自动化学科概论--学生版课件

自动化学科概论（1）了解自动化专业（课程）的整体框架。各基础课、专业课设置各专业方向内涵与设置各专业课与各专业方向之间的关系重要的基础、专业课（2）了解本专业（课程）与其它专业（课程）的关系一、序言设这样一门课的目的：三、自动控制基本原理四、数字化与计算机控制五、自动化基本设备六、现代自动化技术七、控制科学与自动化技术的发展一、序言二、自动化专业简介 课程内容安排一、序言具体安排具体安排 总共16学时，单周上课，第3周开始 分5次讲课，每次3学时 1次自动化实验室参观课程具体安排课程的特点与难度课程的特点与难度矛盾从需求考虑：开的越早越好；但从效果考虑：开的晚一些为好，因为需要有一定的高等数学基础。一、序言二、自动化专业简介1、学科、专业划分2、自动化的研究内容3、自动化的作用与重要性4、自动化专业、学科的特点5、自动化专业与其它专业的关系6、我校自动化专业7、自动化专业本科课程设置8、自动化专业有关实验室介绍1、学科、专业划分专业、学科的含义和划分有多种，不同层专业、学科的含义和划分有多种，不同层面（层次）有不同理解与划分。一般分为：面（层次）有不同理解与划分。一般分为：二、自动化专业简介采用能理解又基本符合 研究生教育层面内涵的学科专业划分方法l社会层面中学教育l本科生层面一般意义上的大学教育l研究生层面研究生教育理科（理工类）文科中学层面理学类物理专业数学专业工学类自动化专业（一级学科）计算机专业通信专业机械专业电工专业建筑专业。本科层面（学士）控制理论与控制工程（二级学科）模式识别与智能系统（二级学科）检测技术与自动化仪表（二级学科）导航与制导(二级学科）研究生层面（硕士博士）(1)(1)自动化的内涵与外延自动化的内涵与外延l日常生活中，较少听到”自动化”这个名词l更多听到的是：这个设备(器具)是自动的、自动控制的或全自动的二、自动化专业简介2、自动化的研究内容日常生活中常见的：*家庭：全自动全自动照相机、洗衣机、电饭煲*高档楼宇：自动自动门、自动自动自来水开关*交通：自动控制自动控制的红绿灯、火车上的自动自动烧开水机*银行：自动自动取款机ATM2、自动化的研究内容（续）二、自动化专业简介自动化设备的特点：工作时不需要（或很少需要）人参与，却能按照人的要求“自动”完成其承担的任务。充分理解：充分理解：v 各种自动的（或自动控制的）设备仅是一项大的自动化工程中的一个细胞。v 而以上例举的自动的设备 仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞二、自动化专业简介2、自动化的研究内容(续)自动化的应用举例：l工业自动化自动机、自动生产线、无人车间、无人工厂二、自动化专业简介2、自动化的研究内容(续)Intelligence and human-machine interfaceLinuxPMACServo ControllerMotion ControllerMotion PlanningLocal ControllerInternetRobotCameraMicrophoneScanner机器人系统结构的例子以机器人为单元的无人化工厂控制与管理一体化控制与管理一体化制造业顶层信息化制造业顶层信息化现代集成制造系统现代集成制造系统 企业间层企业间层设备装置层设备装置层控制节点层控制节点层企业层企业层单元层单元层工程层工程层制造业底层自动化制造业底层自动化机器人与自动化装备机器人与自动化装备能量管理系统：电、气、水全自动管理空气质量系统：温度、湿度、空气质量管理安全消防系统：安检、消防自动报警、救护系统办公自动化：二、自动化专业简介l楼宇（管理）自动化2、自动化的研究内容(续)l军事自动化无人飞机、导弹l交通自动化l机器人二、自动化专业简介2、自动化的研究内容(续)壁壁面面清清洗洗机机器器人人擦擦玻玻璃璃机机器器人人采摘机器人医用机器人自动化的研究内容宽广，自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广并且越来越宽广自动化是一门名副其实的多学科交叉学科自动化是一门名副其实的多学科交叉学科二、自动化专业简介2、自动化的研究内容(续)比人干得更快、更好，极大地提高生产力从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低。