自動化學科概論--學生版

1、自動化學科概論,東南大學 戴先中,（1）了解自動化專業(yè)（課程）的整體框架。,各基礎課、專業(yè)課設置各專業(yè)方向內涵與設置各專業(yè)課與各專業(yè)方向之間的關系重要的基礎、專業(yè)課,（2）了解本專業(yè)（課程） 與其它專業(yè)（課程）的關系,一、序 言,設這樣一門課的目的：,三、自動控制基本原理,四、數(shù)字化與計算機控制,五、自動化基本設備,六、現(xiàn)代自動化技術,七、控制科學與自動化技術的發(fā)展,一、序言,二、自動

2、化專業(yè)簡介,課程內容安排,一、序 言,具體安排 總共16學時，單周上課，第3周開始 分5次講課，每次3學時 1次自動化實驗室參觀,課程具體安排,課程的特點與難度——矛盾 從需求考慮：開的越早越好； 但從效果考慮：開的晚一些為好， 因為需要有一定的高等數(shù)學基礎。,一、序 言,二、 自動化專業(yè)簡介,1、學科、專業(yè)劃分 2、自動化的研究內容 3、自動化的作用與重要性 4、自動化

3、專業(yè)、學科的特點 5、自動化專業(yè)與其它專業(yè)的關系 6、我校自動化專業(yè) 7、自動化專業(yè)本科課程設置 8、自動化專業(yè)有關實驗室介紹,1、學科、專業(yè)劃分,專業(yè)、學科的含義和劃分有多種，不同層面（層次）有不同理解與劃分。一般分為：,二、自動化專業(yè)簡介,采用能理解又基本符合 研究生教育層面內涵的學科專業(yè)劃分方法,社會層面 —— 中學教育,本科生層面—— 一般意義上的大學教育,研究生層面—— 研究生教育,(1) 自動化的內涵與

4、外延,日常生活中，較少聽到”自動化”這個名詞更多聽到的是： 這個設備(器具)是自動的、 自動控制的 或全自動的,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內容,日常生活中常見的：*家庭： 全自動照相機、洗衣機、電飯煲,*高檔樓宇： 自動門、自動自來水開關,*交通：

5、 自動控制的紅綠燈、 火車上的自動燒開水機,*銀行： 自動取款機ATM,2、自動化的研究內容（續(xù)）,二、自動化專業(yè)簡介,自動化設備的特點： 工作時不需要（或很少需要）人參與， 卻能按照人的要求“自動”完成其承擔的任務。,充分理解： 各種自動的（或自動控制的）設備 僅是一項大的自動化工程中的一個細胞。

6、 而以上例舉的自動的設備 僅為整個自動化大家庭中的一個個小細胞,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內容(續(xù)),自動化的應用舉例：,工業(yè)自動化——自動機、自動生產(chǎn)線、 無人車間、無人工廠,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內容(續(xù)),Intelligence and human-machine interface,,,,,,,,,,Internet,Robo

7、t,Camera,Microphone,Scanner,機器人系統(tǒng)結構的例子,以機器人為單元的無人化工廠,控制與管理一體化,,,,,,,,,,,,制造業(yè)頂層信息化現(xiàn)代集成制造系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,企業(yè)間層,設備裝置層,控制節(jié)點層,企業(yè)層,單元層,工程層,制造業(yè)底層自動化機器人與自動化裝備,能量管理系統(tǒng)：電、氣、水全自動管理空氣質量系統(tǒng)：溫度、濕度、空氣質量管理安全消防系統(tǒng)：安檢、消防自動報警、

8、 救護系統(tǒng)辦公自動化 ：,二、自動化專業(yè)簡介,樓宇（管理）自動化——,2、自動化的研究內容(續(xù)),軍事自動化——無人飛機、導彈,,交通自動化 機器人,二、自動化專業(yè)簡介,2、自動化的研究內容(續(xù)),壁面清洗機器人,擦玻璃機器人,采摘機器人,醫(yī)用機器人,自動化的研究內容寬廣， 并且越來越寬廣自動化是一門名副其實的多學科交叉學科,二、自動化專業(yè)簡介,2

9、、自動化的研究內容(續(xù)),——比人干得更快、更好，極大地提高生產(chǎn)力 從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，質量越來 越好，價格越來越低。例： 5 元數(shù)字計算機,3、自動化的作用與重要性,二、自動化專業(yè)簡介,——把人從繁重的危險的工作中解放出來 礦井掘井、核電站檢查、消防救火、 無人偵察機、導彈（無人）,※基本作用（傳統(tǒng)觀念）,——完成人

