自动化概论(第二讲)

1、第2章 自动化教育001本章内容2.1 自动化教育概述2.2 国外自动化教育的现状及发展 2.3 我国自动化教育的发展历程和发展趋2.4 自动化教育的培养目标与定位 2.5 自动化专业的知识结构与课程体系2.6 对美英等国没有自动化专业的分析2.7 中国的自动化教育和科研机构2.8 控制和自动化的关系002塔科马峡谷大桥 建于1940年7月1日003塔科马峡谷大桥 毁于1940年11月7日004一、自动化教育概述自动化教育主要有三种类型：1、面向大学生的课程学习教育；2、面向中、小学生及一般民众的体验认识教育和科普教育；3、针对自动化工程技术人员的继续教育。 大学阶段的学习是目前自动化教育的主

2、体，具体又可分为三种情况：自动化专业，类自动化专业，非自动化类专业。 005大学三种自动化教育的重点1、自动化专业需要全面而系统地学习自动化的相关内容；2、对于类自动化专业，如电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化、测控技术与仪表、过程装备与控制工程、探测制导与控制技术、农业机械化及其自动化等，则主要学习与各自领域密切相关的自动化知识；3、对于非自动化类的很多工科及管理、经济等专业，重点是学习系统、控制和优化的知识； 006自动化教育内涵的变化趋势由于目前很多自动化系统在“数字化”的基础上实现了“网络化”、“智能化”、“管理控制一体化”以及“综合自动化”，因此自动化教育的内涵也随之发生了较

3、大的变化。总的变化趋势是不断拓展专业口径，除了加强“网络控制”、“人工智能”、“智能控制”等内容外，还增加了复杂产品设计过程的自动化、管理与决策过程的自动化、综合自动化等方面的内容，为学生今后的发展创造更大的空间。007二、 国外自动化教育的现状及发展 自动化教育一般有两种模式：专门设置了自动控制或自动化的学科、系及专业；将控制与自动化的内容融入到相关的学科、系及专业中，实行更宽口径的培养。 模式的典型代表有俄罗斯和中国，欧美等国家的部分学校也采用了第一种模式，但大部分学校实行的是模式。008 在很多国家的大学中，尽管有的设置了自动化领域的本科专业，有的没有，但在研究生教育方面，普遍都独立设置

4、有自动化领域的硕士和博士培养计划。009国外自动化教育的主流模式目前越来越多的学校采用第2种模式，也就是将自动化教育融入到的更宽口径的学科和专业中，通常是放在“电气工程”、“电气工程与计算机”、“电气与电子工程”这一类系和专业中。这实际上反应了目前大学教育一个总的发展趋势，即专业面越来越宽，专业界限越来越淡化，学科的交叉综合越来越明显，本科阶段的人才培养越来越“通才化”。010虽然欧美的大部分学校没有专门设置自动化专业，但这些学校的电气、电子、计算机、机械、化工、航空等很多学科和专业都包含了自动化和自动控制的内容，同时还面向全校的大部分专业开设自动化基本原理和方法的入门课程。例如，美国斯坦福大

5、学（Stanford University）的电气工程系面向全校开设有很多自动化的课程，既有入门性课程，也有前沿领域和最新研究动向的课程，范围几乎涵盖了自动化的所有领域。011斯坦福大学电气工程系开出的自动化课程举例 Signal Processing and Linear Systems（信号处理与线性系统）Feedback Control Design（反馈控制设计）Introduction to Control Design Techniques（控制设计技术概论）Control System Design and Simulation（控制系统设计与仿真）Optimal Control

6、 and Hybrid Systems（最优控制与混杂系统）Modern Control Design（现代控制设计）012Analysis and Control of Nonlinear Systems（非线性系统的分析与控制）Introduction to Linear Dynamical Systems（线性动态系统概论）Embedded System Design Laboratory（嵌入式系统设计实验）Introduction to Computer Networks（计算机网络概论）Introduction to Communication Systems（通信系统概论）013

7、Introduction to Digital Image Processing（数字图象处理概论）Advanced Topics in Computation for Control（关于控制计算的前沿话题）Introduction to Computer Vision（计算机视觉概论）Mathematical Methods for Robotics, Vision and Graphics（机器人、视觉和图像的数学方法） 014Digital Processing of Speech Signals（语音信号的数字处理）Digital Video Processing（数字视觉处理）Ar

8、tificial Intelligence: Principles & Techniques（人工智能：原理和方法）Probabilistic Models in Artificial Intelligence（人工智能中的概率模型）Machine Learning（机器学习）Information Theory（信息理论）Adaptive Signal Processing（自适应信号处理）015Adaptive Neural Networks（自适应神经网络）Global Positioning Systems（全球定位系统）Radar Remote Sensing（雷达遥感）Mobile

