自动化科学与技术

1、2020/9/4,总85页,1,黄席樾 二一三年四月,自动化科学与技术 计算机应用,2020/9/4,总85页,2,第一部分,自动化的含义 自动化的学科分类 自动化的发展历程 自动化的特点,2020/9/4,总85页,3,自动化，顾名思义是指实现过程或系统的自动运行，其核心就是用控制论、系统论和信息论的思想去实现有目的的行为，这里不仅包含了人类肢体行为的机械化延伸，而且包含了人类高级传感行为和思维行为的信息化延伸。,自动化的含义,2020/9/4,总85页,4,自动化的学科分类,作为一门综合性、交叉性学科, 从不同角度对自动化有着不同的理解和划分。按照国家自然科学基金委员会的划分,自动化学科的

2、研究内容主要有6大方面:控制理论与控制工程、工业自动化、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。,2020/9/4,总85页,5,自动化的学科分类,1 控制理论与控制工程 研究动态系统的行为、受控后的运行状态以及达到预期动静态性能的一门综合性学科。同时具有从基础理论研究到工程实现设计技术的多层次结构，应用遍及从工业生产过程到航空航天系统以及社会经济系统等极其广泛的领域。,2020/9/4,总85页,6,自动化的学科分类,2 工业自动化 以系统论、控制论为理论基础，以计算机技术、电子技术为技术手段主要研究工业品原材料的采掘、加工、生产流程等过程及其设备的控制。,202

3、0/9/4,总85页,7,自动化的学科分类,3 检测技术与自动化装置 以现代物理、电子学、控制科学、计算机科学、人工智能和信号处理为基础，研究被控对象的信息提取、转换、传递与处理的理论、方法和技术。,2020/9/4,总85页,8,自动化的学科分类,4 模式识别与智能系统 以系统论、控制论、信息论为理论基础，以计算机技术、通讯技术、电子技术为技术手段，研究人工智能和人工生命的原理和方法，构造具有智能特性和生命特性的系统和装置，其应用研究领域涉及模式识别与图象处理、计算机视觉、机器人系统等。,2020/9/4,总85页,9,自动化的学科分类,5 系统工程 主要以控制论、信息技术为基础，研究组织管

4、理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法。,2020/9/4,总85页,10,自动化的学科分类,6 导航制导与控制 以现代物理、电子学、控制科学、计算机科学、人工智能和信号处理为基础，研究飞行器导航、制导、测控、仿真等系统的信息传输与处理、遥测、遥控系统，以及惯性导航系统及技术。,2020/9/4,总85页,11,自动化的发展历程,控制理论 1 经典控制理论 20世纪40年代 为自动化学科奠定了理论基础. 通过对系统输入输出的频域测试，建立系统的模型，并通过设计前馈补偿和反馈校正，使系统稳定运行，并使输出达到期望值。这通常被认为是以控制为基础的自动化的第一代理论。研究方法以频域为特

5、征, 如例如前馈控制反馈控制, 根轨迹法, 李亚普诺夫稳定性,波波夫稳定性判据.,2020/9/4,总85页,12,控制理论 2 现代控制理论 20世纪60年代 深入对系统内部状态的描述，从信息层面上更深刻地刻划了系统的特征，为实现高质量的自动化提供了有力的手段。同时，使得自动控制的理论和应用得到了蓬勃发展，并在航天航空、工业、工程领域得到了广泛的应用。研究方法以时域为特征.如变分法,极大值原理,动态规划,自适应控制,自校正控制,各种最优控制.,自动化的发展历程,2020/9/4,总85页,13,控制理论 3 智能控制20世纪 70年代以来 随着计算机技术的发展，处理复杂信息加工的能力得到了显

6、著加强，有力地推动了自动化技术的全方位发展。如模糊控制,神经网络控制,专家控制,遗传算法,免疫算法,蚁群算法,多agent控制,复合智能控制.,自动化的发展历程,2020/9/4,总85页,14,第一 自动化是信息科学与技术的重要组成部分，它是在信息获取、传输和处理的基础上，实现信息的利用，是人类改造自然目标的最终落实。,自动化的特点,2020/9/4,总85页,15,第二 自动化不仅包含实现目标的原理和方法，而且包含作为其载体的技术和装备，并最终将它们集成在自动化系统中，涉及到从理论、方法、技术到设备的各个层面，具有包容各类专业技术人才的特点。,自动化的特点,2020/9/4,总85页,16

