自动化学科发展

1、自动化学科发展自动化学科发展 报报 告告 内内 容容一引子一引子 急需回答的问题急需回答的问题二对自动化的认识二对自动化的认识 发展自动化的重要性发展自动化的重要性三对自动化学科的认识三对自动化学科的认识 发展自动化学科的重要性发展自动化学科的重要性 四对自动化专业的认识四对自动化专业的认识 发展自动化专业的重要性发展自动化专业的重要性自动化学科发展一引子一引子 有一系列难回答，但急需回答的问题！有一系列难回答，但急需回答的问题！ 1 1）关于自动化）关于自动化自动化的确切含义？自动化的确切含义？在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？自动化的发展前景？自动

2、化的发展前景？自动化学科发展一引子一引子急需回答的问题：急需回答的问题： 2 2）关于自动化学科）关于自动化学科自动化学科的地位？自动化学科的地位？自动化学科与信息学科的关系，自动化学科与信息学科的关系，是包容、还是相对独立？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？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？过去很清楚，现在说不清了？自动化学科的发展方向？自动化学科的发展方向？自动化学科发展一引子一引子 急需回答的问题：急需回答的问题： 3 3）关于自动化专业）关于自动化专业自动化专业与信息类其他专业的关系自动化专业与信息类其他专业的关系? ? 人才的通用性如何

3、？人才的通用性如何？我国的自动化专业特色在哪？我国的自动化专业特色在哪？ 发展前景如何？发展前景如何？ 自动化学科发展 二二 对自动化的认识对自动化的认识自动化学科发展 自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程），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。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自动化涉及的范围极其广阔: : 从深度来看从深度来看以工业生产为例，小到一个普通的设备以工业生产

4、为例，小到一个普通的设备 电电机，大到企业的整个加工、制造系统乃至企业的整个生产过程；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； 从广度来看从广度来看涉及第二产业涉及第二产业 工业自动化、第一产业工业自动化、第一产业 农农业自动化、第三产业业自动化、第三产业 服务自动化（如办公自动化、楼宇自动化、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

5、生产过程、管理过（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。程、决策过程等等。自动化的含义自动化的含义自动化学科发展 自动化的魅力自动化的魅力 自动化设备能克服人的局限性自动化设备能克服人的局限性生理阈值，完成人无法生理阈值，完成人无法完成的工作，如：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；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

6、用高精尖的自动化设备；集成电路的制作必须采用高精尖的自动化设备； 人的人的“庞大庞大”的躯体，无法在窄小空间中作业，从而各的躯体，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。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须采用各种自动化设备或机器人自动化学科发展 自动化和自动化学科的关系自动化和自动化学科的关系相互依存相互依存自动化科学与技术是自动化的自动化科学与技术是自动化的源泉与基础源泉与基础 其其物化物化是自动化设备与系统是自

7、动化设备与系统 其其应用应用包括自动化设计、自动化制造包括自动化设计、自动化制造 自动化工程、自动化管理自动化工程、自动化管理 自动化决策、自动化运行等自动化决策、自动化运行等 自动化（应用）自动化（应用） 是自动化科学与技术的是自动化科学与技术的用武之地用武之地； 是自动化专业毕业生的主要是自动化专业毕业生的主要用武之地用武之地。自动化学科发展机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）自动化自动化（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）工业化工业化信息化信息化知识化知识化社 会 总 发 展自

8、动化的位置自动化学科发展 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） 自动化自动化（加入自动控制器） 实现自动化，就完成工业化实现自动化，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）（国内总体来说，已机械化、电气化）自动化学科发展 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） 先进自动化先

9、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）（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）自动化学科发展机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）自动化自动化（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）工业化工业化信息化信息化知识化知识化社 会 总 发 展自动化学科发展自动化学科发展（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

10、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学科发展三对三对自动化科学与技术学科的认识自动化学科发展广义科学技术体系结构 自动化学科发展自动化科学的自动化科学的定位与任务定位与任务 一门技术科学技术科学、一门应用基础科学应用基础科学 研究的基本任务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普遍性或共性的新的控制原理和新的系统方法的研究原理和新的系统方法的研究，使其在实际控制工程