9、 and Wireless Networks and Applications（移动无线网络及其应用）Wireless Sensor Networks Concepts and Implementation（无线传感网络的概念及实现）Internet Routing Protocols and Standards（互联网路由协议和标准）Dynamic Programming and Stochastic Control（动态规划与随机控制）016Approximate Dynamic Programming（近似动态规划）Convex Optimization with Engineering

10、 Applications（凸优化方法及其工程应用）Stochastic Decision Models（随机决策模型）Business Management for Electrical Engineers and Computer Scientists（针对电气工程师和计算机专家的经营管理）017国外自动化教育的改革动态具有自动化背景的工程技术人员在工程项目中常常扮演“系统集成者”的角色，对项目的成败至关重要，因此很多国家的自动化教育不断加强管理方面的课程，培养交流、沟通、合作及协调的意识与能力，提高决策水平及决策能力。自动化教育虽然涉及众多领域，但普遍认为，应将广泛了解和深入学习其中一个

11、领域相结合，或者讲“通才”与适当的“专才”相结合。只有这样，才能将所学的知识融会贯通，深入理解相互的关系和联系。018作为自动化核心的反馈控制，已经扩展到了工科以外的很多专业，因为反馈控制的原理和方法对所有的科技工作者和大部分管理人员都是必需的。 为了使更多的人对自动化产生兴趣，很多国家都在大力加强自动化的科普教育，例如，广泛宣传自动化所取得的各种成就、针对不同层次的人群编写引人入胜的科普书籍、在中学教材中适当地引入一些自动化的内容、在科技馆中设置与自动化相关的互动和演示装置、举办各种科技竞赛等。019三、我国自动化教育的发展历程和发展趋势 20世纪40年代，我国的一些大学就开设了自动控制方面

12、的课程，但设置自动化类的专业则是20世纪50年代才开始的。起步阶段主要是借鉴了前苏联的培养模式和课程设置，专业面比较窄，专业划分比较细，自动化对应不止一个专业，并要求学生专业对口，招生和分配都有严格的计划，学生毕业后绝大多数都能“专业对口”。020自动化本科专业的演变前身是“工业企业电气化”和“自动控制”专业，分别组建于1952年和1956年；前者在60年代改为“工业电气化及自动化”，后又改为“工业电气自动化”，同时还衍生出“生产过程自动化”、“检测技术与自动化仪表”等多个专业。到了80年代，为了拓宽专业口径，各高校将原有的多个自动化类专业合并为“工业自动化” 和“自动控制“，1998年又进一

13、步合并宽口径的“自动化”专业，一直延续至今。 021自动化学科研究生教育的演变20世纪50年代，举办过一些自动化专业的研究生班，并派遣了学生和教师去前苏联学习或攻读研究生学位，但规模都不大。20世纪6070年代的“文化大革命”期间，研究生教育处于完全停滞状态。从1978年开始，一批重点大学开始招收自动化学科的研究生，在首次颁布的专业目录中，一级学科为“自动控制”，其下设有5个二级学科，分别为：自动控制理论及应用、工业自动化、自动化仪表及装置、系统工程、模式识别与智能控制。0221997年重新修订了研究生的学科专业目录，一级学科名称改为“控制科学与工程”，由5个二级学科组成，分别是：控制理论与控

14、制工程、检测技术与自动化装置、系统工程、模式识别与智能系统、导航、制导与控制。与自动化相关的研究生专业还有： 运筹学与控制论 系统分析与集成 机械制造及其自动化 电力系统及其自动化 农业电气化与自动化等。023研究生教育的特点专业划分比较细，不再是“通才教育” ，硕士研究生属于“通才”和“专才”教育相结合，博士研究生则偏重于“专才教育”。硕士阶段是课程学习与研究并重，研究要求达到一定深度，并培养较强的独立研究能力；博士阶段则主要培养研究能力，要求研究有相当深度，毕业后通常就成为某个领域的专家。硕士毕业后仍具有较强的“可塑性”，就业选择面较宽，而博士则通常会“专业对口”。024自动化教育的专业结

15、构和规模025026我国一千多所普通高校中，全日制本科院校有600多所，其中有240余所设有4年制本科“自动化”专业，每年招收3万余人的自动化专业本科生，在校生规模达12万多人；另外还有460余所专科院校设有专科自动化专业，每年招生约1万余人，在校生规模为3万多人；在设有“自动化”本科专业的240余所高校中，有 140 余所可以培养自动化学科的硕士或博士研究生；027从层次结构上看，拥有“控制科学与工程”一级学科所属二级学科硕士点、但没有博士点的高校共100余所；有相应博士点的高校40余所，其中拥有一级学科博士学位授予权的单位目前共13个（“一级学科授予权”指一级学科下的所有二级学科专业都可以

