东北大学-自动化专业概论

1自动化专业概论东北大学自动化研究所高宪文教授2学生关心的问题？进入“自动化”各类专业的每个莘莘学子，都渴望了解自己所学的专业：（4）在大学接受高等教育和在中学接受中等教育有何区别，怎样适应大学的学习生活，怎样最大限度地调动自己的学习潜力，发挥自己学习上的主动性，发展自己的特长和才华，创造性地进行学习？（3）自己在学校环境里将学到哪些知识，获得哪些技能，培养哪些能力？（2）学校将通过哪些途径把自己培养成有什么样素质的自动化技术人才？（1）自动化专业的性质，它在我国社会主义建设中的作用和地位，自动化技术的当前概貌和它的未来发展；3什么是自动化？(a)手动控制漫画(b)自动控制图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图4图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。5防空导弹制导1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机雷达4-导弹发射架6各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸（图2.1）。7现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。8自动化的作用加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程•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。9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。10以信息化带动工业化以工业化促进信息化中国共产党十六次代表大会报告自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志11本课内容1.专业培养目标和人才素质要求2.自动化的概念和发展简史3.自动控制系统的类型和组成4.基本的控制方法5.控制和自动化的应用范畴6.控制和自动化的展望7.自动化类专业的教学安排8.学习原理与学习方法121自动化专业培养目标和人才素质要求1.1自动化和自动化类专业13控制科学与工程学科图1.1学科组成示意图自动化自动控制控制理论电气工程与自动化工业自动化机械制造自动化电力系统自动化141.2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术人才。毕业生能在国民经济及国防各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。151.3对自动化类专业人才的素质要求•（1）认知和技能方面•（2）思想和情感方面•（3）意识和意志方面•（4）其他方面16（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、方法和应用以及相应的实验仪器和技能；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；⑧具有辨证的、逻辑的、形象的和创造的科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能力；⑨具有一定的适应、协调、合作、组织和管理能力。17(2)思想和情感方面②思想品质树立了积极向上的人生观、正确的价值观和辨证唯物主义世界观，对我国自动化事业有情感、有信念、有责任心；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，有较强的法制、法规观念；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。18（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工程师。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。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。19（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。202自动化概念和发展简史21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地进行操作或运行。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。两者既有联系，但也有一定的区别。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。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近的。2.1控制和自动化的概念222.2我国古代自动装置中国古代能工巧匠发明许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。其中比较著名有下述的几种：(1)指南车(2)铜壶滴漏(3)浮子式阀门(4)饮酒速度的自动调节(5)计里鼓车(6)漏水转浑天仪(7)候风地动仪(8)水运仪象台23指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响（图2.3）齿轮系车身木人方向车辆转弯（1）24指南车复原模型25指南车原理26铜壶滴漏中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（即时间）（图2.6之右）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶来解决的。根据宋朝杨军的《六经图》（公元1155）转述：莲华漏（图2.6之左）由4个壶组成。天地壶、平水壶逐级向平水小壶供水。平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴（见图2.6上平水壶前的一个小鸟式装置）。（2）27铜壶滴漏28（3）饮酒速度自动调节，（4）计里鼓车图2.8饮酒速度自动调节图2.9、2.10计里鼓车(复原模型)及原理29（5）漏水转浑天仪公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。图2.11张衡水力天文仪器中齿轮系推想图30（6）候风地动仪图图2.12候风地动仪图(复原模型)及剖面图31（7）水运仪象台公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。32水运仪象台枢轮和天衡装置示意图332.3控制和自动化发展简史•自动装置的出现和应用（18世纪以前）•自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）•局部自动化时期(20世纪40-50年代)•综合自动化时期（20世纪50年代末起至今)342.3.1自动装置的出现和应用（18世纪以前）中国和巴比伦出现了自动计时装置—刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表现仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。(1)古代自动装置35(2)近代自动装置17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表；英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师И.И.波尔祖诺夫（Ползунов）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。362.3.2自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图2.16）37(1)自动调节的广泛应用由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。公元1868年法国工程师J.法尔科（Farcot）发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构（Servo-mechanism）。20世纪20-30年代，美国开始采用PID模拟式调节器（比例-积分-微分调节器）。现在还在许多工厂中采用。•(2)自动调节系统的稳定性问题自调自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节系统（AutomaticRegulationSystem）。当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。38对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽机(对象)负荷离心式调速器(调节器)进汽阀转速测量39反馈和自动调节系统的稳定性稳定性是自动控制中极重要的概念反馈（Feedback）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。人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种稳定判剧。40(3)反馈控制和频率法稳定判据加上公元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.L.黑曾（Hazen）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。进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。41图2.18反馈调节（控制）系统控制量前向通道负荷调节器(控制器)_误差+被控对象输出变量(被调量)输入变量(给定规律)反馈通道稳定判据加上公元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.L.黑曾（Hazen）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。422.3.3局部自动化时期(20世纪40-50年代)2.3.3.1经典控制理论的