自动化概论总复习

自动化概论总复习一专业培养目标和人才素质需求1.1自动化和自动化类专业1.自动化（Automation）的概念：所谓自动化，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的职能活动。2.自动化是一个或社会现代化水平的重要标志。3.自动化的作用：1）提高社会生产率和工作效率；2）节约能源和原材料消耗；3）保证产品质量；4）改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动；5）改进生产工艺和管理体制。4.自动控制（AutomaticControl）的概念：自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。5.自动化和自动控制的之间的相互联系：一般地说，自动化主要研究的是人造系统的控制问题，自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。6.控制论（Cybernetics）的定义：1948年N.维纳提出了控制论，将控制论定义为“研究动物和机器中控制和通信的科学”。7.控制科学与工程的核心问题：信息，包括信息提取、信息传播、信息处理、信息存储和信息利用等。8.控制科学与工程（ControlScienceandTechnology）与其他一般信息学科的不同：控制科学与工程是在理论上用较抽象的方式来研究一切控制系统的信息传输和信息处理的特点和规律，研究不同的控制规律达到不同的控制目的。9.作为我国一级学科的控制科学与工程，下设有控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、系统工程、模式识别与智能系统和飞行器导航、制导与控制等二级学科。10.自动化类专业是一个口径宽、适应面广的专业，具有明显的跨学科特点。对实现我国工业、农业、国防和科学技术现代化、对迅速提升我国综合国力具有重要和积极的作用。1.2我国高等院校自动化类专业的培养目标1.我国高等院校自动化类专业的培养目标：培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人控制等领域具有宽广理论基础和相关专门知识，具有创新和开拓精神的高级工程技师人才。2.将培养目标具体化、时代化：1）培养德、智、体全面发展，掌握科学思维方法并具有实际动手能力的控制科学与工、2）在自动控制理论、控制系统分析与设计、工业控制、人工智能、计算机应用、信号处理、系统建模与仿真以及检测技术等方面，掌握坚实的基础理论和系统的专业知识；3）具备在工业、农业、交通、能源、国防各部门和行业从事信息及控制系统的设计、分析、集成、管理、维护及开发的能力；4）具有创新和开拓精神以及从事科学研究的基本素质。3.毕业生能在国民经济及国防部门和行业从事信息及控制系统的研究、设计、集成、开发、制造和应用等工作。1.3一些术语1.科学（Science）：科学是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。2.科学的任务：揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。3.在科学属性上，本学科属于技术科学。4.科学家（Scientist）：专门从事科学研究的专家称为科学家。5.技术（Technology）：技术是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一个专门领域。6.技术的任务：利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务。7.在技术属性上，本学科属于工程技术。8.技术家（Technologist）：专门从事技术工作的专家称为技术家。9.工程（Engineering）：工程是指应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的专门技术。10.工程师（Engineer）：专门从事工程活动的专家称为工程师。11.工程师（包括其他技术家）和科学家的职责不同：科学家的任务是如何认识，因而他可以选择自己感兴趣的研究课题；工程师的任务是如何实现，所以他必须解决面临的实际问题。12.系统（System）：系统是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。13.信息（Information）：信息是指符号、信号或消息所包含的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。14.控制（Control）：控制是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。15.控制部分一般由传感器（Sensor）、控制器（Controller）和执行器（Actuator）组成。16.传感器用来采集信息，并把它变换到合适的形式，传送到控制器。17.控制器用来加工信息、产生控制信号，这是控制系统的核心。18.执行器则将控制器产生的控制信号进行放大和变换，以此产生控制作用，最终施加到被控对象上。19.控制算法（Algorithm）：通常把进入可控系统的信息加工成控制信息的规则，称为控制算法。20.反馈（Feedback）：反馈是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。21.反馈的过程是信息传递的过程。22.反馈控制又称为闭环控制，与此完全不同的控制方式是开环控制，或称程序控制，它按事先规定的顺序或逻辑控制系统。23.调节（Regulation）：调节是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。24.管理（Management）：管理是指为了充分利用各种资源来达到一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。25.决策（DecisionMaking）：决策是指为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。1.4当前自动化类专业对所培养人才的素质要求1.人的素质的概念：人在先天生理基础上手后天环境、教育影响，通过个体自身的认识和社会实践，养成的比较稳定的身心发展的基本品质。2.