自动化专业简介及其学科前沿概要说课材料

自动化专业简介及其学科前沿概要| 自动化技术从产生到现在，它的发展始终没自动化技术从产生到现在，它的发展始终没有离开武器装备的需要。有离开武器装备的需要。|在第二次世界大战中，同盟国军队的主要在第二次世界大战中，同盟国军队的主要作战武器是火炮。当时的火炮威力大、射程远，作战武器是火炮。当时的火炮威力大、射程远，但是命中精度比较差。如果没有二战这个巨大但是命中精度比较差。如果没有二战这个巨大的实验场，自动化技术也不会有如此大的发展。的实验场，自动化技术也不会有如此大的发展。可以这样说可以这样说“军事装备是自动化之父，二战是军事装备是自动化之父，二战是自动化诞生的产房自动化诞生的产房”。|如果说军事设备是自动化之父，那么工业如果说军事设备是自动化之父，那么工业生产就是自动化之母。自动化生产是人们梦寐生产就是自动化之母。自动化生产是人们梦寐以求的事情。以求的事情。|福特发明的汽车生产线是最成功的早期生福特发明的汽车生产线是最成功的早期生产线，产线，1913年福特创建了由专用机床组成的年福特创建了由专用机床组成的“运动中的组装线运动中的组装线”在这种生产线上，要组装在这种生产线上，要组装的部件由传送带运到一个个工人面前，每一个的部件由传送带运到一个个工人面前，每一个工人只完成一种操作。工人只完成一种操作。|自动化技术为生产力的发展起了巨大作用，自动化技术为生产力的发展起了巨大作用，实现了人们摆脱繁重的劳动的愿望。同时自动实现了人们摆脱繁重的劳动的愿望。同时自动化技术也在应用中得到不断发展和完善。化技术也在应用中得到不断发展和完善。 |自动化科学以数学和电子学为基础，自动化科学以数学和电子学为基础，根据应用对象，还包含力学、热学、根据应用对象，还包含力学、热学、电磁学、化学等很多学科，有些极电磁学、化学等很多学科，有些极端的研究方向甚至还要包括社会科端的研究方向甚至还要包括社会科学。学。20世纪世纪70年代后，计算机技术年代后，计算机技术和适应计算机技术的新数学方法逐和适应计算机技术的新数学方法逐渐取代了源于渐取代了源于19世纪末二十世纪初世纪末二十世纪初的数学方法和电子学在自动化科学的数学方法和电子学在自动化科学中的地位。而在当今，由于自动控中的地位。而在当今，由于自动控制理论中大量新问题的出现，使得制理论中大量新问题的出现，使得其中涉及的数学和计算机科学问题其中涉及的数学和计算机科学问题极端困难。因此，在西方自动化科极端困难。因此，在西方自动化科学已经基本不再作为一个独立学科，学已经基本不再作为一个独立学科，而是被分化到数学、计算机科学的而是被分化到数学、计算机科学的研究内容中去。研究内容中去。 |采用具有自动控制，能自动调节、检测、采用具有自动控制，能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。自动化程度已成强度、保障生产安全等。自动化程度已成为衡量现代国家科学技术和经济发展水平为衡量现代国家科学技术和经济发展水平的重要标志之一。的重要标志之一。 |自动化必须依赖自动识别系统自动化必须依赖自动识别系统.自动识别自动识别系统是现代工业和商业及物流领域中系统是现代工业和商业及物流领域中.生生产自动化产自动化.销售自动化销售自动化.流通自动化过程中流通自动化过程中.所必备的自动识别设备以及配套的自动识所必备的自动识别设备以及配套的自动识别软件所构成的体系别软件所构成的体系. 自动识别系统几乎覆盖了现代生活领域自动识别系统几乎覆盖了现代生活领域中的各个环节中的各个环节.并具有及大的发展空间并具有及大的发展空间.其其中比较常见的条形码打印设备和扫描设备中比较常见的条形码打印设备和扫描设备.手机二维码的应用手机二维码的应用.指纹防盗锁指纹防盗锁.自动售货自动售货柜柜.自动投币箱自动投币箱.POS机等机等. | 自动化专业主要研究的是自动控制自动化专业主要研究的是自动控制的原理和方法，自动化单元技术和的原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有动化。它具有“控（制）管（理）控（制）管（理）结合，强（电）弱（电）并重，软结合，强（电）弱（电）并重，软（件）硬（件）兼施（件）硬（件）兼施”鲜明的特点，鲜明的特点，是理、工、文、管多学科交叉的宽是理、工、文、管多学科交叉的宽口径工科专业。口径工科专业。 |学生在毕业后能从事自动控制、自动化、信学生在毕业后能从事自动控制、自动化、信号与数据处理及计算机应用等方面的技术工号与数据处理及计算机应用等方面的技术工作。就业领域也非常宽广，包括高科技公司、作。就业领域也非常宽广，包括高科技公司、科研院所、设计单位、大专院校、金融系统、科研院所、设计单位、大专院校、金融系统、通信系统、税务、外贸、工商、铁道、民航、通信系统、税务、外贸、工商、铁道、民航、海关、工矿企业及政府和科技部门等。