11、和自动化技术中发挥创新的作用。 自动化学科发展自动化技术的自动化技术的定位与任务定位与任务 一门工程应用技术工程应用技术 研发的基本任务基本任务： 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将自动化科学的研究成果迅速转换为生产力迅速转换为生产力； 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，为自动化科学研为自动化科学研究提供新的研究对象究提供新的研究对象。 自动化学科发展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？自动化学科发展传统的自动化传统的自动化给定值、跟踪控制问

12、题给定值、跟踪控制问题 输入液流H1QoQi控制阀节流阀输出液流节流阀Q1H2自动化学科发展传统的自动化传统的自动化闭环控制手段闭环控制手段转速调节器电流调节器触发及整流装置直流电动机电流测量变换测速发电机电枢电流+_减速器位置调节器光电编码器+_给定角位移角位移自动化学科发展传统意义上，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。 自动化学科发展 自动化科学与技术的发展发展

13、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。”自动化学科发展自动化科学与技术的发展发展 最初处理系统的物理特性物理特性， 基础自动化基础自动化，物质、能量物质、能量 当前处理系统的复杂性复杂性， 先进自动化先进自动化，主要是信息信息 焦点和难点在哪？挑战在哪？自动化学科发展基本挑战1 通常难以建立系统的精确数学模型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、

14、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。 自动化学科发展SONYHondaAIST人形机器人人形机器人自动化学科发展DimensionsHeight1,540 mmWidth600 mmDepth340 mmWeight inc. batteries58 kgD.O.F.Total 30 D.O.F.Head2 D.O.F.Arm2 Arms 6 D.O.F.Hand2 Hands 1 D.O.F.Waist2 D.O.F.Leg2 Legs 6 D.O.F.Walking Speedup to 2.0 km/hHumanoid

15、Robot: HRP-2 AIST & Kawata自动化学科发展人形机器人如何建模?（103”）自动化学科发展基本挑战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自动化学科发展传统数学模型-微分方程模型ACDxx+ Buyxu,xf x uyh x u线性 非线性自动化学科发展复杂电力大系统复杂电力大系统复杂结构、地域分布广阔、网络结构自动化学科发展整个电力系统整个电力系统可被描述为： 0, 2 , 10, 2 , 1,21Niiiiiiiiivvv

16、zNivwxgNiuwxfx 元件微分方程元件接口方程网络方程自动化学科发展复杂电力大系统完整的、结构化的非线性模型非线性模型自动化学科发展元件与系统其余部分关系示意图 自动化学科发展iiiiiiiiiiiiivxhyvwxgwuxfx,0,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 自动化学科发展进一步挑战 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

17、但对控制，对计算机网、通讯网的安全同样重要。自动化学科发展复杂系统分类： 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。自动化学科发展电力系统的三级递阶控制结构电力系统的三级递阶控制结构自动化学科发展计算机集成制造系统的五级递阶控制结构自动化学科发

18、展通过Internet 主从式控制系统结构自动化学科发展未来的无人化工厂自动化学科发展检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线 自动化学科发展总结：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。 自动化学科发展 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

19、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。自动化学科发展手工时代手工时代 机器时代机器时代 自动化时代自动化时代 信息时代信息时代 （数字化时代）（数字化时代） 下一个时代？下一个时代？机器人时代！机器人时代！时时 代代 的的 变变 迁迁自动化学科发展农业

20、社会农业社会工业社会工业社会 工业机器人工业机器人服务型社会服务型社会服务机器人服务机器人社会的变迁社会的变迁机器人的变化机器人的变化自动化学科发展技术发展技术发展从从 IT IT 到到 RTRT RTRobotics Technology 机器人技术机器人技术 感知Sensing 规划Processing ,Thinking 动作Action 交互Inter-Communication IT-based RT下一代发展方向自动化学科发展“个人装备个人装备”发展发展从从 PC PC 到到 PRPRPRPersonnel Robot 个人机器人个人机器人 Internet 从传递文字、画面、声音

21、、图像 到传递动作Action自动化学科发展个人机器人个人机器人PR PR 何时走入家庭？何时走入家庭？ 个人机器人个人机器人Personnel Robot 通过通过Internet传递行动传递行动Action 一个发展的过程！一个发展的过程！预计：预计： 目前：人手一台目前：人手一台PC 2020年：人手一台年：人手一台PR个人机器人PR将引领生活！自动化学科发展计算机（计算机（Computer） 电脑电脑 希望计算机能像人脑一样聪明。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但计算机发展的辉煌成就