例：5元数字计算机3、自动化的作用与重要性二、自动化专业简介把人从繁重的危险的工作中解放出来矿井掘井、核电站检查、消防救火、无人侦察机、导弹（无人）基本作用（传统观念）基本作用（传统观念）完成人无法完成的工作管道机器人（各种油管、水管）、水下6000米机器人扩展作用扩展作用管理、经济、金融过程管理、经济、金融过程智能化二、自动化专业简介3、自动化的作用与重要性(续)自动化在国民经济、国家综合实力中起着举足轻重的作用，并且其作用越来越重要。自动化在人民日常生活中亦将起着举足轻重的作用。二、自动化专业简介3、自动化的作用与重要性(续)l国家863高科技发展计划（有所为，有所不为）分6个领域自动化、能源、信息、新材料、生物与农业、资源环境（海洋）就有一个自动化领域自动化领域分CIMS主题、机器人主题二、自动化专业简介3、自动化的作用与重要性(续)所以讲：所以讲：自动化是当代高科技的集自动化是当代高科技的集中体现与应用。中体现与应用。智能机器人是当代高科技的智能机器人是当代高科技的结晶。结晶。宋键宋键二、自动化专业简介3、自动化的作用与重要性(续)自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。自动化学科是当代高技术的集中体现与应用。目前，离开计算机，自动化一事无成。但光有计算机，能改变周围的一切吗？二、自动化专业简介（I）学科特点）学科特点4、自动化专业、学科的特点（II）研究、应用特点研究、应用特点宽、广，几乎无所不包，并且，伴随其它技术发展，越来越广。二、自动化专业简介4、自动化专业、学科的特点(续)（III）学自动化的特点学自动化的特点在所有学工的学生中，学自动化学习的计算机学习的计算机仅次于计算机专业仅次于计算机专业。在所有学工的学生中，学自动化需要的数学知需要的数学知识最多识最多。因此我们一直说：自动化专业基础面宽，需要学的知识多，并要求扎实。二、自动化专业简介4、自动化专业、学科的特点(续)从而：从而：学自动化专业的适应面宽、分配好，且工作易成功。这符合大学改革的方向这符合大学改革的方向宽基础、宽专业面宽基础、宽专业面4、自动化专业、学科的特点(续)二、自动化专业简介5、自动化专业与其它专业的关系 l l交叉学科的集中体现交叉学科的集中体现如前介绍：计算机、电子电气等等二、自动化专业简介l l其它专业向自动化扩展其它专业向自动化扩展机械工程及其自动化电气工程及其自动化动力工程及其自动化甚至：甚至：农业工程及其自动化交通运输自动化（I）自控系自动化所）自控系自动化所合办一个本科专业自动化专业（对应一级学科，控制科学与工程）三个研究生学位点 （对应三个二级学科）二、自动化专业简介6、我校自动化专业（II）围绕研究生教育，系、所划分）围绕研究生教育，系、所划分自控系自动化所研究生学位点（80）检测与仪表教研室检测技术与自动化仪表（81）控制理论教研室信息室控制理论与控制工程（82）工业自动化教研室系统室仿真室（83）模式识别教研室智能室模式识别与智能系统（III）自动化专业水平）自动化专业水平二、自动化专业简介毕业生质量（统计数字较少，比较困难）成绩办学条件师资四方面评价：6、我校自动化专业(续)一位（科学院）院士（国内仅清华有两位，上交大0个，浙大1个，我校共有7位）下作比较（与国内一流自动化专业比）l l师资师资有较多的教授、博导、博士。二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)在自动化一级学科下全部二级学科均有博士（硕士）授予权l l办学条件办学条件国家级重点学科（全国只有13所/东大只有10个国家重点学科）二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)一批国际高水平论文（在国内享有盛誉）获全国首届百篇优秀博士论文之一一项国际大奖一批国家级奖励l l取得成绩取得成绩二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)2002年国务院学位委员会首次全国十二个一级学科整体水平整体水平排名(试点试点)0701 0701 数学数学 0811 0811 