自动化学科概论

自动化学科概论,第2章自动化与自动化学科、专业,自动化学科概论,2.1自动化2.2自动化科学与技术2.3自动化学科、专业,第2章自动化与自动化学科、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）在没有人直接参与的情况下，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,并联机器人,直角坐标机器人,48秒,23秒,搬运机器人,29秒,19秒,装配机器人,注塑机,弯管机,绕线机,高速五轴龙门铣床,龙门式五轴联动混联机床,汽车自动焊接生产线,全弹自动装配生产线,自动搬运车,自动立体仓库,自动化工厂,比人干得更快、更好，极大地提高生产力从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低。,把人从繁重、危险的工作中解放出来矿井掘井、核电站检查、消防救火、无人侦察机、导弹（无人）,基本作用（传统观念）,(3)自动化的作用与重要性,完成人无法完成的工作管道机器人（各种油管、水管）、水下6000米机器人,以倒立摆为例：人只能“顶起”一级倒立摆机器能“顶起”一级、二级、三级、甚至四级倒立摆,一级倒立摆,二级倒立摆,倒立摆录像（32秒）,扩展作用管理、经济、金融过程智能化,自动化在国民经济、国家综合实力中起着举足轻重的作用，并且其作用越来越重要。自动化在人民日常生活中亦将起着举足轻重的作用。,(3)自动化的作用与重要性(续),2.1.2自动化的发展历史,公元前我国的自动计时漏壶,公元132年张衡研制出自动测量地震的候风地动仪,公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车,1788年英国Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器,1913年美国建成最早的汽车装配流水线1926年美国建成第一条汽车自动生产线,现代自动化工厂生产线（国产）,奇瑞、长安汽车冲压生产线,长春汽车焊接生产线,1952年美国MIT研制出第一台数控机床,现代高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）,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,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）,实现了自动化，就完成了工业化目前来说：自动化是工业化的最重要标志（国内从总体来说，已机械化、电气化）,2.1.3自动化在工业化建设中的作用与地位,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：一定要在工业化的基础上,数字化（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）,2.1.4自动化在信息化建设中的作用与地位,实现先进自动化，就完成了（工业）信息化先进自动化是信息化的最重要标志（国内从总体来说，数字化、网络化已有一定规模）,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）数字化（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,自动化与工业化、信息化、知识化的关系,工业化与信息化的关系图,（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,“自动化”快成为“现代化”的代名词了。,设想：,军事更不用说了！,每家每户全部安装自动化设备（包括烧菜，喂饭）难道不算现代化？,工厂里除办公室有人外（无人看门、无人车间）难道不算现代化？,农业自动化了（种、管、收全部由机器人完成）难道不算现代化？,2.1.5自动化在现代化建设中的作用与地位,农业自动化,采松果机器人,挖树根机器人,嫁接机器人,采摘机器人,服务自动化,壁面清洗机器人,擦玻璃机器人,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（455”）医疗机器人脑外科手术（733”）,军事自动化,各种军用机器人,（157”）,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,壁虎（053”）蛇岸上（027”）蛇水中（034”）鱼抢球（034”）鱼过孔（025”）大鱼（026”）真假鱼（020”）,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,双足人形机器人表演,人形机器人握手（103”）人形机器人完成各种动作（135”）人形机器人操作机器（145”）人形机器人表演太极拳（140”）,人形机器人真正像“人”,（103”）,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,第2章自动化与自动化学科、专业,2.2.1自动化科学与技术的定位2.2.2自动化科学与技术的基本内容与核心概念2.2.3自动化科学技术与信息科学技术的关系2.2.4自动化科学与技术的特点,2.2自动化科学与技术,广义科学技术体系结构,2.2.1自动化科学与技术的定位,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。