自動化學科概論-學生版

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——研究生教育理科（理工類）文科中學層面理學類物理專業(yè)數(shù)學專業(yè)工學類自動化專業(yè)（一級學科）計算機專業(yè)通信專業(yè)機械專業(yè)電工專業(yè)建筑專業(yè)。。。。。。本科層面（學士）控制理論與控制工程（二級學科）模式識別與智能系統(tǒng)（二級學科）檢測技術與自動化儀表（二級學科）導航與制導(二級學科）研究生層面（碩士博士）(1)自動化的內涵與外延

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：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ATM2、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。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))Intelligenceandhuman-machineinterfaceLinuxPMACServoControllerMotionControllerMotionPlanningLocalControllerInternetRobotCameraMicrophoneScanner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、 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、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。

——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，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

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

自控系

自動化所

研究生學位點

（80）檢測與儀表教研室

檢測技術與自動化儀表

（81）控制理論教研室

信息室

控制理論與控制工程

（82）工業(yè)自動化教研室

系統(tǒng)室

仿真室（83）模式識別教研室

智能室

模式識別與智能系統(tǒng)

（III）自動化專業(yè)水平

二、自動化專業(yè)簡介

?畢業(yè)生質量（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）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)

0701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)本科課程設置(續(xù))

二、自動化專業(yè)簡介（I）必修課政治與德育課公共基礎課（體育、英語、語文等）面向全校各專業(yè)自然科學基礎課數(shù)學、物理、化學計算機基礎自動化概論工科專業(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（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)簡介二級學科選修課數(shù)據(jù)結構、通信原理二選一電子電路CADFOXPRO、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， 非線性/相互耦合Intelligenceandhuman-machineinterfaceLinuxPMACServoControllerMotionControllerMotionPlanningLocalControllerInternetRobotCameraMicrophoneScanner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）

人工閉環(huán)控制自動閉環(huán)控制三、自動控制基本原理

如直流電機轉速開環(huán)控制

控制器對象轉速給定控制量轉速功率放大器機械設備電動機+V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）

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內容（1）對象數(shù)學模型的建立與分析控制器設計----控制的核心（2）執(zhí)行器設計測量器設計自動控制系統(tǒng)包含的內容包含的內容自動控制原理自動控制工程包含的內容控制器、執(zhí)行器、測量器選型安裝、（現(xiàn)場）調試（3）三、自動控制基本原理

3、對象建模與分析基礎：數(shù)學、物理例：SISO系統(tǒng)HQoQi控制閥節(jié)流閥三、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。*即使這樣的簡化、近似式，處理亦很困難，需要較深的數(shù)學。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：對象r(t)y(t)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R(S)Y(S)微分方程線性系統(tǒng)三、自動控制基本原理

R(S)Y(S)對象r(t)y(t)SISO系統(tǒng)HQoQi控制閥節(jié)流閥4、控制器設計（如上例：液位系統(tǒng)）※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

Qi浮子——測量元件HQo執(zhí)行閥控制器液面給定三、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)控制KG(S)測量1Δy輸出y＋－yo=ΔHor=ΔQi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

（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

tYo=ΔHoHoy穩(wěn)態(tài)誤差※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、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電機碼盤信號電流檢測PWMRS232/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※矩形近似※梯形近似（區(qū)間t=(KT)~(K+1)T）兩邊積分（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

對象輸出＋－數(shù)字控制器數(shù)/模轉換測量模/數(shù)轉換執(zhí)行器數(shù)字給定計算機數(shù)字化測量、控制設備模擬量四、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）（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(transducer)模/數(shù)轉換計算機包括：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對象變送器模/數(shù)計算機傳感器微弱信號標準電信號5V/20mA數(shù)字信號測量的重要性：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、控制器目前絕大多數(shù)為電子控制器分立元件IC計算機集散控制系統(tǒng)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。歷史上（及目前一些簡單的場合）——機械式控制器※如：飛錘轉速調節(jié)五、自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——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