10、無法完成的工作 管道機器人（各種油管、水管）、 水下6000米機器人,※擴展作用 ——管理、經(jīng)濟、金融過程智能化,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù)),自動化在國民經(jīng)濟、國家綜合實力中起著舉足輕重的作用，并且其作用越來越重要。 自動化在人民日常生活中亦將起著舉足輕重的作用。,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù)),國家863高

11、科技發(fā)展計劃 （有所為，有所不為） 分6個領域 自動化、能源、信息、 新材料、生物與農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境（海洋） 就有一個自動化領域 分CIMS主題、機器人主題,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù)),所以講： 自動化是當代高科技的集中體現(xiàn)與應用。 智能機器人是當代高科技的結晶。

12、 ——宋鍵,二、自動化專業(yè)簡介,3、自動化的作用與重要性(續(xù)),自動化學科是一門多學科交叉的高技術學科。自動化學科是當代高技術的集中體現(xiàn)與應用?！?目前，離開計算機，自動化一事無成。 但光有計算機，能改變周圍的一切嗎？,二、自動化專業(yè)簡介,（I）學科特點,4、自動化專業(yè)、學科的特點,（II） 研究、應用特點,寬、廣，幾乎無所不包， 并且，

13、伴隨其它技術發(fā)展，越來越廣。,二、自動化專業(yè)簡介,4、自動化專業(yè)、學科的特點(續(xù)),（III） 學自動化的特點,在所有學工的學生中，學自動化學習的計算機僅次于計算機專業(yè)。,在所有學工的學生中，學自動化需要的數(shù)學知識最多。,因此我們一直說：,自動化專業(yè)基礎面寬， 需要學的知識多，并要求扎實。,二、自動化專業(yè)簡介,4、自動化專業(yè)、學科的特點(續(xù)),從而： 學自動化專業(yè)的適應面寬、分配好，且工作易成功。,這

14、符合大學改革的方向——寬基礎、寬專業(yè)面,4、自動化專業(yè)、學科的特點(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,5、自動化專業(yè)與其它專業(yè)的關系,l交叉學科的集中體現(xiàn) 如前介紹：計算機、電子電氣等等,二、自動化專業(yè)簡介,l其它專業(yè)向自動化擴展 機械工程及其自動化 電氣工程及其自動化 動力工程及其自動化

15、 甚至：農(nóng)業(yè)工程及其自動化 交通運輸自動化,（I）自控系＋自動化所 合辦一個本科專業(yè)——自動化專業(yè) （對應一級學科，控制科學與工程） 三個研究生學位點 （對應三個二級學科）,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè),（II）圍繞研究生教育，系、所劃分,（III）自動化專業(yè)水平,二、自動化專業(yè)簡介,?畢業(yè)生質量

16、 （統(tǒng)計數(shù)字較少，比較困難）,?成績,?辦學條件,?師資,四方面評價：,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),一位（科學院）院士 （國內僅清華有兩位，上交大0個， 浙大1個，我校共有7位）,下作比較（與國內一流自動化專業(yè)比）,l師資,有較多的教授、博導、博士。,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),在自動化一級學科下全部二級學科均有博士（碩士

17、）授予權,l辦學條件,國家級重點學科 （全國只有13所 / 東大只有10個國家重點學科）,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),一批國際高水平論文（在國內享有盛譽） 獲全國首屆百篇優(yōu)秀博士論文之一,一項國際大獎,一批國家級獎勵,l 取得成績,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),2002年國務院學位委員會首次全國十二個一級學科 整體水平排名(試點)  0

18、701 數(shù)學 0811 控制科學與工程 0702 物理學 0812 計算機科學與技術 0703 化學 0831 生物醫(yī)學工程 0901 作物學 0802 機械工程 0904 植物保護 0809 電子科學與技術 1201 管理科學 0810 信息與通信工程 與工程,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),與我校有關

19、工科（08）6個一級學科 整體水平按學校排名 0831 生物醫(yī)學工程  ——第2 ——生醫(yī)系 0811 控制科學與工程  ——第5 ——自動控制系0810 信息與通信工程 ——第5 ——無線電系0809 電子科學與技術  ——第8 ——電子系0812 計算機科學與技術  —第17 ——計算機系0802 機械工程  — 第

