自动化专业概论-第1章

自动化学科/专业概论第1章绪论自动化学科学科/专业概论1.1课程的目的与性质1.2自动化科学与技术1.3自动化学科与专业1.4参考资料第1章自动化概述第1章绪论1.1课程的目的——为什么要开设这门课学习自动化专业，需要了解“自动化”学科全貌及分支学科、课程之间关系“自动化”学科与其它学科之间的关系通过本课程学习，自动化专业学生能较深入地理解：⑴自动化的内涵、外延与定位；⑵自动化科学与技术的基本原理与核心概念；⑶自动化学科的知识体系，需要掌握的知识及其相互关系；⑷自动化专业的课程体系，需要学习的主要课程及其相互关系；⑸自动化科学与技术、自动化专业与相关科学技术、专业之间的联系与区别并对现代自动化科学与技术有一个大概的了解。课程定位——主要目的：不仅是学生学习“自动化专业”的入门课程，而且可为“自动化专业”学生4年学习及以后的提高提供参考。每当学习一门新课（尤其是主要课程）时，都能通过本课程对所学课程、该课程与其他课程之间的关系有一个大概的了解。更进一步，当学生：①进入专业课学习阶段（三年级），可以（如果可能）选择选修课时；②进入毕业设计（四年级）阶段，可以（如果可能）选择毕业设计课题时；③准备报考研究生（三、四年级），选择研究方向时，能从本课程获得做出自己独立“决策”的依据。课程定位——主要目的：1.1课程的性质——这是一门什么样的课高级科普？是：通俗易懂、深入浅出地了解基本原理，学习新知识，激发兴趣、爱好。不完全是：比高级科普深一层次，更强调科学性，要说清：基本原理、核心概念重要的、次要的课程的特点——与高级科普的不同点：•包含的内容广，涉及几十门课难以系统介绍，却需要有系统性•高级科普：想进一步了解，看相应的专业书想进一步深入了解本门课，至少学一半以上专业课才有可能。•难度很大：教师难教，学生真正理解很难。学生每隔一个阶段都有必要回顾一下本课程内容；1.2.1自动化科学与技术的定位1.2.2自动化科学与技术的基本内容与核心概念1.2.3自动化科学技术与信息科学技术的关系1.2.4自动化科学与技术的特点1.2自动化科学与技术(1)自动化的内涵与外延日常生活中，较少听到”自动化”这个名词更多听到的是：这个设备(器具)是“自动的”、“自动控制的”或“全自动的”自动化设备的特点：工作时不需要（或很少需要）人参与，却能按照人的要求“自动”完成其承担的任务。1.2.1自动化科学与技术的定位“自动化”的定义：自动化是指机器设备（扩展到生产、管理过程）在没有人直接参与的情况下，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的核心是“控制”由工业与研究领域进一步扩展到经济系统、生态系统等自动化技术的两方面：①动力方面的自动化技术——工业化——人的手、脚、各种感觉的延长②信息处理方面的自动化技术——信息化——延伸人的信息获取、处理和决策控制等功能基础科学科学技术工程技术研发技术技术科学现场技术新产品、新工艺、新系统（高）技术投产、维护、改进科学广义科学技术体系结构•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，使其在实际控制工程和自动化技术中发挥创新的作用。自动化科学的定位与任务•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），使之能应用于工程实际，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。自动化技术的定位与任务相互依存关系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。自动化与自动化科学技术的关系•从信息、能量与物质的角度：自动化科学：研究物质世界的信息运动规律与信息处理方法；自动化技术：研究如何应用有效的信息处理方法来促进能量与物质的有效利用；自动化与自动化科学技术的关系车辆转弯1.2.2自动化科学技术的基本内容与核心概念自动化装置典型例子：1788年Watt发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器自动化早已超越古老的研制自动机器替代人类劳动的概念，自动化科学与技术研究的是如何运用各种技术工具延伸人的信息获取、处理和决策控制的功能，来促进能源、材料和环境资源、人力资源等的有效利用，提高生产水平和人类生活质量。当前自动化科学与技术急需研究解决的是如何应用信息去处理高度复杂系统的控制问题，从而具有更大的挑战性和潜在的经济效益。自动化科学与技术的核心是信息、控制与系统，其中控制是核心的核心；控制的核心呢？