电气工程与自动化专业概论

1,电气工程与自动化专业概论,电气工程与自动化学院陈冲,2,课程主要内容,电气工程与自动化大类专业的结构及其沿革（包括:电气工程及其自动化和自动化两个专业）,自动化专业概论,一、自动化的概念,二、自动化的研究内容,三、自动化的作用,四、自动化专业的特点,五、控制和自动化技术发展简史,六、控制与自动化技术的应用范畴,七、控制科学和自动化技术的展望,结束,3,电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革,1）电气信息类（电类）专业设置,电工类（强电）,电子与信息类（弱电）,1993年本科专业目录：,1998年本科基本专业目录（电气信息类）：,电子信息工程通信工程电子科学与技术计算机科学与技术（弱电专业）,1998年本科引导性专业目录：,4,1994年全国高校相关的专业设置情况（按93年专业目录）电机电器及其控制20高电压与绝缘技术6电力系统及其自动化37电气技术55工业自动化157自动控制40,2）专业分布状况,5,3）研究生的对应学科专业,电气工程及其自动化,自动化,一级学科电气工程*,控制科学与工程*,6,一、自动化的概念,水温的手动控制,水温的自动控制,水温的控制:,什么是自动化？,7,现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。,例如：公共电网上的电压是50赫兹、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制频率、电压这两物理量为恒值，这要采用自动调频和自动调压装置。,在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。,现代生活中，空调器保持室内温度、卫生洁具水箱的水位保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。,8,防空导弹制导控制系统,自动导弹,测试与发射控制,9,自动化包含了两层基本意思：所谓“自动”的，即没有人或很少人直接参与；,自动化的概念,自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。,虽然没有或不需要人，但肯定应按人的要求去做。,自动化是指设备、过程或系统，在没有人或较少人的参与下，按照人的要求，通过自动运行或自动控制，完成其承担的任务。,系统是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。,自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。,10,开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。,开环控制与闭环控制,1.开环控制,水箱液位开环控制,11,自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。,2.闭环系统,水箱液位闭环自动控制,12,一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：,给定环节：产生给定输入信号的环节,测量环节：随时将被控制量检测出来的装置,比较环节：其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较,控制环节：它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标,执行环节：按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作,被控对象：控制系统所要控制的设备或过程,13,自动化基本设备,传感器：信息获取,信号转换与传输网络：信息传输,控制器：信息处理,执行器：信息应用,14,二、自动化的研究内容,有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。,自动化指挥系统,公路智能系统,15,自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。,自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广。自动化是一门名副其实的多学科交叉学科。,其它学科向自动化扩展机械工程及其自动化电气工程及其自动化动力工程及其自动化甚至：农业工程及其自动化交通运输自动化,16,三、自动化的作用,1.自动化在工业化进程中的作用和地位,工业化的标志是“现代工业”在国民经济中占主要地位。“现代工业”本身是一个发展的概念，世界范围的工业化进程大致可分为顺序发展的三个阶段：机械化、电气化、自动化,自动化是新型工业化的最重要标志。,17,2.自动化在信息化进程中的作用和地位,对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展与应用的角度，到目前为止，“信息化”发展也可分为三个阶段顺序为：计算机化（或称为数字化）、网络化、系统化（或称为集成化）,18,对工业，尤其是对制造业来说，信息化就是：,在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在自动化的机电系统中进一步使用数字计算机计算机化；,再进一步联网网络化；,继而引入系统与管理系统化或集成化，从而构成计算机集成制造系统CIMS与计算机集成过程系统CIPS，成为更先进的自动化系统。,19,发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：,机械化：在各种生产中大规模使用机器系统；,电气化：在机器系统中普遍使用电机与供电网络；,基础自动化：在机电系统中进一步加入自动控制器；,计算机化：在自动化机电系统中大规模使用计算机；,网络化：在自动化机电系统中大规模实现计算机联网；,先进自动化：综合集成了系统观念与管理理念。,20,“工业化”三阶段与工业“信息化”三阶段有相当明显的一一对应关系：,对于工业，“信息化”实质上就是“更先进的自动化”。“先进自动化”是制造业“信息化”的最重要标志之一。,21,自动化与工业化、信息化、知识化的关系,22,（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,自动化的重要性,23,3.自动化的作用,1）提高社会生产率和工作效率；,2）节约能源和原材料消耗；,3）保证产品质量；,4）改善劳动条件，减轻体力和脑力劳动；,5）改进生产工艺和管理体制；,6）完成人无法完成的工作；像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下替代人完成各种作业。,7）扩展作用管理、经济、金融过程智能化。,24,国家863高科技发展计划,（原则：有所为，有所不为）,分6个领域：,自动化、能源、信息、新材料、生物与农业、资源环境（海洋）,就有一个自动化领域,分CIMS主题、机器人主题,25,四、自动化专业的特点,国家对该专业的定义是：培养出能够从事运动控制、工业过程控制、电力电子技术应用、检测与自动化仪表、计算机技术、信息处理等领域的系统分析、设计、研究、管理与决策的高级工程技术人才。,自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。,（1）学科特点,（2）研究、应用特点,研究的内容宽、广，并且，伴随其它技术发展，越来越广。