,自动化科学的定位与任务,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），使之能应用于工程实际，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。,自动化技术的定位与任务,相互依存关系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。,自动化与自动化科学技术的关系,指南车原理（开环控制）,方向,车辆转弯,2.2.2自动化科学技术的基本内容与核心概念,控制蒸汽机速度的调速器（给定值控制）,维纳给出的负反馈闭环控制结构图,防空导弹制导（跟踪控制）,1-目标跟踪雷达,2-导弹导引雷达,3-计算机雷达,4-导弹发射架,自动化早已超越古老的研制自动机器替代人类劳动的概念，自动化科学与技术研究的是如何运用各种技术工具延伸人的信息获取、处理和决策控制的功能，来促进能源、材料和环境资源、人力资源等的有效利用，提高生产水平和人类生活质量。当前自动化科学与技术急需研究解决的是如何应用信息去处理高度复杂系统的控制问题，从而具有更大的挑战性和潜在的经济效益。自动化科学与技术的核心是信息、控制与系统，其中控制是核心的核心。,自动化科学与技术的核心概念,2.2.3自动化科学技术与信息科学技术的关系,信息技术的四个组成部分及其信息链,从信息角度看基本自动化设备的组成,自动化科学技术与信息科学技术的联系与区别：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，重点是在信息的控制应用和系统集成上。自动化技术需要以系统的观点综合运用信息技术的各部分，并充分考虑人、环境、对象与工具的相互作用产生的复杂性；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；自动化技术是信息与能量、物质之间的桥梁。,2.2.4自动化科学与技术的特点,自动化科学的特点：数学属性，严密的理论特征；对象特性，鲜明的改造世界的特征；系统与社会属性，系统的复杂性特征；渗透与扩散特性，普遍适用特征。,前三个特点表明，从事自动化科学研究，既要有理论，又要懂对象，更要有系统的观念，三者缺一不可。而第四个特点指出，把自动化科学中的基本原理与方法应用到其他科学、技术与工程中去，是从事自动化科学研究的人员义不容辞的职责。,自动化技术三大特点（作用）：桥梁作用自动化技术是信息与能量、物质之间的桥梁。使能作用一旦应用于具体对象（一台设备、一个系统或一项工程），将使对象发生质的变化（稳定可靠运行、大大提高效率、大大降低能耗成本等）的重要工程应用技术系统集成作用通过“综合”与“集成”，大型复杂系统、过程或工程逐步能被人类有效地控制与管理。随着系统、过程或工程的规模越来越大、越来越复杂，自动化技术的系统集成作用将越来越凸现。,第2章自动化与自动化学科、专业,2.3.1学科与专业的含义与区分2.3.2自动化学科2.3.3自动化专业,2.3自动化学科、专业,学科(Discipline)是现代科学技术的一种分类法，具有明确的定义（含义）。汉语解释:“学科”是“知识或学习的一门分科”；英语解释:“Discipline”是“Abranchofknowledgeorteaching”,由此可知，学科应具有两方面的含义，分别对应着科学技术研究（知识）与科学工程教育（学习与教学）。,2.3.1学科与专业的含义与区分,与“学科”不同，“专业（Specialty）”的意思却很单一，仅用于科学与工程教育分类。汉语解释：“专业”是“高等学校的一个系里或中等专业学校里的学业门类（如这个系有三个专业）”。表明其含义比学科要窄。英语解释：“Specialty”是“Aspecialpursuit,occupation,aptitude,orskill”，比汉语的含义还要窄，并且在英语国家中，往往只用Discipline来对科学与工程教育分类。,专业、学科的含义不同，划分方法有多种，不同层面还有不同理解与划分。一般分为：,社会层面中学教育,本科生层面一般意义上的大学教育,研究生层面研究生教育,容易理解又基本符合研究生教育内涵的学科、专业划分方法,从科学与技术一体化的角度（包含了研究与教学两方面），可勾画自动化学科的结构框架：,2.3.2自动化学科,对研究生学位培养来说，自动化学科的正式名称为“控制科学与工程”学科，属工科门类下的一级学科，如下表：,高等教育有多种分类法。纵向分类法：粗分为：研究生教育和大学教育两个层次；细分为：博士、硕士研究生、本科生和专科生四层次；横向分类法：高等科学教育、高等工程教育等若干大类，授予的学位为理学学士（硕士、博士）学位、工学学士（硕士、博士）学位等。,2.3.3自动化专业,按我国的习惯，自动化专业特指大学教育（包括本科生和专科生两个层次），是自动化高等教育的基础层次。,2.3.3自