未来海关、工矿企业及政府和科技部门等。未来随着自动化技术应用领域的日益拓展，对这随着自动化技术应用领域的日益拓展，对这一专业人才的需求将会不断增加，自动化专一专业人才的需求将会不断增加，自动化专业的毕业生也将借助这一技术的广泛应用而业的毕业生也将借助这一技术的广泛应用而在社会生活的各个领域、经济发展的各个环在社会生活的各个领域、经济发展的各个环节找到发挥自己专长的理想位置。自动化专节找到发挥自己专长的理想位置。自动化专业一直以来是社会急需的人才。包括电气自业一直以来是社会急需的人才。包括电气自动化、铁路、化工等诸多领域。动化、铁路、化工等诸多领域。 自动化工程师自动化工程师从事自动化系统的维护、从事自动化系统的维护、优化等工作；优化等工作；自动化设计师自动化设计师从事自动化从事自动化系统的设计和开发；系统的设计和开发；软件工程师软件工程师处理自处理自动化系统中相关的软件的设计和开发。动化系统中相关的软件的设计和开发。还可还可以从事教学和相关的研究工作以从事教学和相关的研究工作。 |本专业培养的学生要具备电工技术、本专业培养的学生要具备电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业领域的工程技术基础和一定的专业知识，能在运动控制、工业过程控知识，能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面工作的高级工程技发及研究等方面工作的高级工程技术人才。术人才。 |本专业学生主要学习电工技术、电子技术、控制本专业学生主要学习电工技术、电子技术、控制理论、信息处理、系统工程、自动检测与仪表、理论、信息处理、系统工程、自动检测与仪表、计算机技术与应用和网络技术等方面的基本理论计算机技术与应用和网络技术等方面的基本理论和基本知识，受到较好的工程实践基本训练；具和基本知识，受到较好的工程实践基本训练；具有系统分析、设计、开发与研究的基本能力。毕有系统分析、设计、开发与研究的基本能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力：业生应获得以下几方面的知识和能力： 具有较扎实的自然科学基础，较好的人文社具有较扎实的自然科学基础，较好的人文社会科学基础和外语综合能力；会科学基础和外语综合能力； 掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知识，主要包括电路理论、电子技术、控制理论、识，主要包括电路理论、电子技术、控制理论、信息处理、计算机软硬件基础及应用等；信息处理、计算机软硬件基础及应用等； 较好地掌握运动控制、工业过程控制及自动化较好地掌握运动控制、工业过程控制及自动化仪表、电力电子技术及信息处理等方面的知识，仪表、电力电子技术及信息处理等方面的知识，具有本专业领域具有本专业领域12个专业方向的专业知识和技个专业方向的专业知识和技能，了解本专业学科前沿和发展趋势；能，了解本专业学科前沿和发展趋势； 获得较好的系统分析、系统设计及系统开发方获得较好的系统分析、系统设计及系统开发方面的工程实践训练；面的工程实践训练； 在本专业领域内具备一定的科学研究、科技开在本专业领域内具备一定的科学研究、科技开发和组织管理能力，具有较强的工作适应能力发和组织管理能力，具有较强的工作适应能力。 |对于一个高中生来说，对于一个高中生来说，“自动化自动化”（Automatization）这样一个专业恐怕有些）这样一个专业恐怕有些费解，不过要是向在读的大学生或者毕业费解，不过要是向在读的大学生或者毕业生咨询自动化专业时，我想他们会不约而生咨询自动化专业时，我想他们会不约而同地伸出大拇指向你推荐这个专业。为什同地伸出大拇指向你推荐这个专业。为什么呢，一般来说不外乎有这样几个原因：么呢，一般来说不外乎有这样几个原因：一是一是属于信息产业。信息产业被人们誉为属于信息产业。信息产业被人们誉为“朝阳产业朝阳产业”，发展快、需要人才多、待，发展快、需要人才多、待遇高，是当今科技发展的趋势所在。因此，遇高，是当今科技发展的趋势所在。因此，作为信息产业中的重要一员，自动化专业作为信息产业中的重要一员，自动化专业同样有着光辉的前途。同样有着光辉的前途。二是二是自动化应用范自动化应用范围广。目前，几乎所有的工业部门都可以围广。目前，几乎所有的工业部门都可以同自动控制挂上钩，现代化的农业、国防同自动控制挂上钩，现代化的农业、国防也都与自动化息息相关。也都与自动化息息相关。三是三是本专业对于本专业对于个人发展非常有利。本专业课程设置的覆个人发展非常有利。