控制科学与工程控制科学与工程0702 0702 物理学物理学 0812 0812 计算机科学与技术计算机科学与技术0703 0703 化学化学 0831 0831 生物医学工程生物医学工程0901 0901 作物学作物学 0802 0802 机械工程机械工程0904 0904 植物保护植物保护 0809 0809 电子科学与技术电子科学与技术1201 1201 管理科学管理科学 0810 0810 信息与通信工程信息与通信工程 与工程与工程二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)与我校有关工科（08）6个一级学科整体水平整体水平按学校排名0831 0831 生物医学工程生物医学工程 第第2 2 生医系生医系0811 0811 控制科学与工程控制科学与工程 第第5 5 自动控制自动控制系系0810 0810 信息与通信工程信息与通信工程 第第5 5 无线电系无线电系0809 0809 电子科学与技术电子科学与技术 第第8 8 电子系电子系0812 0812 计算机科学与技术计算机科学与技术 第第17 17 计算机系计算机系0802 0802 机械工程机械工程 第第21 21 机械系机械系1201 1201 管理科学与工程管理科学与工程 第第16 16 管理学院管理学院二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)与我校“控制科学与工程控制科学与工程”(”(自动化专业自动化专业)有有关关整体水平整体水平按学校排名情况东北大学东北大学1,浙江大学浙江大学2,清华大学清华大学3上海交通大学上海交通大学4,东南大学东南大学5西安交通大学西安交通大学6,哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学7国防科学技术大学国防科学技术大学8,北京理工大学北京理工大学9北京航空航天大学北京航空航天大学10,华中科技大学华中科技大学11南京理工大学南京理工大学15,南京航空航天大学南京航空航天大学23二、自动化专业简介6、我校自动化专业(续)总之总之 我校自动化学科（专业）在国内是一流的，在校内也是一流的。我们应当自豪我们应当自豪!我们还需努力我们还需努力!6、我校自动化专业(续)二、自动化专业简介因此，我校自动化专业围绕研究生3个学位点(二级学科)设置专业方向课二、自动化专业简介因此，各人会涉及到选专业方向课自动化研究内容、应用领域极其广阔自动化研究内容、应用领域极其广阔办自动化专业不可能面面俱到，只能有所侧重学自动化专业更不可能面面俱到，必须有所侧重7、自动化专业本科课程设置 必修课选修课二、自动化专业简介面向全校各专业(公共课)工科专业（自然科学基础课）自动化专业一级学科基础课一级学科实践课一级学科主干课课程设置二级学科（方向）训练课二级学科选修课7、自动化专业本科课程设置(续)7、自动化专业本科课程设置(续)二、自动化专业简介（I）必修课政治与德育课公共基础课（体育、英语、语文等）面向全校各专业自然科学基础课数学、物理、化学计算机基础自动化概论工科专业7、自动化专业本科课程设置(续)二、自动化专业简介一级学科基础课电路分析、信号与系统计算机结构与逻辑、微机系统与接口电子线路、电磁场与波网络通信自控原理（I）7、自动化专业本科课程设置(续)二、自动化专业简介一级学科实践课电路实验微机实验电子实验综合课程设计7、自动化专业本科课程设置(续)二、自动化专业简介一级学科主干课自动控制原理（II）计算机控制技术电机原理与拖动管理信息系统7、自动化专业本科课程设置(续)二、自动化专业简介（II）选修课A组：二级学科（方向）训练课（任选两组）C组：D组：B组：智能控制检测技术自动化仪表设计系统辨识与仿真数字信号处理图象处理自动控制系统电力电子技术检测技术与自动化仪表（二级学科）控制理论与工程（二级学科）模式识别与智能系统（二级学科）二、自动化专业简介二级学科选修课数据结构、通信原理二选一电子电路CADFOXPRO、C语言计算机软件、仪表抗干扰机器人及控制、过程控制五选三四选二多媒体、自动化工具软件7、自动化专业本科课程设置(续)8、自动化专业有关实验室介绍二、自动化专业简介实验室：工业自动化实验室自动控制原理实验室计算机硬件实验中心(校级)研究室：机器人研究室运动控制研究室过程控制研究室三、自动控制基本原理 