,控制学科具有鲜明的方法论的色彩。,26,自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相结合（3C:ControlComputationCommunication）。,（3）学自动化的特点,是一个符合学科专业结构调整方向的宽口径的专业。,特点：面向控制对象，强调系统组成，强弱电并重、软硬件兼顾；强调从理论到实践，其自然科学性与工程技术性并存，它的发展与国民经济的发展息息相关。,自动化专业宽基础、宽专业面，需要学的知识多，并要求扎实。,在工科的学生中，自动化专业学习的计算机内容仅次于计算机专业。,自动化专业的学生适应面宽、就业面宽。,27,五、控制和自动化技术发展简史,自动装置的出现和应用（18世纪以前）,自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）,局部自动化时期（20世纪40-50年代）,综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）,28,（1）自动装置的出现和应用（18世纪以前）,中国和巴比伦出现了自动计时装置刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。,1）古代自动装置,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,29,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辕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。,30,中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。,候风地动仪,31,公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。,“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中。,水运仪象台,32,17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：,2）近代自动装置,法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；,荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表；,英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；,俄国机械师.波尔祖诺夫（）于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。,33,（2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）,公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。,34,对象和调节器形成调节系统,反馈控制（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。,反馈调节（控制）系统,前向通道,反馈通道,35,1）自动调节的广泛应用,公元1868年法国工程师J.法尔科（Farcot）发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构（Servo-mechanism）。,20世纪20-30年代，美国开始采用PID模拟式调节器（比例-积分-微分调节器）。现在还在许多工厂中采用。,自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节系统（AutomaticRegulationSystem）。,由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。,36,2）自动调节系统的稳定性（Stability）问题,当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种稳定判据。,在拉普拉斯（Laplace）变换的基础上，引入传递函数（TransferFunction）的概念，成为分析自动调节系统的重要工具。,稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基关于船舶自动操舵的稳定性和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的关于伺服机构理论的论文标志着经典控制理论的诞生。,37,（3）局部自动化时期(20世纪40-50年代),经典控制理论的形成和发展,局部自动化的广泛应用,电子数字计算机在控制系统的应用,在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。,38,自动防空火力控制系统,39,在代数稳定判据和传递函数的基础上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根轨迹法（RootLocusMethod），奠定了适用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。,随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题等的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有新的发展。,1）经典控制理论的形成和发展,依据频率响应的频率法（或称频域法，FrequencyMethod）成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。,早期，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统（AutomaticControlSystem）。因此，调节器现也称为控制器。,40,2）局部自动化的广泛应用,二次大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机（ElectronicAnalogComputer）来设计自动控制系统。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。,在20世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。,41,3）电子数字计算机在控制系统的应用,目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。,电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。,电子数字计算机的发明，为60-70年代开始的在控制系统广泛应用的程序控制、逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。,42,（4）综合自动化时期（20世纪50年代末至今）,复杂工业、复杂工业过程和航天技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。,现代控制理论的形成和发展,1956年前苏联数学家.庞特里亚金提出极大值原理。