本专业课程设置的覆盖面广，所学的东西与其他学科交叉甚多。盖面广，所学的东西与其他学科交叉甚多。这也与本专业的来历有关，自动化专业大这也与本专业的来历有关，自动化专业大部分源于计算机或者电子工程系的自动控部分源于计算机或者电子工程系的自动控制专业。制专业。 |那么我们来看看这样一个那么我们来看看这样一个“万金油万金油”的专业需的专业需要哪些方面的知识和能力吧。自动控制理论、要哪些方面的知识和能力吧。自动控制理论、运筹学、信号与系统分析、计算机软件技术应运筹学、信号与系统分析、计算机软件技术应用、算法语言及程序设计、模拟电子技术基础、用、算法语言及程序设计、模拟电子技术基础、电路原理等等，甚至连流体力学也要修。可以电路原理等等，甚至连流体力学也要修。可以说自动化专业需要工科各方面的知识，其课程说自动化专业需要工科各方面的知识，其课程与电子工程、计算机、电机工程甚至化学工程与电子工程、计算机、电机工程甚至化学工程都有交叉，这就难怪自动化人才可以到各种各都有交叉，这就难怪自动化人才可以到各种各样的领域工作了。以上的学习特点要求学生有样的领域工作了。以上的学习特点要求学生有较强的理工科背景，不能偏科。当然，各高校较强的理工科背景，不能偏科。当然，各高校自动化专业侧重点的不同也使得后期的专业课自动化专业侧重点的不同也使得后期的专业课有较大的差异。在同样的几年要修比别人多的有较大的差异。在同样的几年要修比别人多的课程也就意味着比别人更累，所以希望那些对课程也就意味着比别人更累，所以希望那些对大学生活存在天真幻想，或者想在本科几年好大学生活存在天真幻想，或者想在本科几年好好休息、期待风花雪月的同学不要报考这个专好休息、期待风花雪月的同学不要报考这个专业，繁重的学业压力以及全面发展的要求对你业，繁重的学业压力以及全面发展的要求对你来说将是个痛苦。但是，对那些有志于学到真来说将是个痛苦。但是，对那些有志于学到真本领、硬功夫的同学来说，这个专业真的是一本领、硬功夫的同学来说，这个专业真的是一个非常好的选择。如此热门的专业带来的当然个非常好的选择。如此热门的专业带来的当然是激烈甚至残酷的竞争，像电子、计算机这些是激烈甚至残酷的竞争，像电子、计算机这些电类专业一样，自动化的报考难度也不小。电类专业一样，自动化的报考难度也不小。|自动化专业的优势在就业时候体现自动化专业的优势在就业时候体现得更为突出。得更为突出。首先首先，所有的行业都，所有的行业都可以同自动化挂钩，转行非常容易，可以同自动化挂钩，转行非常容易，“硬硬”可转电子工程，可转电子工程，“软软”可转可转计算机，也可转通信，当然待遇也计算机，也可转通信，当然待遇也是非常不错。是非常不错。如果考研如果考研，还有中国，还有中国科学院一些相关院所可供选择。同科学院一些相关院所可供选择。同“电类电类”的其他几个专业类似，自的其他几个专业类似，自动化在出国方面也并不是特别容易，动化在出国方面也并不是特别容易，而且国外大学基本没有对应专业，而且国外大学基本没有对应专业，一般来说需要申请电子工程或者计一般来说需要申请电子工程或者计算机科学专业，这也使自动化专业算机科学专业，这也使自动化专业的毕业生在选择出国留学时更为不的毕业生在选择出国留学时更为不利。不过总体说来，自动化专业就利。不过总体说来，自动化专业就前途来看还是让人相当满意的。前途来看还是让人相当满意的。|自动化专业教育是伴随着自动化技自动化专业教育是伴随着自动化技术在社会生产、生活中的广泛应用术在社会生产、生活中的广泛应用而兴起的。它主要研究自动控制的而兴起的。它主要研究自动控制的原理和方法，自动化单元技术和集原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应成技术及其在各类控制系统中的应用。在这一领域，美国处于世界领用。在这一领域，美国处于世界领先水平。由于自动化技术的广泛应先水平。由于自动化技术的广泛应用，社会对这一专业的人才需求也用，社会对这一专业的人才需求也大为增加，为了适应这一形势，美大为增加，为了适应这一形势，美国的大学及时地把这一专业的教育国的大学及时地把这一专业的教育引进了课堂。因为这一专业技能的引进了课堂。因为这一专业技能的适用性，这很快引起了青年学生浓适用性，这很快引起了青年学生浓厚的兴趣，这为以后美国在这一领厚的兴趣，这为以后美国在这一领域的迅速发展并遥遥领先于他国奠域的迅速发展并遥遥领先于他国奠定了雄厚的人才基础。定了雄厚的人才基础。 |我国在这一技术领域内的研究也比较早，我国在这一技术领域内的研究也比较早，但真正作为一门专业教育走进大学的课堂但真正作为一门专业教育走进大学的课堂较之国外就比较晚了。这也是后来我国这较之国外就比较晚了。这也是后来我国这一领域的后备人才不足，与其他国家产生一领域的后备人才不足，与其他国家产生差距的一个重要原因。