7、,第三 自动化是以控制论、系统论、信息论为基础的通用科学与技术，可与各领域具体实践相结合，形成各门各类的自动化，因而其理论、方法和技术对各行各业具有普适性。,自动化的特点,2020/9/4,总85页,17,第四 自动化的水平和程度不仅取决于控制的思想和方法，而且与检测技术、执行装置、特别是各类信息处理技术密切相关，因而在信息技术飞速发展的今天，始终面临着新的挑战。,自动化的特点,2020/9/4,总85页,18,第五 自动化的涉及到社会生产、生活的各个环节，如建筑、交通、物流、港口、环保、通信、农业、经济、生物等广泛领域。社会发展的需求和信息技术的支撑，从不同角度为其的发展注入了新的活力。 自

8、动化一个与时俱进的学科！,自动化的特点,2020/9/4,总85页,19,报告要点,工业自动化技术的现状与发展 农业自动化技术的现状与发展 军事自动化技术的现状与展望 办公自动化技术的现状与发展,2020/9/4,总85页,20,第二部分,工业自动化技术的现状与发展,2020/9/4,总85页,21,工业自动化技术的现状与发展,概念 国外现状 国内现状 发展趋势,2020/9/4,总85页,22,概 念,工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工

9、业自动化软件、硬件和系统三大部分。,2020/9/4,总85页,23,国外现状,世界各国十分重视发展先进的工业自动化技术，许多跨国公司应用先进制造与自动化技术实现了设计、制造、管理和经营的一体化，加强了在国际市场的垄断地位。如：,2020/9/4,总85页,24,1、美国波音公司,波音公司在波音777客机的研制中，由于使用了先进的产品开发设计技术，使开发周期从过去的89年缩短到4.5年，缩短了40以上，成本降低25，出错返工率降低75，用户满意度也大幅度提高。,2020/9/4,总85页,25,2、美国通用汽车公司,美国通用汽车公司应用现代集成制造系统技术，将轿车的开发周期由原来的48个月缩短

10、到了24个月，碰撞试验的次数由原来的几百次降到几十次，应用电子商务技术降低销售成本10。,2020/9/4,总85页,26,3、各国的政府计划,美国： 美国国家关键技术 先进制造技术计划 敏捷制造与制造技术计划 下一代制造（NGM）,2020/9/4,总85页,27,3、各国的政府计划,德国： 制造2000计划 微系统计划 面向未来的生产,2020/9/4,总85页,28,3、各国的政府计划,日本： 智能制造系统计划 极限作业机器人研究计划 微机器研究计划 仿人形机器人研究计划,2020/9/4,总85页,29,3、各国的政府计划,为了占领先进工业自动化技术的制高点，许多国家提出了跨世纪的研究

11、计划。均将先进自动化技术列为重要研究内容。通过政府、企业、大学和科研院所的合作实施，这些计划大大促进了自动化技术的发展。,2020/9/4,总85页,30,国内现状,由于我国工业化进程起步较晚，与国际先进水平相比，我国的工业自动化技术，尤其是制造业和制造技术还存在着阶段性差距。但经过我国科研人员的不懈努力，在以下几方面取得了较为突出的成绩：,2020/9/4,总85页,31,国内现状,自主研发的先进控制系统的配套比例越来越高 我国自主研发的集散控制系统DCS、现场总线控制系统（FCS）、可编程控制系统（PLC）以全面达到了90年代中期国际水平，并在不断缩小与国际先进水平的差距；,2020/9/

12、4,总85页,32,国内现状,CIMS技术为企业注入了新活力 从1989年开始，先后120家大型企业应用试点，涉及飞机、汽车、电子电器、服装、通讯、石化、冶金、煤炭、化工等行业，创造了巨大的效益。我国CIMS技术总体达到90年代末国际水平。,2020/9/4,总85页,33,国内现状,特种机器人技术达到国际先进水平 所谓的特种机器人是指除工业机器人之外的各种机器人。我国先后研制出了水下机器人、排险机器人等多种用途的特种机器人，达到国际先进水平。,2020/9/4,总85页,34,国内现状,需要清醒地认识到，我国工业控制自动化技术总体上仍落后于发达国家，主要表现在以下几方面：,2020/9/4,

13、总85页,35,一、产品创新能力较差，开发周期长,我国机械制造业的新产品贡献率约为20，而美国在1995年已经达到52左右; 我国生产的 2000多种主导产品的平均生命周期为10.5年，是美国同类产品生命周期3年的3.5倍。,2020/9/4,总85页,36,二、工艺装备落后，成套能力不强,优质高效低耗工艺普及率不足一成 ，精密设备不足5，高档数控机床的90以上依赖进口；大型成套装备技术方面严重落后，100的光纤制造装备、85的集成电路制造装备、80的石化装备、70的轿车工业装备都依赖进口。,2020/9/4,总85页,37,三、生产自动化和优化水平不高，资源综合利用率低,我国平均劳动生产率为

