自動化專業(yè)知識結構

1、自動化學科專業(yè)的知識結構體系淺析2008-05-06 14:03:32作者：戴先中來源：中國大學教學2005.2瀏覽次數：61文字大?。骸敬蟆俊局小俊拘　恳?、引言 構筑一個學科（專業(yè)）的知識大廈中的各部分知識之間肯定是有 聯(lián)系的（絕不是簡單的堆壘），而分析一個學科（專業(yè)）的知識結構并建立相應的知識體 系就是要找出其內在的有機聯(lián)系，并通過知識之間的.一、引言構筑一個學科（專業(yè)）的知識大廈中的各部分知識之間肯定是有聯(lián)系的（絕不是簡單的 堆壘），而分析一個學科（專業(yè)）的知識結構并建立相應的知識體系就是要找出其內在的有 機聯(lián)系，并通過知識之間的關聯(lián)表述將其清晰地給出，從而使每一位剛接觸該學科（專業(yè)）

2、的人員都能清晰地和正確地了解，需要掌握哪些知識和為什么要掌握這些知識。本文從分析自動化學科的基本概念著手，通過深入剖析自動化學科的核心內容及其相互 之間的關系，一步一步地嘗試勾畫自動化學科的完整的知識結構和一目了然的知識體系。通過本文的分析，還將嘗試給出，作為一名自動化專業(yè)的本科生，必須具備的基本知識 結構和必須掌握的基本知識內容，供參考。二、自動科學與技術學科的核心內容自動化始于用機器實現(xiàn)各種自動進行的操作。從最初的控制機器、設備，到控制過程（大 到整個化工過程、制藥過程、煉鋼過程等）、控制系統(tǒng)（大到整個汽車制造系統(tǒng)、交通運輸 系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、經濟系統(tǒng)等），自動化科學與技術的發(fā)展一方面提高生

3、產力和促進科學技 術、社會經濟和國防軍事的全面發(fā)展，另一方面把人從繁重、危險和重復、可程序化的工作 中解放出來，以從事更具創(chuàng)造性的勞動。完成對機器、設備及小型過程、系統(tǒng)的自動操作的控制器，從控制原理上看，最初是開 環(huán)直接控制的、以后大多數是閉環(huán)反饋控制的，最初基于經典控制理論、以后基于現(xiàn)代控制 理論，多變量魯棒控制理論等等；從控制方式（工程實現(xiàn)）上看，最早是機械式的（如瓦特 發(fā)明的蒸汽機離心式調速器），以后經歷了模擬電子式、數字電子式，直到目前的數字計算 機式的自動控制器。這樣的控制器基本解決了控制論中最基本的問題，即如何對系統(tǒng)施 加控制作用使其表現(xiàn)出預定的行為。一個極其簡單的自動化電一一烘烤

4、爐的原理如下:把來自溫度傳感器的信息與控制盤 上的信息進行比較，然后接通或斷開電源，烘烤爐能使溫度自動地保持在合適的范圍內。烘 烤爐中具備了一個最簡單的控制器應包括的檢測、執(zhí)行和計算三部分，它們與工作對象一起 構成一個完整的自動化系統(tǒng)一一反饋控制系統(tǒng)。反饋控制的原理是，首先檢測出實際輸出， 并與期望輸出相比較，然后進行誤差補償，計算出控制量，并用執(zhí)行器來控制工作對象，使 實際輸出向期望輸出逼近。前大多使用數字計算機或微處理器構成控制器，來完成控制要求的計算、通訊與各種信 息處理，并采用大量的傳感器、執(zhí)行器來獲取各種信息和完成各種復雜的操作。一個采用計 算機控制的典型自動化系統(tǒng)，除了檢測、計算和

5、執(zhí)行三個基本部分外，增加了 模數（A/D） 轉換和數/模（D/A）轉換，以便于數字計算機實現(xiàn)控制計算。而對大型復雜過程、復雜系統(tǒng)的控制（包括優(yōu)化、管理等），由于其結構、層次的高度 復雜性及與人、環(huán)境交互的復雜性，除了基本的（反饋）控制以外，需要額外的協(xié)調和控制 手段。這正是維納在其控制論中明確指出的，控制論是一門新的學科，其研究對象是一 個系統(tǒng)的各個不同部分（子系統(tǒng)）之間相互作用的定性性質以及整個系統(tǒng)的總的運動狀態(tài)。 計算機集成制造系（CIMS）的著名遞階控制結構，分成工廠層、車間層、單元層、工作站 層和設備層等五層，每一層又可分解為多個部分，構成樹狀結構，涵蓋了從市場預測、計劃 制訂一直到每

6、一個具體設備的控制的全過程。由上簡要分析可知，自動化科學與技術學科的核心研究內容是如何應用信息（計算機） 技術處理各類（復雜）系統(tǒng)的有效控制問題”，其中控制與系統(tǒng)的概念不但是自動化科學與 技術與其他科學技術最大的不同點，更是自動化科學對其他許多科學技術發(fā)展所作的重要貢 獻所在。三、自動化學科的知識結構和知識體系上面我們?yōu)樽詣踊瘜W科的知識大廈首先建立了這樣的核心內容框一控制與系統(tǒng)，并 分析了反饋閉環(huán)控制是自動控制的最基本形式，（復雜）大系統(tǒng)的協(xié)調控制是自動化學科研 究的主要問題。為了加深對這些概念與框架的認識，更為了勾畫出自動化學科的知識結構，我們再次分 析采用計算機控制的典型自動化系統(tǒng)結構圖，