建国初期，人民政差距的一个重要原因。建国初期，人民政权面临的是百废待兴的局面，社会主义经权面临的是百废待兴的局面，社会主义经济建设需要有先进的生产技术。于是在党济建设需要有先进的生产技术。于是在党和国家的支持下，一批学校如清华大学、和国家的支持下，一批学校如清华大学、北京大学、上海交通大学、北京理工大学北京大学、上海交通大学、北京理工大学都纷纷设立了相关专业教育和专业技术研都纷纷设立了相关专业教育和专业技术研究所。改革开放后，迎着第四次新科技革究所。改革开放后，迎着第四次新科技革命的浪潮，自动化专业教育得到了长足的命的浪潮，自动化专业教育得到了长足的发展。除原先已经开设与此相关专业的高发展。除原先已经开设与此相关专业的高等院校外，另有一大批高校如北京邮电大等院校外，另有一大批高校如北京邮电大学、北京航空航天大学、东南大学、南京学、北京航空航天大学、东南大学、南京大学等都增设有此专业。大学等都增设有此专业。 |据统计目前开设有自动化专业教育的学校已据统计目前开设有自动化专业教育的学校已占全国高等院校的占全国高等院校的90%还多，因为其广泛的还多，因为其广泛的适用性和社会对这一专业人才的广泛需求，适用性和社会对这一专业人才的广泛需求，它受到了越来越多的人的青睐。一般的院校它受到了越来越多的人的青睐。一般的院校每年都以每年都以200300人的招生量广纳贤人，有人的招生量广纳贤人，有的高校甚至还要多，学历层次也由专科、本的高校甚至还要多，学历层次也由专科、本科到硕士、博士不等，形成了梯级人才培养科到硕士、博士不等，形成了梯级人才培养的教育模式。近些年，在这一领域涌现出许的教育模式。近些年，在这一领域涌现出许多著名的教授、专家，师资力量大为增强，多著名的教授、专家，师资力量大为增强，例如清华大学自动化系的例如清华大学自动化系的吴澄吴澄教授在系统集教授在系统集成技术方面的造诣很深，成技术方面的造诣很深，陈禹六陈禹六、熊光楞熊光楞、杨家本杨家本、杨士元杨士元、萧德云萧德云教授等在各自的研教授等在各自的研究领域成果颇丰，同济大学的吴启迪教授长究领域成果颇丰，同济大学的吴启迪教授长期从事现代控制理论与应用，自动化系统工期从事现代控制理论与应用，自动化系统工程和计算机集成制造系统及智能自动化系统程和计算机集成制造系统及智能自动化系统的理论与应用研究。东南大学自动控制系和的理论与应用研究。东南大学自动控制系和自动化研究所拥有以自动化研究所拥有以钱钟韩钱钟韩教授、教授、冯纯佰冯纯佰教教授两位中科院院士为首的高水平学科带头人。授两位中科院院士为首的高水平学科带头人。这些优秀的学者、专家为我国新时期高科技这些优秀的学者、专家为我国新时期高科技的发展作出了卓越的贡献。的发展作出了卓越的贡献。 |展望新的世纪，随着信息革命的兴起和新展望新的世纪，随着信息革命的兴起和新经济的冲击，自动化专业教育必然会受到经济的冲击，自动化专业教育必然会受到世界各国的更加重视。因为这一技术已从世界各国的更加重视。因为这一技术已从办公自动化、工业自动化逐渐向家庭自动办公自动化、工业自动化逐渐向家庭自动化发展，它与普通民众的日常生活发生了化发展，它与普通民众的日常生活发生了千丝万缕的联系，更进一步的发展势在必千丝万缕的联系，更进一步的发展势在必然然 。我国在进入。我国在进入90年代以后，随着社会年代以后，随着社会主义市场经济的搞活和对外开放政策的深主义市场经济的搞活和对外开放政策的深入，社会对自动化专业人才的需求日益扩入，社会对自动化专业人才的需求日益扩大，并连续几年出现供不应求的状况（近大，并连续几年出现供不应求的状况（近几年此专业毕业生的供需比为几年此专业毕业生的供需比为1 10还还强）。随着外国一些大型企业进入国内市强）。随着外国一些大型企业进入国内市场，本国的一些知名企业也将走向世界，场，本国的一些知名企业也将走向世界，这样高科技人才的竞争将日趋激烈，对本这样高科技人才的竞争将日趋激烈，对本专业人才的需求也将大为扩大。所以在未专业人才的需求也将大为扩大。所以在未来几十年内，自动化专业教育必将会有一来几十年内，自动化专业教育必将会有一个充分发展的空间。个充分发展的空间。 下面以一个简单的例子，下面以一个简单的例子，来说明自动化的原理。来说明自动化的原理。自动化设备和机器的关键就在于反馈的存在，自动化设备和机器的关键就在于反馈的存在，正是有了他的存在，才使自动化成为可能。反正是有了他的存在，才使自动化成为可能。反馈就是自动化的奥妙所在。所以自动控自原理馈就是自动化的奥妙所在。所以自动控自原理也叫反馈控制原理。也叫反馈控制原理。一个自动化系统无论结构多么复杂都是由下面一个自动化系统无论结构多么复杂都是由下面几部分组成：几部分组成：第一，检测比较装置。第一，检测比较装置。第二，控制器。第二，控制器。第三，执行机构。