16、招生、培养和授位）；研究生的办学规模近十年增长较快，目前已达到每年招收约 9 千人的自动化学科研究生，在校生规模达 2 万多人。028四、自动化教育的培养目标与定位培养目标分政治培养目标和业务培养目标。政治培养目标主要指思想品德方面，各个学校大同小异。下面主要介绍业务培养目标，综合了很多学校的情况，并参照了普通高等学校本科专业目录和专业介绍、授予博士硕士学位和培养研究生的学科专业简介、自动化学科专业发展战略研究报告等。029本科自动化专业的业务培养目标使学生具备电工电子、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识，能在运动

17、控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发等方面的工作。030(1)会不会去做 是否在科学技术上掌握了必需的知识和技能，能解决工程中遇到的难题。(2)可不可以做 是否掌握了足够的法律知识和良好的道德观，能在政策法规和社会公德允许的条件下开展工作。031(3)值不值得做 是否具备了科学的判断和决策能力，能在人、财、物和时空约束下经济合理地完成任务。(4)应不应该做 是否拥有了优良的前瞻和预测未来的能力，能自觉地考虑生态可行性和工程持续性等。本科自动化专业毕业生应具备的知识和能力在通识教育和综合素质方面

18、，应具备坚实的数学、物理等自然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合应用能力；在专业基础方面，应掌握电路理论、电子技术、控制理论、信息处理、计算机软硬件基础及应用等；在专业知识方面，应掌握运动控制、工业过程控制、自动化仪器仪表、电力电子技术、信息传输与处理等方面的知识和技能，完成系统分析、设计及开发方面的工程实践训练，并对本专业的学科前沿、发展动态和发展趋势有所了解；在专业应用及综合能力方面，应具备一定的本专业领域内从事科学研究、科技开发和组织管理的能力，并有较强的工作适应能力。032自动化学科博士研究生的业务培养目标具备自动化学科领域坚实的理论基础和系统的专门知识，了解学科领域的国内外发

19、展方向、最新研究成果及研究动态；具有很强的独立从事科学研究工作的能力，并在某一前沿领域和研究方向上开拓创新，做出创造性的成果； 熟练掌握一门外国语，能阅读本学科的外文资料和撰写科研论文，并具有一定的国际交流的能力。注：硕士研究生的业务培养目标与博士生并没有本质区别，只是各方面的标准都要低一些。033自动化教育的培养定位研究生的培养定位是高层次的研究型科技人才，主要从事高水平的自动化研究、技术开发和工程应用；本科生则可笼统地定位为高级工程技术人才；专科生则定位为技术技能型人才；本、专科的定位还可细分为四种类型：研究主导型、研究应用型、应用主导型、技术技能型。 034五、自动化专业的知识结构与课程

20、体系自动化专业对数学、物理、电子技术、计算机、信息处理等基础知识有很高的要求，着重培养传感器与信号检测、网络与通信、系统辨识与建模、控制系统分析与设计、系统综合优化等方面的专业知识与技能，同时通过大量的实验和实践环节培养学生的实际动手能力。本科自动化专业的知识结构和课程体系由综合教育、公共基础、专业基础、专业核心和专业拓展五大部份构成。035（1）综合教育这一部分属于通识教育，涉及人文社会科学、经济与管理、环境科学、生命科学等很多学科；课程类别有政治理论、军事理论、道德修养、法律基础、管理基础、经济基础、环境保护与可持续发展、中华文化、中外历史、音乐欣赏、体育知识等； 通常政治理论、军事理论、

21、道德修养等少部分课程属于必修，更多的课程属于选修。036（2）公共基础这一部分也属于通识教育，涉及自然科学、计算机信息技术、外语、体育等知识领域；必修课程包括高等数学、大学物理、英语、体育、计算机应用基础、高级程序设计语言等；选修课程有化学、生物等。 037（3）专业基础 工程数学基础：线性代数，复变函数与积分变换，概率与数理统计，随机过程等；电工电子基础：电路原理，模拟电子技术，数字电子技术，电机与拖动基础等；计算机基础：微机原理与接口技术，计算机软件基础，数据结构与数据库等；信号处理基础：信号与系统，数字信号处理等；工程基础：工程制图。038（4）专业核心 控制理论：自动控制原理，现代控制