7、實際上也是一個典型的負反饋閉環(huán)控制圖。為 容易看出它的反饋結構，將它畫成比較標準的圖1。圖1雖然表示的僅僅是一個典型的負反饋閉環(huán)控制的結構圖，但實際上它深刻地反映了 自動化科學與技術學科的許多知識之間的關系與聯(lián)系。下面將從三方面，對圖1表示的負反 饋閉環(huán)控制結構進行更深入地分析，分析其各部分同自動化學科的知識領域之間的關系，為 下一步構筑自動化學科的知識大廈做準備。圖1負反饋閉環(huán)控制結構從反饋與控制的角度看負反饋閉環(huán)控制結構正如下面分析的，圖1給出的是“反饋” 結構，實現(xiàn)的是“控制”功能，通過這樣的負反饋閉環(huán)控制，能對被控量實行有效的控制。可以說有相當一大部分實際運行的自動化系統(tǒng)（包括大型復雜

8、系統(tǒng)中的許多子系統(tǒng)）可歸納為 圖1所示的典型結構。因此圖1給出的負反饋閉環(huán)控制圖是自動化控制的本質圖、核心圖。從信息與物質、能量的角度看負反饋閉環(huán)控制結構為了比較容易地看出負反饋閉環(huán) 控制圖反映的信息與物質、能量的關系，對圖1添加上相應的標注使成為圖2。在圖2中， 左面處理的都是“信息”，而右面則與“物質”、“能量”有關。信息控制控制器信息應用物質世界信息控制控制器平襯回執(zhí)4 罔*一II|信號處理傳金器K信息處理膏函信扈獲取層 I 物質、能量層圖2從信息與物質、能量的角度來看基本的負反饋閉環(huán)控制結構從信息與物質、能量的角度，整個負反饋閉環(huán)控制的過程又可表述為，傳感器將反映被 控制物質世界對象狀

9、態(tài)的“物質”與“能量”轉換為“信息”（此過程就稱為信息獲取），經過信 息傳輸、信息處理和信息控制，再經過執(zhí)行器將“信息”轉換為能對被控制對象狀態(tài)產生作用 的“物質，與“能量”，從而改造物質世界。從數字量與模擬量的角度看負反饋閉環(huán)控制結構采用數字計算機作為控制器，在任 一個負反饋閉環(huán)控制中就存在著兩種量，在時間軸上連續(xù)的模擬量”與在時間軸上不連續(xù) （稱為離散）的“數字量”，如圖3所示。在圖3中，如以模/數 （A/D）轉換和數/模 （D/A） 轉換為分界線，左面處理的都是數字量，而右面則與模擬量有關。圖3雖然只是將負反饋閉 環(huán)控制劃分成了數字量部分與模擬量部分，但實際上反映出了許多深層次的東西，它

10、們是:圖3從數字量與模擬量的角度來看基本的負反饋閉環(huán)控制結構（1） “數字量”總是弱電低電壓、小電流，而“模擬量”既有弱電，又有強電高 電壓、大電流，還涉及非電量（與物理、化學過程有關的量），這些量真實地反映了被控對 象的（機械、電氣）狀態(tài)；（2） “數字量”部分通常對應著數字計算機，因而這樣的控制常稱為計算機控制，相應 的控制系統(tǒng)就稱為計算機控制系統(tǒng)。這深刻地反映了計算機（包括硬件與軟件）在現(xiàn)代自動 化系統(tǒng)中的重要性與突出地位；分析到這兒，我們不難發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的與自動化科學與技術學科有關的控制方面的知 識都能從圖1所示的典型負反饋閉環(huán)控制中反映出來，換句話說，完成一個基本系統(tǒng)的反饋 控制需

11、要到幾乎全部自動化學科知識領域中的知識（雖然只是每個知識領域中的部分知識）。 因此，將負反饋閉環(huán)控制結構圖（圖1）中的每一部分作為自動化學科中的一個知識領域十 分合適，圖4給出了這種對應關系，從而圖1所示的負反饋閉環(huán)控制結構圖就可以演變?yōu)橛?反饋控制表示的知識結構圖（如圖5中的控制知識層所示）。在該圖中，反饋控制的每一部 分（每個框）代表一個知識領域，箭頭代表了知識領域之間的關系。廠知i只領域：，知i只領域：、,i只領域：胖制與智能!1辿行與驅動:f付角與建模 :1知i只單元：:知i只單元：:1Sfli只單元： :控制理論1!機電汽液驅動;i建模、系統(tǒng)辨識:可靠性與容錯:自動化儀表:i電機原理

