电气工程及其自动化 学科概论

学科概论教学内容自动化专业简介自动化学科概论自动化专业教学计划自动化专业学习资源研究生专业及入学考试课程作业专业简介08学科门类：工学电气信息类(0806)电气工程及其自动化 080601自动化 080602电子信息工程 080603通信工程 080604计算机科学与技术 080605电子科学与技术 080606生物医学工程 080607

自动化的定义所谓自动化（Automation）就是通过由各类电子装置（包括计算机）、自动机构等技术装置所组成的系统，按照一定的规律去完成过去依靠人类的体力劳动和脑力劳动才能完成的各种信息处理、管理决策、产品设计、生产加工、质量控制等各项预定目标，从而减轻人的劳动，提高工作效率和产品的质量。专业简介本专业培养的学生要具备电工技术、电子技术、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、科技开发及研究等方面工作的高级工程技术人才。

专业简介毕业生应获得以下几方面的知识和能力：①

具有较扎实的自然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合能力；②

掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知识，主要包括电路理论、电子技术、控制理论、信息处理、计算机软硬件基础及应用等；专业简介③较好地掌握运动控制、工业过程控制及自动化仪表、电力电子技术及信息处理等方面的知识，具有本专业领域1-2个专业方向的专业知识和技能，了解本专业学科前沿和发展趋势；④获得较好的系统分析、系统设计及系统开发方面的工程实践训练；⑤在本专业领域内具备一定的科学研究、科技开发和组织管理能力，具有较强的工作适应能力。自动化技术在社会发展中的地位和作用

自动化技术的产生及其发展

控制系统的组成、分类和性能评价自动化系统是一种信息处理系统自动化与系统工程自动化的发展趋势人类社会已进入信息时代，自动化已走进现代社会生活、生产、国防和科研活动的各个方面。技术的应用领域家庭：洗衣机、电冰箱、空调、自动烟雾报警、自动电梯、声控灯光银行：自动取款机商店：自动售货机、自动门交通：智能交通管理、车内的自动防撞系统、电子地图和卫星定位系统、飞机上的自动驾驶系统技术的应用领域建筑：智能建筑农业：农用温室、现代化粮库工业：机械制造、电子、钢铁、石化、电力、轻工、制药国防：舰艇、导弹发射、卫星和载人飞船的控制科学研究：如低温超导、高能加速器、核反应堆等需要一定的环境和条件作保证，许多科研数据需要采集和处理自动化是现代社会管理、生产和国防发展的需要。一个现代化的社会离不开自动化，这是由现代社会的高生产力水平所决定的。自动化技术的发展推动了社会管理、生产和国防的现代化。可以说，没有自动化就没有现代化。楼宇自动化系统：楼宇设备监控系统、安全防范子系统、火灾自动报警子系统通信自动化系统：办公自动化系统：3A