第三，执行机构。第四，控制量。第四，控制量。|模糊控制模糊控制其实我很清楚其实我很清楚|最优控制最优控制-“没有更好只有最好没有更好只有最好”|自适应控制自适应控制以变制变以变制变|鲁棒控制鲁棒控制以静制动以静制动|线性控制理论纵横线性控制理论纵横|非线性控制理论的发展非线性控制理论的发展|PID控制控制简而优秀简而优秀|预测控制预测控制未卜先知未卜先知|故障诊断故障诊断神医妙手神医妙手|人工智能人工智能智慧之巅智慧之巅|专家系统专家系统身边的专家身边的专家|推理控制推理控制经验的作用经验的作用|集散控制系统（集散控制系统（DCS） | 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。思考问题的重要方法论。| 1965年美国的控制论专家年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创教授创立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊立了模糊集合论，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法法模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心模糊控制也随之问世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。对象进行有效的控制。| 模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。的成效。|最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择控制规律才能使控制系统的性能和品质在某控制规律才能使控制系统的性能和品质在某种意义下为最优，求解最优控制问题的方法，种意义下为最优，求解最优控制问题的方法，目前主要的就是上述的两种方法，另外可能目前主要的就是上述的两种方法，另外可能还会用到一些数值解法。用这些方法已经成还会用到一些数值解法。用这些方法已经成功的解决了许多动态控制问题，如最小时间功的解决了许多动态控制问题，如最小时间控制，最少燃料控制和最佳调节器等。最优控制，最少燃料控制和最佳调节器等。最优控制已经在航天，航海，导弹，电力系统，控制已经在航天，航海，导弹，电力系统，控制装置，生产设备和生产过程中得到了比控制装置，生产设备和生产过程中得到了比较成功的应用，而且在经济系统和社会系统较成功的应用，而且在经济系统和社会系统中也得到了广泛的应用。而最优控制问题的中也得到了广泛的应用。而最优控制问题的实质就是要找出容许的控制作用或控制规律，实质就是要找出容许的控制作用或控制规律，使动态系统（受控对象）从初始状态转移到使动态系统（受控对象）从初始状态转移到某种要求的终端状态，并且保证某种要求的某种要求的终端状态，并且保证某种要求的性能指标达到最小值或者是最大值。性能指标达到最小值或者是最大值。|时至今日，最优控制理论的研究，无论在深时至今日，最优控制理论的研究，无论在深度或是广度上，都有了较大的进展。然而，度或是广度上，都有了较大的进展。然而，随着人们对客观世界认识的不断深化，又提随着人们对客观世界认识的不断深化，又提出了一系列有待解决的新问题。可以毫不夸出了一系列有待解决的新问题。可以毫不夸张地说，最优控制理论依旧是极其活跃的科张地说，最优控制理论依旧是极其活跃的科学领域之一。学领域之一。| 在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变在日常生活中，所谓自适应是指生物能改变自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，自己的习性以适应新的环境的一种特征。因此，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，直观地讲，自适应控制器应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。性的变化。| 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的定性的系统，这里所谓的“不确定性不确定性”是指描述是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。其中包含一些未知因素和随机因素。| 任何一个实际系统都具有不同程度的不确定任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。