14、0.263万美元，而美国、日本和印度分别为9.37万美元、10.47万美元和0.34万美元；能源综合利用率仅为32左右，比国外的先进水平低10多个百分点；国民生产总值的单位能耗比发达国家高4倍多。,2020/9/4,总85页,38,四、企业管理粗放，协作能力较差，国际市场开拓能力弱。,众多的企业尚处于经验管理阶段，企业机构臃肿，富裕人员一般多达 3O 4O。我国机械工业的专业化水平仅为1530，而美国、西欧诸国、日本企业的专业化水平已经达到7595。,2020/9/4,总85页,39,发展趋势,目前工业自动化技术正在从以机器为特征的传统技术时代向着以信息为特征的系统技术时代迈进。可以认为 ：今

15、后15年工业自动化技术，尤其是制造技术的发展将超过以往的75年。主要体现在：,2020/9/4,总85页,40,1 产品设计制造和企业管理的信息化,以并行工程、虚拟制造为代表的信息技术的应用将提高创新产品的设计制造水平，以敏捷制造、动态联盟、企业电子商务为代表的企业管理技术的应用将促进新型制造企业的迅速发展，形成新型的跨国企业和基于供应链的战略企业联盟。,2020/9/4,总85页,41,采用智能化方法进行生产过程控制是工业自动化的发展方向；可以解决生产过程控制中存在的强耦合、非线性和不确定性问题，从而显著提高生产效率和产品质量；研发智能化的生产过程控制设备也是发展高新技术产业的重要基础。,2

16、 生产过程控制的智能化,2020/9/4,总85页,42,生产装备的数字化不仅能增强产品的功能和集成能力，提高其的市场竞争力和经济效益，还能显著提高产品的可操作性、可维护性，降低产品的运行和维护成本。发展高度数字化的生产装备是制造企业赢得市场竞争的主要手段之一。,3 生产装备的数字化,2020/9/4,总85页,43,人机和谐共存是机器人进入人类未来工作和生活的基础，已经成为公认的21世纪前沿高技术。目前重点研究的特种机器人将在航空、航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、农业、军事和娱乐等领域发挥重要的作用。,4 机器人的与人和谐化,2020/9/4,总85页,44,农业自动化技术的现状与发展,

17、第三部分,2020/9/4,总85页,45,农业自动化技术的现状与发展,概念 分类 现状 发展趋势,2020/9/4,总85页,46,农业自动化技术的概念,农业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对农业生产过程中的耕作、栽培、收获、销售等各个环节实现检测、控制、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗等目的的综合性技术。,2020/9/4,总85页,47,农业机械自动化技术 各种耕作、收获自动化机械 农业栽培及管理自动化技术 栽培环境控制、病虫害防治等庄稼栽培专家系统 农业销售自动化技术 基于互联网农产品销售等技术,农业自动化技术的分类,2020/9/4,总85页

18、,48,20 世纪90 年代以来，美国、日本等发达国家的农业产业增长率超过过去10，是这些国家同期GDP 增长速度的3到5倍。由于信息技术、自动化技术的发展，促进了各类生物技术的发展及应用，使农业生产率得到很大的提高，农产品更加丰富。,农业自动化技术的现状,2020/9/4,总85页,49,自70 年代初，欧美国家相继出现了生物科学情报社、英联邦农业局、美国国家农业数据库和农业情报体系。这些资源通过英国的科学资料中心向世界农业提供服务，广泛应用于作物生长管理自动化、和农业技术资源保护等。,农业自动化技术的现状,2020/9/4,总85页,50,日本依靠计算机为主的信息处理技术和通讯技术，发展农业、农村的信息化。20 世纪90年代初建立了农业技术信息服务全国联机网络。涉及农业耕作、育种、昆虫利用、农业气象、农业经营、农产品加工等方面。,农业自动化技术的现状,2020/9/4,总85页,51,国外农业信息化的成功经验 注重： 农业基础设施的信息化； 科研、教育和推广三结合； 政府调控。,农业自动化技术的现状,2020/9/4,总85页,52,近几年，我国农业自动化技术在以下两方面取得了长足的发展： 农业信息的两级网络（县、市 乡、镇级）建设已广泛展开；部分地方完成了四级网络建设；实现了农业信息资源共享，使农民对农产品的需求信息、销售信息能准确把握，避免了盲目耕作。,农