自动化科学与技术的核心概念自动化科学与技术的核心概念控制器传感器过程或系统期望输出响应误差实际输出响应+-维纳给出的负反馈闭环控制结构图•控制的核心是反馈；控制器的检测，计算，执行就构成基本的反馈环反馈控制原理：误差补偿1.2.3自动化科学技术与信息科学技术的关系信息获取信息应用信息处理信息传输信息技术的四个组成部分及其信息链执行器机器或设备传感器计算与控制信息处理信息应用信息获取被控对象广义控制器从信息角度看基本自动化设备的组成自动化科学技术与信息科学技术的联系与区别：①自动化科学与信息科学的同根、同源；②自动化技术涉及到信息技术的全部，重点是在信息的控制应用和系统集成上。自动化技术需要以系统的观点综合运用信息技术的各部分，并充分考虑人、环境、对象与工具的相互作用产生的复杂性；③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；自动化技术是信息与能量、物质之间的桥梁。1.2.4自动化科学与技术的特点自动化科学的特点：数学属性，严密的理论特征；对象特性，鲜明的改造世界的特征；系统与社会属性，系统的复杂性特征；渗透与扩散特性，普遍适用特征。前三个特点表明，从事自动化科学研究，既要有理论，又要懂对象，更要有系统的观念，三者缺一不可。第四个特点表明，自动化科学中的基本原理与方法可以广泛应用到其他科学、技术与工程中去（生物控制论、经济控制论）1.3.1学科与专业的含义与区分1.3.2自动化学科1.3.3自动化专业1.3自动化学科、专业学科(Discipline)是现代科学技术的一种分类法，具有明确的定义（含义）。汉语解释:“学科”是“知识或学习的一门分科”；英语解释:“Discipline”是“Abranchofknowledgeorteaching”,由此可知，学科应具有两方面的含义，分别对应着科学技术研究（知识）与科学工程教育（学习与教学）。1.3.1学科与专业的含义与区分与“学科”不同，“专业（Specialty）”的意思却很单一，仅用于科学与工程教育分类。汉语解释：“专业”是“高等学校的一个系里或中等专业学校里的学业门类（如这个系有三个专业）”。表明其含义比学科要窄。英语解释：“Specialty”是“Aspecialpursuit,occupation,aptitude,orskill”，比汉语的含义还要窄，并且在英语国家中，往往只用Discipline来对科学与工程教育分类。专业、学科的含义不同，划分方法有多种，不同层面还有不同理解与划分。一般分为：社会层面——中学教育本科生层面——一般意义上的大学教育研究生层面——研究生教育中学层面（高考分科）本科层面（学士学位）研究生层面（硕士博士学位）理科（理工科）文科物理专业数学专业自动化专业（一级学科）计算机专业通信专业机械专业电工专业建筑专业控制理论与控制工程（二级学科）检测技术与自动化装置（二级学科）模式识别与智能系统（二级学科）系统工程（二级学科）导航制导与控制（二级学科）理学类工学类容易理解又基本符合研究生教育内涵的学科、专业划分方法从科学与技术一体化的角度（包含了研究与教学两方面），可勾画自动化学科的结构框架：1.3.2自动化学科基础与交叉学科技术与工具自动化的理论、方法与技术众多应用领域支撑支持相互推动对研究生学位培养来说，自动化学科的正式名称为“控制科学与工程”学科，属工科门类下的一级学科，如下表：学科代码学科分类学科名称0811一级学科控制科学与工程081101二级学科控制理论与控制工程081102二级学科检测技术与自动化装置081103二级学科模式识别与智能系统081104二级学科系统工程081105二级学科导航、制导与控制高等教育有多种分类法。纵向分类法：粗分为：研究生教育和大学教育两个层次；细分为：博士、硕士研究生、本科生和专科生四层次；横向分类法：高等科学教育、高等工程教育等若干大类，授予的学位为理学学士（硕士、博士）学位、工学学士（硕士、博士）学位等。1.3.3自动化专业按我国的习惯，自动化专业特指大学教育，是自动化高等教育的基础层次。1.3.3自动化专业（续）本科自动化专业与电气工程及其自动化专业、电子信息工程专业、通信工程专业、计算机科学与技术专业、电子科学与技术专业、生物医学工程专业同属“工学”学科门类下的“电气信息类”，授予的学位为“工学学士”。到2004年，全国已有239所学校设立了自动化专业。自动化专业已成为设置学校最多的“工学”专业（工科专业）之一（仅次于计算机专业），如果再把那些将自动化作为其专业名称一部分的专业（如“电气工程及其自动化”、“机械设计制造及其自动化”、“农业机械化及其自动化”等专业）算在内，“自动化类专业”无疑将是中国最庞大的专业。1.4参考资料•自动化专业网站：•高等学校本科自动化指导性专业规范，高等教育出版社，2007•自动化学科专业发展战略研究报告，高等教育出版社，2007课程要求：•课外阅读/讨论自动化的典型应用案例及分析•课外阅读/讨论自动化学科主要理论与基本思想•课外阅读/讨论自动化专业/学科高等教育相关资料•读书报告（综述）不照搬书本内容，要有个人见解（分析、总结），至少要用自己的语言来回答