这就是自适应控制所要研究解决的问题。| 鲁棒控制（鲁棒控制（Robust Control）方面的研究始）方面的研究始于于20世纪世纪50年代。在过去的年代。在过去的50年中，鲁棒控制年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。所谓一直是国际自控界的研究热点。所谓“鲁棒鲁棒性性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒能的不同定义，可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。固定控制器称为鲁棒控制器。| 鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。一些离线辨识。| 一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的一般鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。常用的设计方法有：态。常用的设计方法有：INA方法，同时方法，同时 镇定，镇定，完整性控制器设计，鲁棒控制，完整性控制器设计，鲁棒控制， 鲁棒鲁棒PID控制控制以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。| 鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。飞行器的控制是这类系统的例子。|线性控制理论是系统与控制理论中最为成熟和最线性控制理论是系统与控制理论中最为成熟和最为基础的一个组成分支，是现代控制理论的基石。为基础的一个组成分支，是现代控制理论的基石。系统与控制理论的其他分支，都不同程度地受到系统与控制理论的其他分支，都不同程度地受到线性控制理论的概念、方法和结果的影响和推动。线性控制理论的概念、方法和结果的影响和推动。| 严格地说，一切实际的系统都是非线性的，严格地说，一切实际的系统都是非线性的，真正的线性系统在现实世界是不存在的。但是，真正的线性系统在现实世界是不存在的。但是，很大一部分实际系统，它们的某些主要关系特性，很大一部分实际系统，它们的某些主要关系特性，在一定的范围内，可以充分精确地用线性系统来在一定的范围内，可以充分精确地用线性系统来加以近似地代表。并且，实际系统与理想化了的加以近似地代表。并且，实际系统与理想化了的线性系统间的差别，对于所研究的问题而言已经线性系统间的差别，对于所研究的问题而言已经小到无关紧要的程度而可予以忽略不计。因此，小到无关紧要的程度而可予以忽略不计。因此，从这个意义上说，线性系统或者可线性化的系统从这个意义上说，线性系统或者可线性化的系统又是大量存在的，而这正是研究线性系统的实际又是大量存在的，而这正是研究线性系统的实际背景。背景。| 简单说，线性系统理论主要研究线性系统状简单说，线性系统理论主要研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性方法，态的运动规律和改变这种运动规律的可能性方法，建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的确建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的确定的和定量的关系。在对系统进行研究的过程中，定的和定量的关系。在对系统进行研究的过程中，建立合理的系统数学模型是首要的前提，对于线建立合理的系统数学模型是首要的前提，对于线性系统，常用的模型有时间域模型和频率域模型，性系统，常用的模型有时间域模型和频率域模型，时间域模型比较直观，而频率域模型则是一个更时间域模型比较直观，而频率域模型则是一个更强大的工具，而者建立的基本途径一般都通过解强大的工具，而者建立的基本途径一般都通过解析法和实验法。析法和实验法。 | 对非线性控制系统的研究，到上个世纪四对非线性控制系统的研究，到上个世纪四十年代，已取得一些明显的进展。主要的分析十年代，已取得一些明显的进展。主要的分析方法有：相平面法、李亚普诺夫法和描述函数方法有：相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等。这些方法都已经被广泛用来解决实际的法等。这些方法都已经被广泛用来解决实际的非线性系统问题。但是这些方法都有一定的局非线性系统问题。但是这些方法都有一定的局限性，都不能成为分析非线性系统的通用方法。限性，都不能成为分析非线性系统的通用方法。例如，用相平面法虽然能够获得系统的全部特例如，用相平面法虽然能够获得系统的全部特征，如稳定性、过渡过程等，但大于三阶的系征，如稳定性、过渡过程等，但大于三阶的系统无法应用。