全自动柔性喷涂机器人巡航导弹的制导系统由全球卫星定位系统接收装置、惯性导航系统、数字化地图及取景相机组成。而采用新型的景象匹配制导方式将会使导弹的攻击精确度进一步提高。我国古代发明和使用过一些简单的自动装置：自动计时的‘铜壶滴漏’装置、计里鼓车、指南车等具有重大意义的一种比较典型的自动装置：瓦特（JamesWatt）在1787年发明的安装在蒸汽机上的离心式调节器。蒸汽机转速离心式调速器三、四十年代，出现半自动的流水生产线，使得工业生产开始出现了‘自动化’的萌芽。如美国福特汽车公司研制成功了用于汽车发动机生产的自动装置，并设立‘自动化’部门。1948年《美国机械师》杂志第一次使用‘自动化’这个术语来介绍福特汽车公司的研究成果自动化的优势随着电子技术和计算机技术的发展，自动化技术的水平也愈来愈高。高水平自动化系统的主要标志是不仅可以部分或全部代替人的体力劳动，而且可以部分代替人的脑力劳动，即具有智能功能。自动化的优势自动化装置和系统还可以完成人类依靠自身的体力和脑力无法直接完成的任务，如核辐射、特高温等危险场合的作业、海底作业、潜艇的航行、导弹的发射和弹道的控制、卫星运行中的控制等。从这个意义上来说，自动化装置和系统不仅作为人手功能而且作为人脑功能的延长。自动化技术是一门综合技术，它是自动控制技术、信号处理技术、系统技术和计算机技术的综合。自动控制系统的组成、分类和性能评价自动控制系统（AutomaticControlSystem）的组成自动控制系统的分类1.自动控制系统的组成一个简单的自动控制系统由4个基本部分组成被控制对象ControlledObject传感器Sensor（变送器Transmitter）控制器Controller执行器Actuator（执行机构）被控制对象被控制对象（ControlledObject）是控制系统的工作对象。控制就是控制器对被控制对象施加一种控制作用，以达到人们所预期的目标。如一个温度需要加以控制的房间就是一个被控制对象，温度控制器根据实际室温与设定的室温之间的差，产生控制作用，增大或减小制冷量，使房间的温度达到所期望的室温。被控制对象五花八门，从简单的的温度、湿度控制到复杂工业过程控制；从民用工业过程的控制到导弹、卫星和飞船的发射及运行控制；从技术过程到社会、经济、环境和生物过程等。但从控制的角度看，被控制对象在运动过程中所表现出来的动态行为（DynamicalBehavior）（也称对象特性）有相似之处，可以用共同形式的数学模型加以描述，这就是被控制对象的动态数学模型（MathematicalModel）。被控制对象的数学模型是控制系统设计的主要依据，这就是为什么控制科学可以广泛地用于各种不同领域，不管是技术过程还是社会、经济和生物过程等。被控制对象建立被控制对象的动态数学模型，实际上就是要找出被控制对象的输出与输入之间的动态关系，即输入与输出之间的因果关系。建立被控制对象的动态数学模型的方法很多，依据不同的分类方法，可分为：机理的方法（MechanismBased）：依据被控制对象内在的机理，运用各种物理、化学、社会和经济规律建立模型的方法；被控制对象辩识方法（Identification)：不管内在的机理如何，仅依据动态过程中被控制对象的输出和输入数据，经过一定的数据处理，并采用特定的算法建立数学模型的方法。这种方法又称‘黑箱’(BlackBox)方法。这种方法的理论基础--系统辩识理论已经成为控制理论的一个重要分支。被控制对象由于实际被控制对象的复杂性，如：非线性、时变性、分布参数、系统内部相互耦合等，以及各种干扰的存在，获得各种不同被控制对象的动态数学模型是一件复杂而繁重的任务，是控制工作者的重要研究课题。对具体的控制要求用被控制量(ControlledVariable)来描述。被控制量可以是一个，也可以是多个。如对房间的控制要求可以只是温度，也可以是温度、湿度、气压和二氧化碳含量。为使被控制量达到预定目标所要改变的参量称为操作量(ManipulatedVariable)。被控制量不同，所采用的操作量也不同，如通过加热或制冷来控制温度，通过加湿或干燥来控制房间的湿度等。在前述蒸汽机离心式调速器的例子中，蒸汽机是被控制对象，蒸汽机的转速是被控制量，蒸汽量是操作量。传感器（Sensor）是技术过程和生物过程的控制系统获得反馈信号所必不可少的。如果把人体看成一个被控制对象的话，控制人体去从事一切有目的活动的是许多复杂的控制系统，而人的眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等就是传感器。技术过程使用的传感器将各种物理量、化学量、生物量转换成易于处理和使用的弱电信号，如热电偶将温度转换成毫伏，压电晶体将压力转换成微弱电信号等。常用的被检测量热工量：温度、压力、流量、液位等；机械量：长度、厚度、位置、速度、加速度、角度、角加速度等；电工量：电压、电流、电功率、电频率等化工量：组份、PH值、糖化率等；生物量：白血球数、红血球数等。变送器(Transmitter)不仅将热工量、机械量电工量、化工量等转换成微弱电信号，且进行必要的信号处理、工程量转换和仪表化，使之成为能适应各种工程环境和要求的仪表。变送器的核心是传感器研究新的传感器技术、设计出体积小、转换快、精度高、性能稳定可靠的传感器是自动化工作者的重要任务之一。控制器(Controller)的作用是接受传感器（变送器）来的测量信号，并与被控制量的设定值（SetPoint）进行比较，得到实际测量值与设定值的偏差，然后根据偏差信号的大小、变化率和被控制对象的动态特性，经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确地到达所预定的目标值。控制规律(ControlLaw)是自动化系统功能的主要体现。最普遍的是比例-微分-积分控制（ProportionalplusIntegralplusDerivativeControl--PID）。执行器(Actuator)（也称执行机构）执行自动化系统的大脑——控制器所输出的控制作用，是自动化系统的手和脚。执行器（执行机构）可以是电动机、阀门或由它们所组成的复杂的电子－机械装置。2.控制系统的分类1）开环和闭环控制系统开环控制系统（OpenLoopControlSystem）系统的输出与其输入按一定比例改变以趋于预定目标值，系统的输出不反馈到输入端来例：一艘驾驶系统是一个开环控制系统的轮船要通过一个两面都有暗礁的海峡闭环控制系统(ClosedLoopControlSystem)闭环控制系统也称反馈控制系统（FeedbackControlSystem）例：一艘驾驶系统是一个闭环控制系统的轮船通过一个两面都有暗礁的海峡自动化系统是一种信息处理系统