20、21 ——機械系1201 管理科學與工程  — 第16 ——管理學院,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),與我校“控制科學與工程”(自動化專業(yè))有關整體水平按學校排名情況  東北大學1, 浙江大學2, 清華大學3上海交通大學4, 東南大學5西安交通大學6, 哈爾濱工業(yè)大學7國防科學技術大學8, 北京理工大學9

21、北京航空航天大學10, 華中科技大學11南京理工大學15, 南京航空航天大學23,二、自動化專業(yè)簡介,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),總之 我校自動化學科（專業(yè)） 在國內是一流的， 在校內也是一流的。 我們應當自豪! 我們還需努力 !,6、 我校自動化專業(yè)(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,因此，我校自動化專業(yè)圍繞 研究生3個學位點(二級學科)設置專業(yè)方向課,二、自動化專業(yè)簡介,

22、因此，各人會涉及到選專業(yè)方向課,自動化研究內容、應用領域極其廣闊,辦自動化專業(yè)不可能面面俱到，只能有所側重,學自動化專業(yè)更不可能面面俱到，必須有所側重,7、自動化專業(yè)本科課程設置,必修課,選修課,,二、自動化專業(yè)簡介,,面向全校各專業(yè)(公共課),工科專業(yè)（自然科學基礎課）,自動化專業(yè),,一級學科基礎課,一級學科實踐課,一級學科主干課,課程設置,二級學科（方向）訓練課,二級學科選修課,,7、自動化專業(yè)本科課程設置(續(xù)),7、自動化專業(yè)本科

23、課程設置(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,（I）必修課,工科專業(yè),7、自動化專業(yè)本科課程設置 (續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,一級學科基礎課,,電路分析、信號與系統(tǒng),計算機結構與邏輯、微機系統(tǒng)與接口,電子線路、電磁場與波,網(wǎng)絡通信,自控原理（I）,,7、自動化專業(yè)本科課程設置(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,一級學科實踐課,,電路實驗,微機實驗,電子實驗,綜合課程設計,7、自動化專業(yè)本科課程設置(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,一級學科主干課,,自動控制原理

24、（II）,計算機控制技術,電機原理與拖動,管理信息系統(tǒng),7、自動化專業(yè)本科課程設置(續(xù)),二、自動化專業(yè)簡介,（II）選修課,,A組：,二級學科（方向）,訓練課（任選兩組）,C組：,D組：,B組：,智能控制,檢測技術,自動化儀表設計,系統(tǒng)辨識與仿真,數(shù)字信號處理,圖象處理,自動控制系統(tǒng),電力電子技術,,檢測技術與自動化儀表（二級學科）,控制理論與工程（二級學科）,模式識別與智能系統(tǒng)（二級學科）,,,,,,,,,,二、自動化專業(yè)簡介,二級

25、學科選修課,,數(shù)據(jù)結構、通信原理 二選一,電子電路CAD,FOXPRO、C語言,計算機軟件、儀表抗干擾,機器人及控制、過程控制,,,五選三,四選二,多媒體、自動化工具軟件,7、自動化專業(yè)本科課程設置(續(xù)),8、自動化專業(yè)有關實驗室介紹,二、自動化專業(yè)簡介,實驗室：工業(yè)自動化實驗室 自動控制原理實驗室 計算機硬件實驗中心(校級)研究室：機器人研究室

26、 運動控制研究室 過程控制研究室,三、自動控制基本原理,控制科學——嚴密——嚴格的數(shù)學（深厚的數(shù)學基礎）,應用于控制工程——合理的近似 因為：控制對象——絕大多數(shù)非常復雜，

27、 非線性 / 相互耦合,Intelligence and human-machine interface,,,,,,,,,,Internet,Robot,Camera,Microphone,Scanner,機器人系統(tǒng)結構的例子,1、自動控制系統(tǒng)的兩大基本類型 （1）開環(huán)控制（非反饋控制） （2）閉環(huán)控制（反饋或負反饋控制）,三、自動控制基本原理,如直流電機轉速開環(huán)控制,三、自動控制基本原理,開環(huán)：

