自动化科学与技术学科

自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化科学与技术学科的内容、地位与体系东南大学戴先中自动化科学与技术学科——内容、地位与体系报告内容一．研究的背景——开展研究的重要性二．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自动化科学与技术学科——内容、地位与体系一．研究的背景有一系列难回答的问题！如：1）在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？2）自动化学科要解决的科学问题是什么？过去很清楚，现在说不清了？3）自动化学科涉及范围那么广，如何有效开展研究？4）自动化学科与信息学科的关系，是包容、还是相对独立？5）我国的自动化专业有无特色，发展前景如何？自动化科学与技术学科——内容、地位与体系二．对自动化的认识自动化科学与技术学科——内容、地位与体系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）自动化科学与技术学科——内容、地位与体系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）自动化科学与技术学科——内容、地位与体系机械化（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社会总发展自动化科学与技术学科——内容、地位与体系（工业化基础）机械化（能量流）电气化自动化（基础自动化）工业化信息化计算机化（信息化基础）网络化（信息流）系统化（先进自动化）信息物质能量自动化科学与技术学科——内容、地位与体系（基础）自动化（核心是控制）是工业化完成与否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自动化科学与技术学科——内容、地位与体系三．对自动化科学与技术学科的认识自动化科学与技术学科——内容、地位与体系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？自动化科学与技术学科——内容、地位与体系传统意义上，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。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系当前自动化科学与技术焦点和难点在哪？自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化科学与技术的发展特点之一最初——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，主要是信息自动化科学与技术学科——内容、地位与体系检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线自动化科学与技术学科——内容、地位与体系当前，自动化科学研究的焦点和难点——系统的复杂性，需要解决的基本问题或基本科学问题——复杂系统的建模问题综合集成问题（包括人）整体优化问题、失效容错问题和系统智能问题自动化技术主要包括——模型技术、仿真技术、集成技术、优化技术、可靠性技术和运行技术。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系三对自动化学科的认识（续）自动化学科与信息学科的关系自动化科学与技术学科——内容、地位与体系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》自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化技术涉及到信息技术的全部控制器对象执行器传感器信号处理D/AA/D-+人机接口或上一层控制器信息控制信息应用信息传输信息处理信息层物质、能量层信息获取物质世界信息获取信息应用信息处理信息传输自动化科学与技术学科——内容、地位与体系注意两点：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。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系三对自动化学科的认识（续）自动化科学与技术学科的研究层次自动化科学与技术学科——内容、地位与体系为什么要分自动化学科的研究层次？自动化科学技术包含面太宽——多学科交叉难以从最基础的理论到最实际的具体工程应用都面面俱到地、均衡地去研究或学习。应该确保科学与技术（工程）不分家的前提分层次的、有重点的去研究与学习自动化科学与技术学科——内容、地位与体系如何分自动化学科的研究层次？根据被控制的对象的不同物理、数学形态自动化学科研究可分为三个不同层次：1）模型的控制，突出学科的数学特征；2）信息的控制，突出学科的信息特征；3）实体的控制，突出学科的工程特征。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系实体的控制——工程中具体对象（实际设备）的控制最基本、最实在的控制最充分地体现了自动化科学技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用。实体的控制的特点是：1）工程特征，明显的使能特性与对象依赖性；2）桥梁特性，信息与能量、物质之间的桥梁；3）交叉特征，与其它工程学科密切交叉。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系信息的控制“控制论”对控制的定义:这门新学科的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是在其他各门自然科学中这些因素是非常重要的。