李亚普诺夫法则仅限于分析系统统无法应用。李亚普诺夫法则仅限于分析系统的绝对稳定性问题，而且要求非线性元件的特的绝对稳定性问题，而且要求非线性元件的特性满足一定条件。虽然这些年来，国内外有不性满足一定条件。虽然这些年来，国内外有不少学者一直在这方面进行研究，也研究出一些少学者一直在这方面进行研究，也研究出一些新的方法，如频率域的波波夫判据，广义圆判新的方法，如频率域的波波夫判据，广义圆判据，输入输出稳定性理论等。但总的来说，非据，输入输出稳定性理论等。但总的来说，非线性控制系统理论目前仍处于发展阶段，远非线性控制系统理论目前仍处于发展阶段，远非完善，很多问题都还有待研究解决，领域十分完善，很多问题都还有待研究解决，领域十分宽。宽。|非线性控制理论作为很有前途的控制理论，非线性控制理论作为很有前途的控制理论，将成为二十一世纪的控制理论的主旋律，将为将成为二十一世纪的控制理论的主旋律，将为我们人类社会提供更先进的控制系统，使自动我们人类社会提供更先进的控制系统，使自动化水平有更大的飞越。化水平有更大的飞越。PID（比例（比例-积分积分-微分）控制器作为最早实用化的微分）控制器作为最早实用化的控制器已有控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（控制器由比例单元（P）、积分单元）、积分单元（I）和微分单元（）和微分单元（D）组成。其输入）组成。其输入e (t)与输出与输出u (t)的关系为的关系为: 因此它的传递函数为：因此它的传递函数为： 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ki和和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。元是必不可少的。 PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器控制器是最简单的有时却是最好的控制器 预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制馈校正等控制策略，因而控制效果好，适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程，所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在所以它一出现就受到国内外工程界的重视，并已在石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制石油、化工、电力、冶金、机械等工业部门的控制系统得到了成功的应用。系统得到了成功的应用。 下面以模型算法控制为例子来说明预测控制的基下面以模型算法控制为例子来说明预测控制的基本原理本原理: 由于预测控制具有适应复杂生产过程控制的特由于预测控制具有适应复杂生产过程控制的特点，所以预测控制具有强大的生命力。可以预言，点，所以预测控制具有强大的生命力。可以预言，随着预测控制在理论和应用两方面的不断发展和完随着预测控制在理论和应用两方面的不断发展和完善，它必将在工业生产过程中发挥出越来越大的作善，它必将在工业生产过程中发挥出越来越大的作用，展现出广阔的应用的前景。用，展现出广阔的应用的前景。 现代的机械制造系统具有控制规模大、自动化现代的机械制造系统具有控制规模大、自动化程度高和柔性化强的特点。由于制造系统的结构越程度高和柔性化强的特点。由于制造系统的结构越来越复杂，价格越来越昂贵，因此因为各种故障而来越复杂，价格越来越昂贵，因此因为各种故障而导致的停机都是不可忍受的负担。故障诊断系统就导致的停机都是不可忍受的负担。故障诊断系统就能够在这个情况下满足需要，也就是能够合理制定能够在这个情况下满足需要，也就是能够合理制定维修计划，最大限度减少停机维修的时间，以及在维修计划，最大限度减少停机维修的时间，以及在故障发生之后能够迅速做出反应。因此，故障诊断故障发生之后能够迅速做出反应。因此，故障诊断系统在现在得到了迅速的发展。系统在现在得到了迅速的发展。 故障诊断是随着生故障诊断是随着生产过程的复杂化而产产过程的复杂化而产生的一种技术，由于生的一种技术，由于和现代传感器技术、和现代传感器技术、专家系统技术相结合，专家系统技术相结合，已经展现出了很强的已经展现出了很强的生命力，必将为提高生命力，必将为提高企业的生产效率和稳企业的生产效率和稳定性提供越来越强大定性提供越来越强大的支持。的支持。