28、 簡單 不準確（希望1000r/min，實際 950r/min）,三、自動控制基本原理,※人工閉環(huán),功率放大器,,,,,,,,,,,,,,,,+V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,轉速表,三、自動控制基本原理,※自動閉環(huán)控制,功率放大器,,,,,,,,,+V,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

29、測速發(fā)電機,＋,－,三、自動控制基本原理,,控制器,對象,反饋 （測量）,,,,,,,,,,,,參考輸入,偏差,輸出,＋,－,三、自動控制基本原理,開環(huán)： 簡單 不準確（希望1000r/min，實際 950r/min） 閉環(huán)： 準確 復雜、設備多,三、自動控制基本原理,2、自動控制包含的基本

30、內容,（1）對象數(shù)學模型的建立與分析,三、自動控制基本原理,3、對象建模與分析,基礎：數(shù)學、物理,三、自動控制基本原理,（1）建立微分方程式,**輸入流量Qi；輸出流量Qo； 液面高度H——要求控制在一定值內； 系統(tǒng)輸入量Qi；(中間變量Qo）； 系統(tǒng)輸出量（被控量）H **建立微分方程式,a、根據(jù)物質守恒定律,三、自動控制基本原

31、理,b、消去中間變量,這是標準的一階非線性微分方程——非線性系統(tǒng),注：*該系統(tǒng)已經(jīng)作了簡化與近似， 完整的系統(tǒng)還要復雜。,三、自動控制基本原理,（2）簡化微分方程式——線性化——常用方法 基礎：數(shù)學中的在某點的泰勒級數(shù)展開， 并取一階近似 。,三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,這是標準的一階線性微分方程——線性系統(tǒng) 可寫成：

32、,三、自動控制基本原理,（3）用傳遞函數(shù)表示,對線性系統(tǒng)兩邊同求拉普拉斯變換,微分方程? 線性系統(tǒng),三、自動控制基本原理,※開環(huán)控制是不行的，溢出或流干,※必須閉環(huán)控制，如下圖,三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,（1）為何閉環(huán)控制能滿足要求 ——直觀上應能滿足,控制框圖——方框圖——如上,原理：偏差調節(jié),三、自動控制基本原理,閉環(huán)傳遞函數(shù),三、自動控制基本原理,三、自動控制基本原理,（

33、2）設計控制器的幾大要點,※穩(wěn)定性 什么是不穩(wěn)定：如水溢出、流干 穩(wěn)定性是壓倒一切的。,對線性系統(tǒng)，有成熟的穩(wěn)定性分析方法。對非線性復雜系統(tǒng)，很難，需要高深的數(shù)學——是自動控制重要研究 內容,三、自動控制基本原理,※穩(wěn)態(tài)誤差,※動態(tài)特性,三、自動控制基本原理,（3）控制器的發(fā)展,※模擬?模擬數(shù)字混合式 ?全數(shù)字式 ? 計算機（軟件實現(xiàn)）,※線性?非線性,※簡單?復雜,※常規(guī)?智能,三、

34、自動控制基本原理,微小型機器人系統(tǒng),二自由度機電控制平臺特點： SCARA結構 直流伺服驅動 可重構,二自由度機器人平臺,伺服控制系統(tǒng)方框圖,濾波,位置控制,速度控制,電流控制,電機,負載,,,,,,,,,,,,,,位置檢測器,微分,,,,,,,,,,,指令,位置環(huán),速度環(huán),位置環(huán),位置指令,速度指令,速度指令,位置指令,速度指令,速度指令,直流伺服驅動器,DSP,門極驅動,HBridge,電機,,,,,,,,,,碼盤

35、信號,電流檢測,PWM,RS232/RS485,嵌入式控制器,,,,嵌入式機器人控制系統(tǒng),嵌入式控制器硬件結構框圖,四、數(shù)字化與計算機控制,1、數(shù)字化（1）模擬量到數(shù)字量,（2）微分方程到差分方程,四、數(shù)字化與計算機控制,四、數(shù)字化與計算機控制,（3）實際處理（實現(xiàn)）,數(shù)字/模擬轉換,模擬/數(shù)字轉換,采樣,四、數(shù)字化與計算機控制,四、數(shù)字化與計算機控制,（1）計算機硬件 計算機本身＋接口（A/D、D/A等）,