控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。控制论的着眼点:信息与控制，或说信息的控制。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系信息的控制的特点：1）信息特征。重点研究信息，是信息科学技术的重要部分；2）系统特征。从系统的观点研究信息的控制通过“综合”与“集成”解决信息的控制3）渗透与扩散特性。解决带有一定普遍性或共性的对象的信息控制问题，目的又是为了改造世界，因而有强的渗透与扩散特性、广阔的应用范围。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系模型的控制面向控制的模型与一般模型的不同:*描述子系统间的交互作用的方法不同，要求反映出系统的基本输入/输出特性以及噪声抑制能力和互联稳定性；*在输入/输出特性的框架下，比较容易将一个高逼真度的复杂模型降阶成为低逼真度的简单模型，从而为复杂互连系统的控制设计打下基础。对自动化学科的理论研究来说，与其它学科的交叉更多地就体现在系统建模中。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系模型的控制的特点：1)抽象特征。模型提炼，使具有普适性。对实际的复杂互连系统进行模型化，进行加工、改造，使更抽象、具有普适性；2)数学特征。坚实的数学基础。许多新的数学方法都是先用在自动化学科之后再用于其它技术学科的。3)理论特征。研究与自动化有关的原理性问题、提出具有普适性的新的控制理论与方法。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系“模型的控制”—无电基础研究“信息的控制”—弱电应用基础研究（信息学部）“实体的控制”—强电应用基础研究（工程学部）不同控制之间的区别与联系抽象，基础科学具体，实际工程自然科学基金自动化科学与技术学科——内容、地位与体系模型的控制—无电信息的控制—弱电实体的控制—强电自动化科学基础研究（973）自动化技术高技术研究（863）抽象，基础科学具体，实际工程不同控制之间的区别与联系（续）自动化科学与技术学科——内容、地位与体系四对自动化专业的认识*自动化专业的知识体系；*自动化专业的课程体系；*自动化专业的特点；*自动化专业的发展前景。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系基本的负反馈闭环控制结构控制器对象执行器传感器信号处理D/AA/D-+人机接口或上一层控制器信息控制信息应用信息传输信息处理信息层物质、能量层信息获取物质世界自动化科学与技术学科——内容、地位与体系控制器对象执行器传感器信号处理D/AA/D-+知识领域：计算与处理知识单元：信号、图象处理并行、分布处理软件工程计算、搜索、推理模式识别等等知识领域：控制与智能知识单元：控制理论稳定性与鲁棒性可靠性与容错自适应、自学习人工智能最优、智能控制人机控制等等知识领域：执行与驱动知识单元：机电汽液驱动自动化仪表光机电一体化各种遥控器电力电子等等知识领域：模型与仿真知识单元：系统辨识参数估计各类系统建模技术CAD仿真技术电机原理与传动机械原理与结构机器人原理等等知识领域：通信与网络知识单元：通信技术计算机网络多媒体遥技术等等知识领域：传感与检测知识单元：理化生等传感器检测与诊断遥测、遥感抗干扰技术测量信号处理机器人感知等等自动化科学与技术学科——内容、地位与体系知识领域：系统与工程知识单元：多变量系统、非线性系统、分布参数系统、离散事件系统、大系统、复杂系统、运动控制系统、过程控制系统、集成自动化系统、管理信息系统、系统工程、运筹学、最优化、智能系统、机器人系统、多智能体等等知识领域：数理与机电基础知识单元：数学、力学、物理、化学、现代生物学、生命科学、脑科学、思维科学、系统科学、管理科学、电工电子基础、机械基础、计算机原理、计算机语言、微机原理等等+控制与智能模型与仿真执行与驱动传感与检测计算与处理通信与网络-系统知识层控制知识层基础知识层自动化科学与技术学科——内容、地位与体系知识领域：系统与工程知识领域：传感与检测、通信与网络计算与处理、控制与智能执行与驱动、模型与仿真知识领域：数理与机电基础系统知识层控制知识层基础知识层自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化专业的知识体系由三层知识构成，包括八个知识领域反映自动化专业特点的五个知识领域控制与智能、传感与检测执行与驱动、模型与仿真系统与工程；自动化专业知识体系的核心知识是控制与智能、模型与仿真系统与工程等三个知识领域也是自动化专业与其它专业的最大区别。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系四对自动化专业的认识（续）自动化专业的课程体系自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化专业的不同课程体系对应学科不同的研究层次适应不同院校、不同专业设置：1）“模型的控制”类课程体系，适合理科院校；2）“信息的控制”类课程体系，适合重点工科院校——通识自动化3)“实体的控制”类课程体系，适合一般工科院校——“专业”自动化，如：商业自动化化工自动化、建筑自动化。设置不同类型的课程体系,有利于吸引更多的人来学习自动化、掌握自动化、从而投身自动化事业，更有利于学科与专业的发展。自动化科学与技术学科——内容、地位与体系四对自动化专业的认识（续）自动化专业的特点自动化科学与技术学科——内容、地位与体系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自动化科学与技术学科——内容、地位与体系自动化专业的特点——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