控制科学严密严格的数学（深厚的数学基础）应用于控制工程合理的近似因 为：控 制 对 象 绝 大 多 数 非 常 复 杂，非线性/相互耦合Intelligence and human-machine interfaceLinuxPMACServo ControllerMotion ControllerMotion PlanningLocal ControllerInternetRobotCameraMicrophoneScanner机器人系统结构的例子1 1、自动控制系统的两大基本类型、自动控制系统的两大基本类型（1）开环控制（非反馈控制）（2）闭环控制（反馈或负反馈控制）人工闭环控制自动闭环控制三、自动控制基本原理 如直流电机转速开环控制如直流电机转速开环控制控制器对象转速给定控制量转速功率放大器机械设备电动机+V三、自动控制基本原理 开环：开环：简单 不准确（希望1000r/min，实际 950r/min）三、自动控制基本原理 人工闭环人工闭环功率放大器+V转速表三、自动控制基本原理 自动闭环控制自动闭环控制功率放大器+V测速发电机三、自动控制基本原理 控制器对象反馈（测量）参考输入偏差输出三、自动控制基本原理 开环：开环：简单 不准确（希望1000r/min，实际 950r/min）闭环：闭环：准确复杂、设备多三、自动控制基本原理 2、自动控制包含的基本内容（1）对象数学模型的建立与分析控制器设计-控制的核心（2）执行器设计测量器设计自动控制系统包含的内容包含的内容自动控制原理自动控制工程包含的内容控制器、执行器、测量器选型安装、（现场）调试（3）三、自动控制基本原理 3、对象建模与分析基础：数学、物理例：SISO系统HQoQi控制阀节流阀三、自动控制基本原理（1）建立微分方程式*输入流量Qi；输出流量Qo；液面高度H要求控制在一定值内；系统输入量Qi；(中间变量Qo）；系统输出量（被控量）H*建立微分方程式a、根据物质守恒定律三、自动控制基本原理 b、消去中间变量这是标准的一阶非线性微分方程非线性系统注：*该系统已经作了简化与近似，完整的系统还要复杂。*即使这样的简化、近似式，处理亦很困难，需要较深的数学。三、自动控制基本原理（2）简化微分方程式线性化常用方法 基础：数学中的在某点的泰勒级数展开，并取一阶近似。三、自动控制基本原理 三、自动控制基本原理 这是标准的一阶线性微分方程线性系统可写成：对象r(t)y(t)三、自动控制基本原理（3）用传递函数表示）用传递函数表示对线性系统两边同求拉普拉斯变换R(S)Y(S)微微分分方方程程线线性性系系统统三、自动控制基本原理 R(S)Y(S)对象r(t)y(t)SISO系统HQoQi控制阀节流阀4、控制器设计、控制器设计（如上例：液位系统）开环控制是不行的，溢出或流干必须闭环控制，如下图三、自动控制基本原理 Qi浮子测量元件HQo执行阀控制器液面给定三、自动控制基本原理（1）为何闭环控制能满足要求直观上应能满足控制框图方框图如上原理：偏差调节控制KG(S)测量1y输出yyo=Hor=Qi三、自动控制基本原理 闭环传递函数三、自动控制基本原理 三、自动控制基本原理（2）设计控制器的几大要点稳定性什么是不稳定：如水溢出、流干稳定性是压倒一切的。对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学是自动控制重要研究内容三、自动控制基本原理 tYo=HoHoy稳态误差稳态误差动态特性三、自动控制基本原理（3）控制器的发展模拟模拟数字混合式全数字式计算机（软件实现）线性非线性简单复杂常规智能三、自动控制基本原理 微小型机器人系统二自由度机电控制平台特点：特点：lSCARA结构结构l直流伺服驱动直流伺服驱动l可重构可重构二自由度机器人平台伺服控制系统方框图滤波滤波位置位置控制控制速度速度控制控制电流电流控制控制电机电机负载负载位置位置检测器检测器微分微分指令指令位置环位置环速度环速度环位置环位置环位置指令位置指令速度指令速度指令速度指令速度指令位置指令位置指令速度指令速度指令速度指令速度指令直流伺服驱动器DSP门极驱动门极驱动HBridge电机电机码盘信号码盘信号电流检测电流检测PWMRS232/RS485嵌入式嵌入式控制器控制器嵌入式机器人控制系统嵌入式机器人控制系统嵌入式控制器硬件结构框图四、数字化与计算机控制 