12、與傳動i人工.智能光.機電-體化!.機械.峨理與結構I人機控制等等，X 電力電子X 機器人原理等等/ TOC o 1-5 h z y 、y1-I控制器 日反邛執(zhí)行器卜 IL! 信號姓理 V A/D 卜 傳感器yk L11!二了如識領域:、，知識領域，、，r知識領域：、 犀機W姓理 ;： 網緡與通信:! 傳感與檢測 :；知識單元：|知識單元：知識單元：:I信號、圖象姓理:!通信技術 |1理化生等化感器i-并行、分布姓理：1計算機網絡I! 檢測、通測、遙感!算、搜索、推理A多媒體 !測耄信、處理、模式識別等等/、遙技術等等八、機器人感知等等/圖4負反饋閉環(huán)控制中的各部分與相應的知識領域的對應關系在

13、控制知識層的基礎上，加上構筑自動化學科知識大廈必不可少的基礎知識層，再加上 對應自動化科學技術主要研究的系統(tǒng)（控制）問題一一系統(tǒng)知識層，我們可得出自動化學科 的整個知識結構框架，如圖5所示。系統(tǒng)知識層知識領域系統(tǒng)七工程系統(tǒng)知識層知識單元：大系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)、運動控 制條統(tǒng)、過榔控制系航、集成倡動化系統(tǒng)、 管理信息系統(tǒng)、系統(tǒng)工程、運籌學、智能 系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、務智能體等等基礎/知識層/知識領域，數理基礎、機電基礎、計算化基礎/知識單元：數學、力學、物理、化學、現(xiàn)代生物學、生命科學、.掀樸學、恩維科學、系/ 統(tǒng)科學、管理科學、電工電產基礎、機械基礎、-算化原理、計算機語言、微化原理等等圖5自動化科

14、學與技術學科的三層知識結構圖由此，整個自動化學科的知識體系由三層知識構成，包括十個知識領域，分別是：1）基礎知識層：含三個知識領域，分別為數理基礎、機電基礎、計算機基礎；2）控制知識層：含六個知識領域，分別為傳感與檢測（或信息獲?。?、網絡與通信（或 信息傳輸）、計算與處理（或信息處理）、控制與智能（或信息控制）、執(zhí)行與驅動（或信 息能量轉換）、對象與建模；3）系統(tǒng)知識層：含一個知識領域一一系統(tǒng)與工程。在以上十個知識領域中，反映自動化學科特點的是控制與智能、傳感與檢測、執(zhí)行與驅 動、對象與建模、系統(tǒng)與工程等五個知識領域；而控制與智能、對象與建模、系統(tǒng)與工程等 三個知識領域則可視為自動化學科知識體

15、系的核心知識，也是自動化學科與其他學科的最大 區(qū)別。四自動化專業(yè)的知識結構與知識體系“學科（Discipline）”與“專業(yè)（Specialty）”具有不同的含義。根據漢語字典與英語詞典 的解釋，“學科”是“知識或學習的一門分科”或是“知識或教學的一個分支”，表明學科具有雙 重含義，分別對應著科學技術研究與科學工程教育。而專業(yè)”的意思卻很單一，漢語的解釋 是“高等學校的一個系里或中等專業(yè)學校里的學業(yè)門類僅指科學工程教育；而英語的解 釋是“特殊的職業(yè)、技能或技巧比漢語的含義還要窄(注：在英語國家中，往往只有學科來 對科學工程教育分類)?？紤]到大學本科教育主要還是在教與學的層面上，尊重我國的習慣

16、稱呼，本文用“專業(yè)”來稱呼大學本科教學。在上一節(jié)中給出了面向整個科學技術研究與科學工程教育的自動化學科的知識結構與 知識體系，顯然對面向高等科學工程教育的自動化專業(yè)來說，其知識結構是一樣的，知識體 系是類似的。雖然相對整個學科的知識體系，自動化專業(yè)的知識結構是一樣的，但一方面各個知識領 域包含的知識單元要少得多，另一方面即使知識單元的名稱相同，包含的知識內容也要窄得 多、基礎得多。對應著大學本科教學，各個知識領域包含的知識單元分別列舉如下，其中帶下劃線_ ”的單元為核心知識單元；打“*”的單元為擴展知識單元，可與研究生教學共享，也可作 為專業(yè)方向或選修知識單元：“數理基礎”知識領域，包含的知識單元有：數學分析(或高等數學)、線性代數、 概率與隨機過程、復變函數與積分變換、大學物理、工程化學、現(xiàn)代生物弊；“機電基礎”知識領域，包含的知識單元有：工程制圖、機械基礎、電路、電磁場、 模擬電子、數字電子、信號分析；“計算機基礎”知識領域，包含的知識單元有：計算機基礎、計算機程序設計基礎、 邀機原理、單片機、可編程序控制器(PLC)；“傳感與檢測”知識領域，包含的知識單元有：驗測技術、業(yè)感器、儀表抗干擾技術、 測量信號處理*；“計算機與處理”知識領域，包含的知識單元有：計算機網絡、通信原理*:“計算與處理”知識領域，包含的知識單元有：數字信號處理、計算算法基礎、圖像 處理*、模式