| 人工智能是一门边缘学科，用来模拟人的思人工智能是一门边缘学科，用来模拟人的思维，已经引起了许多学科的日益重视，并且维，已经引起了许多学科的日益重视，并且有越来越多的实用意义，而且许多不同专业有越来越多的实用意义，而且许多不同专业背景的科学家正在人工智能领域内获得一些背景的科学家正在人工智能领域内获得一些新的思维和新的方法。作为一个计算机科学新的思维和新的方法。作为一个计算机科学中涉及智能计算机系统的一个分支，这些系中涉及智能计算机系统的一个分支，这些系统呈现出与人类的智能行为有关的特性。统呈现出与人类的智能行为有关的特性。| 人工智能的主要领域包括问题求解、语人工智能的主要领域包括问题求解、语言处理、自动定理证明、智能数据检索等领言处理、自动定理证明、智能数据检索等领域。这些综合概念在自然语言处理、情报检域。这些综合概念在自然语言处理、情报检索、自动程序设计、数学证明都有重要应用。索、自动程序设计、数学证明都有重要应用。人工智能的第一个大成就是发展了能够求解人工智能的第一个大成就是发展了能够求解难题的下棋程序。难题的下棋程序。| 人工智能包含的领域非常广泛，问题的人工智能包含的领域非常广泛，问题的求解只是其中的一个重要方面。其他的方面求解只是其中的一个重要方面。其他的方面包括比如谓词演算、规则演绎系统、机器人包括比如谓词演算、规则演绎系统、机器人问题以及专家系统等一系列问题。人工智能问题以及专家系统等一系列问题。人工智能作为一个复杂的边缘学科，正在有着越来越作为一个复杂的边缘学科，正在有着越来越广阔的前景，随着新的数学理论的完善以及广阔的前景，随着新的数学理论的完善以及计算机新的硬件的出现，人工智能必将能够计算机新的硬件的出现，人工智能必将能够更好地模拟人的思维。更好地模拟人的思维。| 专家系统专家系统(Expert System)是一个基于知识的智能推理是一个基于知识的智能推理系统，它涉及到对知识获取、知识库、推理控制机制系统，它涉及到对知识获取、知识库、推理控制机制以及智能人机接口的研究，是集人工智能和领域知识以及智能人机接口的研究，是集人工智能和领域知识于一体的系统。近些年，专家系统的迅速发展和广泛于一体的系统。近些年，专家系统的迅速发展和广泛应用大大推进了各个应用领域向智能化方向发展，成应用大大推进了各个应用领域向智能化方向发展，成为人工智能从实验室研究进入实用领域的一个里程碑。为人工智能从实验室研究进入实用领域的一个里程碑。| 在一个成熟的专家系统中，有几项技术是极为关在一个成熟的专家系统中，有几项技术是极为关键的。首先，为了便于知识在计算机中的存贮、检索、键的。首先，为了便于知识在计算机中的存贮、检索、使用和修改，并进行推理和搜索，知识表示技术必须使用和修改，并进行推理和搜索，知识表示技术必须具有很高的效率，目前主要有产生式表达法、语义网具有很高的效率，目前主要有产生式表达法、语义网络表达法、框架表达法、谓词逻辑表达法等技术，并络表达法、框架表达法、谓词逻辑表达法等技术，并且新的技术还在开发当中；其次，因为要在专家系统且新的技术还在开发当中；其次，因为要在专家系统中用计算机模拟人的思维，不精确推理方法是必不可中用计算机模拟人的思维，不精确推理方法是必不可少的，针对实际需要，概率算法一度成为最重要的方少的，针对实际需要，概率算法一度成为最重要的方法，近几年来，模糊数学的引入为这一领域的发展开法，近几年来，模糊数学的引入为这一领域的发展开辟了新的前景；最后，和知识表示技术与推理方法相辟了新的前景；最后，和知识表示技术与推理方法相关，作为人的思维搜索过程的模拟，搜索策略的好坏关，作为人的思维搜索过程的模拟，搜索策略的好坏对系统的成败也是意义重大的，现在人们已经利用的对系统的成败也是意义重大的，现在人们已经利用的技术有状态空间法、问题递归法、最佳优先法等。技术有状态空间法、问题递归法、最佳优先法等。|总之，人工智能系统的特殊性，决定了它是一个总之，人工智能系统的特殊性，决定了它是一个跨越多学科、充满活力、对基础研究的依赖性很强的跨越多学科、充满活力、对基础研究的依赖性很强的一个领域，它的发展，必将向我们展示科学技术王国一个领域，它的发展，必将向我们展示科学技术王国的更多魅力，也会令我们的生活更为美好。的更多魅力，也会令我们的生活更为美好。|物理传感器物理传感器 |光纤传感器光纤传感器 |仿生传感器仿生传感器|红外传感器红外传感器 |电磁传感器电磁传感器 |磁光效应传感器磁光效应传感器|压力传感器压力传感器 |温度传感器温度传感器 |超声波传感器超声波传感器|虚拟仪表虚拟仪表 |步进电机步进电机 |变频器变频器|电磁阀电磁阀 |液压装备液压装备 |继电器控制设备继电器控制设备|单片机单片机 |可编程控制器（可编程控制器（PLC）|工业计算机（工业计算机（IPC）|自动化的制造业自动化的制造业| 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