22、理论，控制系统的建模与仿真；控制技术与系统：计算机控制技术，运动控制系统，过程控制系统；自动化相关技术：传感器与检测技术，电力电子技术，计算机网络与通信等；该部分的课程一般都是必修，但“控制系统的建模与仿真”和“计算机网络与通信”有些学校列为选修。039（5）专业拓展控制与优化类：智能控制，自适应控制，最优化方法，最优控制，系统辨识，非线性控制理论，先进控制理论与方法等；网络控制类：集散控制系统（DCS），计算机集成制造系统（CIMS），现场总线控制技术等；计算机应用与信息处理类：单片机原理及应用，可编程控制器（PLC），嵌入式系统，DSP原理及应用，智能仪器仪表，操作系统，软件工程，数字图象

23、处理，多传感器信息融合，数据挖掘，电子商务，网络安全，多媒体技术等； 其他：机器人导论，人工智能，系统工程，自动检测技术，管理信息系统，楼宇自动化等。040041六、对美英等国没有自动化专业的分析1998年，教育部公布“普通高等学校本科专业目录”（强制执行）专业总数由504种减少为249种。“自动化”专业由原“工业自动化”与“自动控制”专业合并。同时，教育部公布“工科本科引导性专业目录”（非强制执行）”自动化“专业被一分为二，部分合并到”电气工程与自动化“专业，部分合并到”信息工程“专业。0421、目前国际主流教育体制中没有自动化专业以英美为代表的教育体制经多次教育改革逐渐淡化了专业。没有自动

24、化专业。有关控制与自动化的科研与教学分散在相关的应用数学系及电气电子、机械、化工等系。我国的自动化专业难以与国际接轨。0432、我国的自动化专业是”四不象“专业自动化专业的面过宽，但不专。控制理论功底不如应用数学专业，计算机能力比不上计算机专业，机械、电力、化工知识没有机械、电气、化工专业扎实。0443、关于美英等国没有自动化专业的原因分析美英为代表的教育体制，一直是”通才“教育、宽口径专业。随着工业化的完成，到20世纪初，已经形成比较系统并基本沿用至今的工科教育体系行业性的专业设置，如机械系、化工系、电气电子系等。基本包容了自动化专业。0454、关于自动化专业”四不象“的原因分析原因自动化学

25、科是一门多学科交叉的高技术学科。一门学科越是与其他学科交叉多、综合性强，就越可能具有”四不象“的特点。5、美国最近对自动化（控制）教育的反省。0461950年在上海交通大学为电机系本科生和研究生开设“伺服机构原理”课程。1953年在高等院校电机（力）系开始逐步设置了“工业企业电气化”专业(自动化专业的前身)。该专业的课程设置中有“自动调节理论”课程，即现在的“自动控制理论”课程。当时类似课程在电类其他专业的教学计划中也都设置了。七、中国的自动化教育和科研机构047如在“发电”专业中设置有“电力系统自动化”课程以及“电力系统远动学”(即远距离测量和控制学)。1956年起，在高等院校逐步建立自动控

26、制专业。1956年开始，中国政府制定并执行科学技术发展的12年规划(19561967)，其中对自动控制和自动化的发展给予了高度重视。1957年中国科学院成立了自动化研究所，20世纪60年代中叶又成立了中国科学院沈阳自动化研究所。048国务院有的部、委都建立自己的自动化研究机构。机械电子工业部所属北京机械工业自动化研究所。冶金工业部所属冶金自动化研究所。机械电子工业部直属天津电气传动设计研究所。上海和重庆工业自动化仪表研究所。1979年成立了中国科学院系统科学研究所。控制论专家钱学森、张钟俊、钟士模和关肇直。八、控制和自动化的关系049自动化和控制自动化科学和控制科学自动化技术和控制技术各自的内

27、涵虽密切相关但不完全相同自动化科学与技术学科控制科学与技术学科控制科学与自动化技术学科未形成统一意见0501、自动化和控制概念的内涵自动化的含义为：指设备、过程或系统的自动运行或自动控制；用于实现自动运行或自动控制的技术或设备；被自动控制或自动操作的状态。自动化与“设备、过程或系统等具体物理对象”的“自动”运行密切相关，脱离了具体物理对象谈自动化是毫无意义的。051控制，既是名词、也是动词。作为动词，控制是人们为实现所要达到的目标而采用的方法与手段，因而可以脱离具体物理对象而去研究控制。作为名词，控制同样要与具体对象相联系。物理对象：设备控制、人口控制。抽象对象：物价控制、权利控制。052控制的应用范围要比自动化广得多，但控制概念本身的含义却要比自动化窄的多。自动化是与整个物理对象密切相关的具体实现，形成自动化设备、系统等，而控制只是自动化实现中的核心部分之一。自动化是多个概念交叉、融合的产物，而控制却不是。0532、自动化和控制概念的外延从控制科学开始延伸，控