自动化科学与技术(杨宜民)第1章.ppt

1、自动化科学与技术,第一章 绪论,杨宜民,研究生示范课程课件,第一章 绪论,1.1自动化科学与技术的发展历史 自动化科学与技术（简称自动化科学技术）的发展简史基本上可以分为三个阶段：,孕育阶段： 1922年，美国N. 米诺尔斯基提出PID控制方法。 1927年，H.S.布莱克提出改善放大器性能的负反 馈方法。,诞生阶段： 1948年，美国人N.维纳的控制论一书出版。 1954年，中国钱学森的工程控制论一书出版 。 发展阶段： 1971年，美国英特尔公司研制出第一台4位微处理机 Intel 4004。 1980年以后，自动化科学技术取得重大发展，处于高峰发展阶段。,孕育阶段 PID控制(即比例、积

2、分、微分控制)是一种典型的、最成熟的、应用最广的控制方法。 P控制的主要作用是使系统稳定；I控制的主要作用是提高系统的精度（加入I控制，使系统成为无差控制系统）；D控制的主要作用是提高系统的响应速度（减少系统过渡过程的时间）。 反馈分为正反馈和负反馈，各有各的作用。负反馈的主要作用是使系统稳定于期望的状态。要使系统某一物理量稳定，就采用该物理量的负反馈。例如要使系统恒温，则采用温度负反馈；要使系统恒速，就采用速度负反馈等等。,诞生阶段 美国数学家诺伯特.维纳（Norbert Wiener）于1948年出版的名著控制论，或关于在动物和机器中的通讯和控制的科学（Cybernetics, or Co

3、ntrol and Communication in the Animal and the Machine）标志“控制论”学科的诞生。1950年维纳出版了人有人的用处，控制论与社会小册子，论述了通信、法律、社会政策等与控制论的关系，进一步说明控制论在社会系统中应用的可能性。 诺伯特.维纳的控制论中的名言：在科学的发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区，正是这些科学的边缘区域，给有教养的研究者提供了最丰富的机会。,控制论在世界范围内推动了有关学科的发展，并孵化了一些新学科： 1）工程控制论；1954年，中国钱学森的专著工程控制论出版，标志自动化科学技术学科的诞生

4、。 2）生物与医学控制论； 3）社会、经济与管理控制论； 4）军事控制论； 5）自然控制论（生态、环境、气候、人口、资源等控制）。,发展阶段 自动化科学技术伴随着计算机科学技术的发展而发展。在上个世纪40年代诞生的第一台计算机只能完成简单的四则运算，其占地面积为几十平方米，这就制约了计算机的推广和应用，也就制约了自动化科学技术的发展。 随着IC技术由集成电路、大规模集成电路向超大规模集成电路发展，计算机的体积越来越小，功能越来越多，这就促进了自动化装置的广泛应用。 控制理论的发展经历了古典、现代、智能等三个阶段。到了上世纪80年代，古典和现代控制理论的发展已经成熟，智能控制理论处于高峰发展时期

5、。,上世纪80年代，由于计算机体积小、功能强，为自动化装置应用提供基础，同时控制理论亦进入智能控制阶段，这就使自动化科学技术进入了高峰发展时期。 注：自动化科学技术的发展历史可参见自动化科学与技术 (参考资料)中的附录自动化科学技术大事简表（至1993年）。,1.2在人类发展历史中所处的位置 按科学技术发展水平人类发展历史可分为： 工具化时代-机械化时代-电气化时代-自动化时代-信息化时代-生命科学时代。 工具化时代 在人类诞生过程中及以后，最早使用的工具是树枝、石块（即石器时代），后来发展到使用金属制造工具（即青铜器时代）。马克思有这样的论断，劳动工具在从猿到人的进化过程中起着关键的作用。,

6、机械化时代 1705年，Newcomen发明了蒸汽机，由于热效率低，未广泛使用。1764年，瓦特（Watt）对蒸汽机进行了改进和创新，提高了蒸汽机的热效率和输出功率。 1788年，瓦特发明了离心式调速器，实现了蒸汽机转速的自动调节。此后，蒸汽机得到广泛推广和应用。这引发了第一次工业革命，使人类社会进入机械化时代。在机械化时代中，特别引人注目的是美国福特发明了流水线生产模式，它大大地提高了劳动生产率。,电气化时代 19世纪末，法拉第等科学家研究了电磁效应和磁电效应，之后发明了发电机和电动机，人类进入了电气化时代。 列宁有句名言：共产主义就是苏维埃政权加上全国电气化。 自动化时代 上世纪50年代，

7、维纳的控制论和钱学森的工程控制论出版，标志人类社会进入了自动化时代。,信息化时代 上世纪80年代，由于计算机科学技术的迅猛发展，人类社会进入信息化时代。 计算机的历史和使命也许类似于电机的历史和使命。催生大学计算机系的IBM公司早已“鼓吹”,不用多久大学的计算机系将被服务科学系所代替。 生命科学时代 随着科学技术的发展，人类的要求更高了.既追求过更美好的生活(在这里指的是享受更多种更多样的食物)，又追求更长寿。这促使人类社会进入生命科学时代。 2001年人类基因图谱的诞生标志着人类社会已进入生命科学时代中的后基因时代，即功能基因时代。,从上述的说明可以看到： 1)科学技术的发展越来越快，一个时

8、代进入下一个时代的时间间隔亦越来越短； 2)自动化科学技术已融入信息化时代，在现在和未来同样能发挥巨大作用。,1.3自动化科学技术的研究意义 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展和普及，自动化科学技术已广泛应用到制造业、农业、交通、服务业、航海、航空、航天等所有产业部门，极大地促进国民经济的发展和人类社会的进步。自动化科学技术广泛地进入社会，有利于创造更多的就业机会，提高劳动生产率，改善劳动条件，提高人民生活质量和全社会的文化素质。,40年前，自动化科学技术主要服务于工业生产和军事装备领域，现已广泛应用到政治、军事和社会科学等领域中。原属于自动化科学中的概念和专用术语，如正负反馈、系统分析、分岔、非线性、系统工程等已被其它自然科学及人文科学等各学科所接受和采用。经济学家们从控制理论中受益已是众所周知的，很多大学把控制理论列为所有工科和部分社会科学学生的必修课。近些年来，许多政治家和国家领导人在论文中或演讲中常常用控制论中的语言去阐明社会政治问题。这些都足以证明自动化科学技术的发展同样地促进其它自然科学、社会科学和人文科学等各学科的发展。,1.4