自动化专业人才的素质要求：1）认知和技能方面①掌握数理等基础理论的原理和方法；②了解机械、力学、电器、化工等相关学科的一般原理和方法；③掌握计算机、通信、电子等关联学科的基本原理、方法以及相应的实验仪器和设备的使用技能；④掌握控制系统分析和综合（设计）等专业知识和方法；⑤掌握系统仿真、科学计算、软硬件开发等科学实验方法和技术；⑥具有哲学、方法论、经济学、历史、法律、伦理、社会学、文学、艺术等人文社会科学方面以及军事方面的基本知识；⑦具有良好的资料收集、文献检索以及口头表达和书面写作等技巧和能力，并形成很强的自主学习能力，培养终身学习的观念；⑧具有辩证的、逻辑的、形象的和创造的可学思维方式和对事物进行统计、分析、综合、归纳的技能，并形成较强的发现问题、分析问题和解决问题的能力；⑨具有一定的适应、协调、合作、组织和管理能力。2）思想和情感方面①政治品质热爱祖国、关心集体、尊敬师长、爱护同志和家人，关心国家大事、时事政治，有较强的法治、法规观念；②思想品质树立了积极向上的人生观、正确的价值观和辩证唯物主义世界观，对我国自动化事业有情感、有信念、有责任心；③道德品质有良好的品德修养和文明的行为准则，具有敬业精神和职业道德。3）意识和意志方面①实践意识坚持一切从实际出发，不迷信书本、不迷信权威。②质量意识认认真真做好每一件事，在研制和开发的每一个环节都坚持质量至上的思想。③协作意识现代科学研究和现代工程已经很少是一个人可以独立完成的了，所以要能与同事协同工作、协调配合。不会和他人协作的工程师，一定不会是一个合格的人才。④创新与竞争意识现代社会是充满挑战和竞争的社会，只有那些不断追求新意境、新见解、敢于竞争的人才能把握机遇、走向成功。那些墨守成规、固步自封的人只会在抱怨声中错失良机。⑤坚毅意志人生路漫漫，每个人在生活、学习和工作中都可能遇到这样或那样的困难和挫折，要敢于面对困难、善于克服困难。只有拥有坚强的意志和顽强的精神，才可能克服眼前的困难，实现预定的目标。4）其他方面①学风上勤奋、严谨、求实、进取；②作风上谦虚、谨慎、朴实、守信；③具有健康的心理、务实的心态；④具有健全的体质、良好的体能；⑤拥有旺盛的精力、敏捷的思路。二自动化的概念和发展简史2.1控制和自动化的概念1.自动化的概念：自动化表示机器或设备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制以达到预定的要求。2.基本概念举例1）智能电子装置：2）防空导弹制导系统：(b)自动控制1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机4-导弹发射架3.自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等。2.2我国古代自动装置1.指南车：指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。2.铜壶滴漏：漏壶，中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。3.饮酒速度的自动调节4.计里鼓车5.漏水转浑天仪6.候风地动仪7.水运仪象台2.3控制和自动化技术发展简史1.控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。1）自动装置的出现和应用（18世纪以前）①古代自动装置②近代自动装置a.法国物理学家B.帕斯卡在公元1642年发明的加法器；b.荷兰机械师C.惠更斯于公元1657年发明钟表；c.英国机械师E.李在公元1745年发明带有风向控制的风磨；d.俄国机械师И.波尔祖诺夫于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）①自动调节的广泛应用公元1868年法国工程师J.法尔科发明反馈调节器，称之为伺服机构。②自动调节系统的稳定性问题a．自动调节器和被控对象组成自动调节系统b．公元1877年英国数学家E.劳思、1895年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据，沿用到现在。③反馈控制和频率法a.1927年美国电气工程师H.布莱克引入反馈概念b.反馈调节（控制）系统c.1932年美国电信工程师N.奈奎斯特提出著名的稳定判据（称为奈奎斯特稳定判据），可以根据开环传递函数绘制或测量出的频率响应判定反馈系统的稳定性。d.1938年，前苏联电气工程师A.米哈伊洛夫提出根据闭环（反馈）系统频率特性判定反馈系统稳定性的判据。e.稳定判据加上1922年N.米诺尔斯基《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.黑曾发表的《关于伺服机构理论》的论文标志着经典控制理论的诞生。3）局部自动化时期（20世纪40~50年代）①经典控制理论的形成和发展a.代数稳定判据和传递函数、频率法判据的基础上加上W.埃文斯1948年的根轨迹法，奠定了适宜用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。b.反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统。c.经典控制理论的奠基人：美国数学家N.维纳于1948年出版了《控制论》。d.中国自动控制的学术泰斗：钱学森出版了《工程控制论》。②局部自动化的广泛应用a.模拟计算机b.气动单元组合仪表c.智能化的仪表和控制器③电子数字计算机的发明a.1943~1946年，美国电气工程师J.埃克脱和物理学家J.莫奇利为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机——电子数字积分和自动计数器（ENIAC）。b.1950年美国宾夕法尼亚大学莫尔小组研制成世界上第二台存储程序式电子数字计算机——离散变量电子自动计算机（EDVAC）。c.电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。4）综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）①现代控制理论的形成和发展a.公元1956年，前苏联数学家JI.庞特里亚金提出极大值原理。b.同年美国数学家R.贝尔曼出阿创立动态规划。c.1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，还引入状态空间法。d.以上新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。e.20世界60~70年代，英国学者H.罗森罗布克将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法。②现代控制理论的分支：a.系统辨识、建模与仿真b.自适应控制和自校正控制器c.遥测、遥控和遥感d.综合自动化e.大系统理论的诞生f.模式识别