控制过程是一个信号检测、变换、处理和传递的过程

数学模型的辩识过程本身也是一个信号处理的过程

在自动化系统中，被控制量的测量信号常常受到各种外界噪声信号的干扰，为了去除噪声，还其真实信号的本来面目，这就需要用滤波理论、估计理论等进行信号处理，如雷达信号处理等

自动化系统是一种信息处理系统在一些自动化系统中，有些特征量的获取不是用一般的传感器所能完成的，如银行、刑侦和一些重要场所用的指纹系统，需要对指纹进行处理和识别，这就是所谓的模式识别问题。模式识别已成为一个很活跃的研究领域。

办公室自动化、仓库自动化、网上信息处理、电子商务等均是信息处理过程

自动化与系统工程随着科学技术的发展和社会的进步,自动化系统的规模越来越大，系统也越来越复杂。另外，技术过程与社会过程的联系也越来越密切（如工业生产对环境污染、生态平衡等的影响），这就要求从全局的范围去观察和考虑问题，以达到最大的经济效应和社会效益，这是系统工程（SystemsEngineering）所要研究的内容

自动化与系统工程‘系统’是由相互作用和互相依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体，它本身又是它所从属的更大系统的一部分。系统工程是研究人工系统的一门技术学科，是各类人工系统组织、管理技术的总称，它运用现代科学技术方法从全局出发进行系统分析、系统仿真、系统设计、最后作出合理的决策，以便最优化或次最优化地实现预期的目标。

运筹学是系统工程的理论基础，控制论与系统科学的研究关系密切、相互渗透系统工程和运筹学的形成和发展是现代生产力发展的必然产物。系统工程的形成起源于本世纪30-40年代。从60年代开始，系统工程和运筹学日益广泛地应用于航天等一类大规模尖端科研系统、工业系统、人口问题、生态平衡、环境保护、社会经济、金融服务与行政管理等各个方面，取得越来越明显的经济和社会效益

系统分析：包括系统目标分析和确定、系统的模型化、系统的最优化和系统评价。系统仿真：在初步提出系统的模型后，对其进行仿真，以便进行方案比较，作出最优决策。系统设计：根据系统的目标和必需的约束条件，设计出理想系统，然后，经修正，建立技术上可以实现的系统。

系统科学的特点：全局性、关联性、择优性和综合性

全局性：系统工程考虑问题时，先从整体出发，提出目标，再从整体出发，考虑各子系统之间的关系，最终实现总体目标。关联性：系统内部存在各种联系，如：系统输入与输出之间的关系、子系统之间的关系、系统组成部分中的参数与系统功能之间的关系等，系统工程分析问题时必须从量上去描述这些关系。

系统科学的特点：全局性、关联性、择优性和综合性择优性：系统工程所要解决的是系统的最优化问题，也就是要实现系统的最优设计、最优控制、最优管理和最优调度等，这就需要运用最优化方法、最优控制理论和决策论等。综合性：由于复杂的系统涉及面广，系统工程不仅涉及技术因素，而且涉及经济、社会等因素。理论上，涉及数学、控制论、经济学等多门学科的知识。就应用面来说，涉及工业、农业、军事、经济、行政管理等自动化的发展趋势

1.自动化装置

2.控制规律

3.系统的功能和规模

自动化装置由液动、气动发展到电子-机械装置。装置也由大到小，由单一功能到功能复杂、具有智能的自动化系统。信号传输由模拟向数字化、网络化方向发展。为了提高安全可靠性，采用冗余(Redundancy)技术和故障诊断(FaultDiagnosis)技术。如用于工业控制的自动化装置由液动—气动—电子装置—集散型计算机控制系统（DistributedComputerControlSystem—DCS）—现场总线控制系统（FieldBusControlSystem）,实现信号的数字化和网络化传输。控制规律

1）简单的比例-微分-积分控制2）基于模型和工控机的复杂控制系统自适应控制(AdaptiveControl)：自动改变控制器的参数，使控制效果最优。最优控制(OptimalControl)：选择适当的控制规律，使得控制系统的品质最好。