36、（2）計算機軟件 各種控制（智能） 分時控制/集散控制,四、數(shù)字化與計算機控制,（4）計算機系統(tǒng)控制 ※簡單系統(tǒng)——包含以上部分（硬件＋ 軟件＋對象） ※復雜系統(tǒng)——許多對象，下位機＋網(wǎng) 絡上位 機,（3）測量、控制設備——同模擬控制,四、數(shù)字化與計算機控制,五、自動化基本設備,1、測量——傳感器（sensor)、變送器(trans

37、ducer),包括：溫度 、壓力、 流量、 液位、 成分 轉速（加速度）、 位置,兩大類：電 測 量：電壓、電流、功率非電量測量：轉換成電信號,基本結構,測量的重要性：相當人的眼睛、耳朵、觸覺、 嗅覺、味覺,高質量的控制離不開高精度的測量,五、自動化基本設備,2、控制器,五、自動化基本設備,※又如：部分洗衣機，撥碼式——彈簧計 數(shù)，接觸控制每一動作。,五、自

38、動化基本設備,電子控制器： 兩大類：,核心：自動控制原理及其實現(xiàn),數(shù)字控制器（計算機）：今后發(fā)展趨勢,模擬控制器：目前仍有較廣用途—— 如家用電器,五、自動化基本設備,3、執(zhí)行器,（1）電類（電動作式——控制電量） ※繼電器、接觸器 ※電機 ※電力電子,五、自動化基本設備,（3）混合類（電動作式——

39、控制非電量） ※電機＋（氣、液、固體）閥門、開關,（2）非電類（氣液動作式——控制非電量） ※閥門、開關（氣液動作式）,五、自動化基本設備,六、現(xiàn)代自動化技術,（一）控制理論與科學,建立在線性代數(shù)等數(shù)學基礎上 處理多變量系統(tǒng) ?最優(yōu)化、最優(yōu)控制,（2）現(xiàn)代控制理論,傳遞函數(shù)、根軌跡、頻率響應,（1）經(jīng)典控制理論,,,,,,,,,,,,,

40、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,兩種溶液混合，引入多變量解。,,,,六、現(xiàn)代自動化技術,（3）先進控制理論,（同上圖）引入非線性解、自適應解、魯棒解。,※H∞ 控制,※魯棒控制,※自適應控制理論,※各種非線性控制理論,六、現(xiàn)代自動化技術,2、智能控制,※解決難以解決的復雜系統(tǒng)的控制,※讓控制器具有智能——生物的智能,（5）遺傳算法,（4）學習控制,（3）專家系統(tǒng)控制,（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡,（1）模糊邏輯控制,六、現(xiàn)代

41、自動化技術,3、介紹：人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制,（3）簡單的多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡——多層感知器,（2）簡單的人工神經(jīng)元結構、數(shù)學表達式,（1）生物神經(jīng)元結構、特點,主要介紹：,六、現(xiàn)代自動化技術,（5）人工神經(jīng)網(wǎng)絡用于控制的一種方式（原理性）,（4）人工神經(jīng)網(wǎng)絡對非線性函數(shù)y=f(x)的逼近,六、現(xiàn)代自動化技術,（二）自動化技術,計算機的應用產(chǎn)生革命性的意義 管理與人對自動化系統(tǒng)的重要性 強調：

42、 對象＋硬件 ＋軟件 進一步 ＋網(wǎng)絡＋管理 再進一步 ＋ 人 ＝系統(tǒng),六、現(xiàn)代自動化技術,2、CIMS 與CIPS,1、DCS集散（分散）控制系統(tǒng),協(xié)調、優(yōu)化并分散危險（故障）,六、現(xiàn)代自動化技術,以機器人為單元的無人化工廠,控制與管理一體化,,,,,,,,,,,,制造業(yè)頂層信息化現(xiàn)代集成制造系統(tǒng),,,,

43、,,,,,,,,,,,,,,,企業(yè)間層,設備裝置層,控制節(jié)點層,企業(yè)層,單元層,工程層,制造業(yè)底層自動化機器人與自動化裝備,醫(yī)用機器人,本田的Asimo,索尼的SDR-4X,,Pino 人形機器人,,機器人足球,七、控制科學與自動化技術的發(fā)展,（一）控制科學的發(fā)展,國家基礎研究——認知科學的研究 國家自然科學重點——復雜控制系統(tǒng)理論,（二）自動化技術的發(fā)展,依托,計算機發(fā)展,生物工程發(fā)展,納米技術發(fā)展,,七、控制科學與自動化技術的