学科自动化应用的特点宽 广 几乎无所不包 并且 伴随其它技术发展 越来越广学自动化专业的特点需要学的知识多 并要求扎实在学工的学生中 学自动化需要的数学知识最多学自动化学习的计算机仅次于计算机专业 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业的特点 从培养学生角度 1 多学科交叉 内涵丰富 外延宽广 利于培养宽口径 多面手 综合复合型人才 2 得益于具有方法论性质的科学方法 科学思想的熏陶 思想更开阔 也更有深度 非常利于培养具有创新能力的人才 3 特别需要从工程实际问题中抽象出系统问题的分析与综合能力 特别需要综合集成解决系统问题的能力 有利于培养 将才 与 帅才 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业的特点 从专业发展角度 符合厚基础 宽口径专业设立的要求 符合淡化机 电等单机概念 突出含机 含电的系统概念 符合淡化 行业性的专业 突出 跨行业的专业 的理念 具有中国特色 为建立新的教育体系做出了有益的探索与尝试 提供了新的思路与可供借鉴的经验 东南大学自动控制系戴先中 四对自动化专业的认识 续 自动化专业与其他相关专业的关系 计算机类其他信息类工程类到底有哪些联系与区别 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业与计算机类专业的联系与区别 计算机 软件中心论者认为各种自动化系统之间并无本质差别相对于庞大的计算系统而言 控制算法只是一个很小的部分 引伸的含义是 优秀的计算机学科人才 完成自动化学科的工作是非常容易的 尤其是在20世纪80 90年代 计算机 自动化的观点尤其盛行 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业与计算机类专业的联系与区别 续 而控制中心论者的观点则完全相反 认为自动化系统中的计算机只不过是实现反馈控制的媒介 工具而已 尤其是进入新世纪 控制所处的环境大为不同 大型系统和网络的规模和复杂程度已大大超出了控制的传统应用范围 计算机不但是工具 本身也成为系统中的被控对象 人 工具 对象相互作用形成的复杂系统问题更是自动化学科研究面临的挑战 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业与计算机类专业的联系与区别 续 以上两种观点各有偏颇但说明一个问题 计算机与自动化有不解之缘 中国计算机科学与技术学科教程2002 在论述计算机科学与技术学科的定义时这样说 简单地讲 计算机科学与技术学科的根本问题是 什么能被 有效地 自动化 东南大学自动控制系戴先中 基本负反馈控制 计算机软件中心论 控制中心论 东南大学自动控制系戴先中 自动化专业与计算机类专业的联系与区别 续 计算机专业人才学习重点熟悉计算机 学习重点 也懂自动化 但其出发点与角度不一样 深度不够 计算机专业人才也能从事自动化的研发工作 但往往只能从事软件 算法方面的工作 难以胜任整个自动化