22、是有目共睹的 20多年前，当多年前，当IBM推出个人计算机推出个人计算机PC时，无论时，无论是是IBM公司本身还是公司本身还是IT行业大胆的预言家，都未想到行业大胆的预言家，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。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计算机、手机与机器人的对比手机（Mobile-phone）自动化学科发展 人类对机器人寄予了无限的希望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今天最先进的机器人，其智力相当于一个婴儿 但机器

23、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 机器人机器人自动化学科发展 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!自动化学科发展 控制界的摩尔定律-10年间隔Relay Logic; Electronic Logic PC 以太网无线通讯-蓝牙, Zigbee自动化学科发展 三 对自动化学科的认识（续） 自动化学科与信息学科的关系自动化学科发展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

24、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。自动化学科发展自动化技术涉及到信息技术的全部自动化学科发展注意两点：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。 自动化学科发展 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

25、动化专业与其他相关专业的关系 * 自动化专业的发展前景。自动化学科发展 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。自动化学科发展基本的负反馈闭环控制结构 自动化学科发展自动化学科发展+信信息息控控制制物物质质对对象象信信息息应应用用信信息息获获取取信信息息处处理理信信息息传传输输 - -自动化学科发展自动化学科发展自动化学科发展自动化专业的知识体系 由三层知识构成，包括十个知识

26、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、对象与建模控制与智能、对象与建模 系统与工程系统与工程等三个知识域等三个知识域 也是自动化专业与其它专业的最大区别。自动化学科发展四 对自动化专业的认识（续） 自动化专业的特点自动化学科发展自动化学科的特点 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自动化学科发展自动化专

27、业的特点自动化专业的特点从培养学生角度从培养学生角度 ：1）多学科交叉、内涵丰富、外延宽广。利于培）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；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）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；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）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

28、培养系统问题的能力。有利于培养“将才将才”与与“帅才帅才”。自动化学科发展自动化专业的特点从专业发展角度从专业发展角度： 符合厚基础、宽口径厚基础、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。 自动化学科发展四 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到底有哪些联系与区别? ? 自动化学科发展 自动化专业与计算机类专

29、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。 自动化学科发展 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

30、形成的复杂系统问题更是自动化学科研究面临的挑战。 自动化学科发展 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。”自动化学科发展基本负反馈控制基本负反馈控制控制器控制器对 象对 象执行器执行器传感器传感器信号处理信号处理D/AD/AA/DA/D - -+操作指令噪声外部干扰噪声输出计算机软件中心论计算机软件中心论控制中心论控制中心论自动化学科发展 自动化专业与计算机类专业的联系与区别

31、(续) 计算机专业人才学习重点熟悉计算机计算机专业人才学习重点熟悉计算机(学习重点学习重点) ，也懂自动化（但其出发点与角度不一样，深度不够，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系统的硬、软件开发与集成工作。 自动化专业人才熟悉自动化自动化专业人才熟悉自动化(学习重点学习重点) ，也懂计，也懂计算机（但深度不够）算机（但深度不够）。自动化专业人才也能从事计算机的研发工作，但往往只能从事应用软件、算法方面的研发工作，难以胜任计算机硬件与系统软件的开发与集成工作。自动化学科发展自动化专业与信息

32、类专业的联系与区别 电子信息工程专业重点是应用微电子技术，研究各种信号的处理信息处理； 通信工程专业重点是研究信息传输； 电子科学与技术专业重点是研究微电子科学与技术，而微电子技术是信息技术的主要基础，常被称为信息基础技术。 自动化技术涉及到信息技术中信息获取、信息传输、信息处理与信息应用四部分的全部，重点是在信息的控制应用和系统集成上 自动化专业与这三个专业中的交叉是很少。 换言之，自动化专业人才与这三个专业人才的“通用性”远低于自动化专业人才与计算机专业人才之间的“通用性”。 自动化学科发展自动化专业与工程类专业的联系与区别 不同工程类的专业纷纷以自动化作为其专业内容的一部分. 作为源头的自动化专业，又如何与他们区分呢？ 分属不同工程类的四个专业，可划分为两类： 电气类：包括电气工程及其自动化专业 农业电气化与自动化专业； 机械类：包括机械设计制造及其自动化专业 农业机械化及其自