同年美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。,1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。,以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。,卡尔曼引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈控制律，为自动控制系统给出了最优调节器的概念。,43,现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：,（1）系统辩识、建模与仿真,经典控制理论是以传递函数为基础，提供系统的输入/输出外部信息。主要研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析和设计，并在工程上比较成功地解决了简单控制系统的控制问题。,现代控制理论是建立在线性代数的数学基础上，以状态空间法（StateSpaceMethod)为基础。不仅提供系统的外部信息，而且能提供系统的内部信息。对研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能等更广泛、更复杂控制系统的分析和设计提供了有效的手段。,（2）自适应控制,（3）最优控制,（4）遥测、遥控和遥感,（5）综合自动化,（6）大系统理论,（7）模式识别和人工智能,（8）智能控制,44,1）系统辩识、建模与仿真(SystemIdentification、Modeling,(3)社会经济控制的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。,114,大系统理论主要研究：规模宏大、结构复杂的系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。,系统工程是以系统(特别是大系统)为研究对象的一门跨学科的边缘科学。是应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用大系统而采取的各种组织管理技术的总称（如长江三峡施工组织管理系统）。涉及工程、社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。,（十）大系统控制与系统工程,115,七、控制科学与自动化技术的展望,控制科学的发展,国家基础研究认知科学的研究国家自然科学重点复杂控制系统理论,自动化技术的发展,重点：系统、集成技术,116,（一）计算机集成制造系统（CIMS）,在制造业中利用计算机不仅实现单元生产柔性自动化，并把制造过程（产品设计、生产计划与控制、生产过程等等）集成为一个统一系统，同时企图对整个系统的运行加以优化。,计算机集成制造系统所涉及的自动化技术：数控技术、计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）等、立体仓库与自动化物料运输系统、自动化装配与工业机器人、计算机辅助生产计划制定、计算机辅助生产作业调度、质量监测与故障诊断系统、办公自动化与经营辅助决策。,117,（二）机器人应用于生产和社会生活的各方面,机器人涉及的自动化技术（1）变结构控制与学习控制（2）机器视觉与机器智能（3）智能控制与信息融合,机器人主要分为两大类：用于制造环境下的工业机器人（如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人）;,用于非制造环境下的特种机器人（如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等）。,118,1954年第一台工业机器人,国产100公斤点焊机器人,119,智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。机器人也正在向个人机器人的方向发展。特种机器人在海洋与农业、服务与医疗、生物与基因工程、航空与航天等领域的应用显示出强大的生命力，如安全微创的脑外科辅助定位机器人、雕刻机器人、导游机器人等都进入实用化阶段。,机器人正在清洗瓷砖壁面,医疗辅助机器人,120,微形机器人,121,微型（几毫米）机器人,122,123,军用机器人,军用机器人,反恐机器人,124,机器人能否干活？,125,机器人干活！,操作机器人,126,人形机器人真正像“人”!,127,Pino人形机器人,人形机器人,128,迈向二十世纪的中国机器人,我国把智能机器人列为高技术发展计划，主要是围绕特种机器人进行攻关。完成1000m水下无缆自主机器人的研制，并完成了无人驾驶振动式压路机、隧道凿岩机、大型喷浆机、机器人化装载机、自动摊铺机等机器人化工程机械。我国在研制出遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又根据市场需求开发出排爆机器人、面壁清洗机器人、医疗辅助机器人、机器人足球等。,汽车自动焊接生产线（焊接机器人）,129,基于网络环境的自动化控制系统称为网络控制系统。,（三）基于网络环境的自动化,特点：(1)网络控制系统具有网络化体系结构。,(2)通过网络互联技术、动态数据交换技术、开放式数据库连接技术等实现网络水平上的集成。,(3)网络控制系统通过公共网络传递测量信息和控制信号，从而构成闭合回路。,(4)网络传输通常可视为可靠性不高的数据传输。数据包的丢失、数据分包传输等对控制系统的影响；网络控制系统的安全性、互操作性问题等都需要从理论和技术上给以完善解决。,130,人工智能在自动化系统的应用前景广阔。,（四）人工智能在自动化系统中的进一步应用,1、脑科学研究对自动化的影响,人的智能来源于大脑的神经系统，是大脑思维活动的结果。,人的智能活动主要有下列几方面的特征：感知能力记忆和思维能力学习能力行为能力,131,优化始终是控制的中心问题，智能优化从大自然的进化中受到启迪，是一类独特的优化方法。,2、智能优化的应用,遗传算法免疫算法蚁群算法,3、生物控制论,另一方面将信息技术和自动化手段反作用于生物系统，解释生物体各个不同结构层次的生命现象。,一方面深入探讨生物体中通信和控制的机理，并借鉴用来构造更有效的人工系统；,132,（五）高速列车和太空飞行器的智能控制,高速列车采用交流传动技术，流线型头形、轻量化鼓形车体、动力学性能较好的小轮径动力车转向架等，架装了导流板，而控制系统采用MITRAC分布式微机控制装置等，使该车组技术性能进一步完善和提高。我国高速“子弹头”列车，时速达300多km/h。,磁悬浮高速列车已在上海运行，最高速每小时430km。,133,人类太空飞行与国际空间站,国际空间站是一座有两个足球场大小的空间站，将成为人类历史上第一个完备的太空实验室。,空间站,134,我国载人航天飞行,2002年底成功发射了神舟四号飞船。这是最后一次无人的飞船，但为有人飞行作最后的准备。飞行108圈后于2003年1月5日返回地球。,2003年10月15日成功发射第一艘载人飞船神舟五号，飞行21小时绕地球14圈，于2003年10月16日成功返回地球，圆了中华民族几千年的飞天之梦。成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。,神舟五号航天员杨利伟成中国航天第一人,135,我国载人航天飞行,2005年10月12日成功发射第二艘载人飞船神舟六号，首次进行多人多天飞天实验，于2005年10月17日成功返回。,2008年9月25日成功发射载人飞船神舟七号，中国