自动化学科发展.ppt

1、东南大学 自动控制系 戴先中,自动化学科、专业发展 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,报 告 内 容 一引子 急需回答的问题 二对自动化的认识 发展自动化的重要性 三对自动化学科的认识 发展自动化学科的重要性 四对自动化专业的认识 发展自动化专业的重要性,东南大学 自动控制系 戴先中,一引子 有一系列难回答，但急需回答的问题！ 1）关于自动化 自动化的确切含义？ 在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？ 自动化的发展前景？,东南大学 自动控制系 戴先中,一引子 急需回答的问题： 2）关于自动化学科 自动化学科的地位？ 自动化学科与信息学科的关系， 是包容、还是相对独立？ 自动化学科要解决的科

2、学问题是什么？ 过去很清楚，现在说不清了？ 自动化学科的发展方向？,东南大学 自动控制系 戴先中,一引子 急需回答的问题： 3）关于自动化专业 自动化专业与信息类其他专业的关系? 人才的通用性如何？ 我国的自动化专业特色在哪？ 发展前景如何？,东南大学 自动控制系 戴先中,二 对自动化的认识,东南大学 自动控制系 戴先中,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: 从深度来看以工业生产为例，小到一个普通的设备 电机，大到企业的整个加工、制造系统乃至企业的整

3、个生产过程； 从广度来看涉及第二产业 工业自动化、第一产业 农业自动化、第三产业 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（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），涉及的过程有生产过程、管理过程、决策过程等等。,自动化的含义,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化的魅力 自动化设备能克服人的局限性生理阈值，完成人无法完成的工作，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，因而集成电路的制作必须采用高精尖的自动化

4、设备； 人的“庞大”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。 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,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化和自动化学科的关系相互依存 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。,东南大学 自动控制系 戴先中,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） 计算机化（应

5、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,自动化的位置,东南大学 自动控制系 戴先中,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 （国内总体来说，已机械化、电气化）,东南大学 自动控制系 戴先中,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

6、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（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 （国内总体，数字化、网络化已有一定规模）,东南大学 自动控制系 戴先中,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） 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（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,东南大学 自动控制系 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否

7、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,东南大学 自动控制系 戴先中,三对自动化科学与技术学科的认识,东南大学 自动控制系 戴先中,广义科学技术体系结构,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化科学的定位与任务 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

8、工程和自动化技术中发挥创新的作用。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化技术的定位与任务 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），使得能应用于工程实际，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。,东南大学 自动控制系 戴先中,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？,东南大学 自动控制系 戴先中,传统的自动化给定值、跟踪控制问题,东南大学 自动控制系 戴先中,传统的自动化闭环控制手段,东南大学

9、自动控制系 戴先中,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。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化科学与技术的发展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。”,东南大学 自动

10、控制系 戴先中,自动化科学与技术的发展 最初处理系统的物理特性， 基础自动化，物质、能量 当前处理系统的复杂性， 先进自动化，主要是信息 焦点和难点在哪？挑战在哪？,东南大学 自动控制系 戴先中,基本挑战1 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、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。,东南大学 自动控制系 戴先中,SONY,Honda,AIST,人形机器人,东南大学 自动控制系 戴先中,Humanoid Robot: HRP-2 AIST Electronic Logi

11、c PC 以太网,无线通讯-蓝牙, Zigbee,东南大学 自动控制系 戴先中,三 对自动化学科的认识（续） 自动化学科与信息学科的关系,东南大学 自动控制系 戴先中,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。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化技术涉及到信息技术的全部,东南大学 自动控制系 戴先中,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

12、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。,东南大学 自动控制系 戴先中,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； * 自动化专业与其他相关专业的关系 * 自动化专业的发展前景。,东南大学 自动控制系 戴先中,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

13、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。,东南大学 自动控制系 戴先中,基本的负反馈闭环控制结构,东南大学 自动控制系 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业的知识体系 由三层知识构成，包括十个知识域 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 系统与工程等三个知识域 也是自动化专业与其它专业的最大区别。,东南大学 自动控制系 戴先中,四 对自动化专业的

14、认识（续） 自动化专业的特点,东南大学 自动控制系 戴先中,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,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业的特点从培养学生角度 ： 1）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； 2）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

15、问题的分析与综合能力，特别需要综合集成解决系统问题的能力。有利于培养“将才”与“帅才”。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业的特点从专业发展角度： 符合厚基础、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、含电的系统概念； 符合淡化“行业性的专业”， 突出“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。,东南大学 自动控制系 戴先中,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?,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业与计算机类专业的联系

16、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。,东南大学 自动控制系 戴先中,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

17、互作用形成的复杂系统问题更是自动化学科研究面临的挑战。,东南大学 自动控制系 戴先中,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。”,东南大学 自动控制系 戴先中,基本负反馈控制,计算机软件中心论,控制中心论,东南大学 自动控制系 戴先中, 自动化专业与计算机类专业的联系与区别(续),计算机专业人才学习重点熟悉计算机(学习重点) ，也懂自动化（但其出发点与角度不一样，深度不够）。计

18、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(学习重点) ，也懂计算机（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。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业与信息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

19、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”。,东南大学 自动控制系 戴先中,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 农业机械化及其自动化专业。,东南大学

20、自动控制系 戴先中,自动化专业与工程类专业的联系与区别(续),这两类四个专业有一个共同的特点，虽以自动化作为其专业内容的一部分，但其重点并不在自动化，而是各有其自身专业的重点，如： 电气工程及其自动化专业是最典型的电气类专业，也称为强电类专业。其专业重点是电气工程，包括各种电机、发电设备、输配电系统等； 机械设计制造及其自动化专业是最典型的机械类专业。其专业重点是机械设计与制造，涉及各种机械设备的设计与制造技术。,东南大学 自动控制系 戴先中,自动化专业与工程类专业的联系与区别(续),自动化专业与这四个专业的联系与区别，有点类似于自动化专业与计算机专业之间的联系与区别。 以电气工程及其自动化专业为例： 电气工程及其自动化专业人才熟悉电气工程(学习重点) ，也了解自动化（但深度不够）,也能从事自动化的研发工作，但往往只能从事电气工程自动化的研发工作，且研发的自动化系统