1、数字化（1）模拟量到数字量矩形近似梯形近似（区间t=(KT)(K+1)T）两边积分（2）微分方程到差分方程四、数字化与计算机控制 四、数字化与计算机控制（3）实际处理（实现）数字/模拟转换模拟/数字转换采样四、数字化与计算机控制 对象输出数字控制器数/模转换测量模/数转换执行器数字给定计算机数字化测量、控制设备模拟量四、数字化与计算机控制（1）计算机硬件计算机本身接口（A/D、D/A等）（2）计算机软件各种控制（智能）分时控制/集散控制四、数字化与计算机控制（4）计算机系统控制简单系统包含以上部分（硬件软件对象）复杂系统许多对象，下位机网络上位机（3）测量、控制设备同模拟控制四、数字化与计算机控制 五、自动化基本设备1、测量传感器（sensor)、变送器(transducer)模/数转换计算机包括：温度、压力、流量、液位、成分转速（加速度）、位置两大类：电测量：电压、电流、功率非电量测量：转换成电信号基本结构基本结构对象变送器模/数计算机传感器微弱信号标准电信号5V/20mA数字信号测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、嗅觉、味觉高质量的控制高质量的控制离不开高精度的测量高精度的测量五、自动化基本设备2、控制器目前绝大多数为电子控制器分立元件IC计算机集散控制系统五、自动化基本设备又如：部分洗衣机，拨码式弹簧计数，接触控制每一动作。历史上（及目前一些简单的场合）机械式控制器如：飞锤转速调节五、自动化基本设备电子控制器电子控制器：两大类：核心：自动控制原理及其实现数字控制器（计算机）：今后发展趋势模拟控制器：目前仍有较广用途如家用电器五、自动化基本设备3、执行器（1）电类（电动作式控制电量）继电器、接触器电机电力电子五、自动化基本设备（3）混合类（电动作式控制非电量）电机（气、液、固体）阀门、开关（2）非电类（气液动作式控制非电量）阀门、开关（气液动作式）五、自动化基本设备六、现代自动化技术（一）控制理论与科学建立在线性代数等数学基础上处理多变量系统最优化、最优控制（2）现代控制理论传递函数、根轨迹、频率响应（1）经典控制理论两种溶液混合，引入多变量解。六、现代自动化技术（3）先进控制理论变结构微分几何反馈线性化（同上图）引入非线性解、自适应解、鲁棒解。H控制鲁棒控制自适应控制理论各种非线性控制理论六、现代自动化技术 2、智能控制解决难以解决的复杂系统的控制让控制器具有智能生物的智能（5）遗传算法（4）学习控制（3）专家系统控制（2）人工神经网络（1）模糊逻辑控制六、现代自动化技术 3、介绍：人工神经网络控制（3）简单的多层人工神经网络多层感知器（2）简单的人工神经元结构、数学表达式（1）生物神经元结构、特点主要介绍：六、现代自动化技术（5）人工神经网络用于控制的一种方式（原理性）（4）人工神经网络对非线性函数y=f(x)的逼近六、现代自动化技术 逆系统原系统1ydxyyyd（二）自动化技术计算机的应用产生革命性的意义管理与人对自动化系统的重要性强调：对象硬件软件进一步网络管理再进一步人系统六、现代自动化技术 进出工厂（企业）多层网络，从底层车间厂调度室总经理办公室从生产仓库计划（营销）2、CIMS与CIPS1、DCS集散（分散）控制系统协调、优化并分散危险（故障）六、现代自动化技术 以机器人为单元的无人化工厂控制与管理一体化控制与管理一体化制造业顶层信息化制造业顶层信息化现代集成制造系统现代集成制造系统 企业间层企业间层设备装置层设备装置层控制节点层控制节点层企业层企业层单元层单元层工程层工程层制造业底层自动化制造业底层自动化机器人与自动化装备机器人与自动化装备医用机器人本田的本田的Asimo索尼的索尼的SDR-4XPino人形机器人机器人足球机器人足球七、控制科学与自动化技术的发展（一）控制科学的发展国家基础研究认知科学的研究国家自然科学重点复杂控制系统理论数学工具的突破人（生物）大脑研究的突破寄希望于（二）自动化技术的发展依托计算机发展生物工程发展纳米技术发展国家863高技术自动化领域CIMS机器人七、控制科学与自动化技术的发展 重点：系统、集成技术