自动化技术概论 - Zhejiang...

自动化技术概论自动化技术概论

控制科学与工程学系

宋执环

浙江大学本科生通识课程浙江大学本科生通识课程

课程安排

理论课：第一周---第四周

第一、二周：宋执环

第三、四周：冯毅萍

实验课：第五周---第八周

冯毅萍、胡赤鹰、仲玉芳、曹铮

第一讲

自动化技术的内涵与发展历程

自动化系统的定义

所谓“自动化” ——是指用机器、设备或系统，代替人或在人的操作下，完成某种作业任务、实现某种过程控制和运行、进行某种事物管理等。

“自动化”技术已广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、经济、建筑、教育、服务业及家庭等方面。

人类社会的进步和生产力的发展，促进了人类劳动和生活方式的不断改进，由人力劳动发展到机械化、工业化，然后又出现自动化。不同时期的“自动化”概念及其功能，均有可能发生变化（定义的修正、功能的扩充或概念的延伸）。

自动化系统的定义

运用某种人造装置代替人类对某种工程系统进行控制，使其在无人干预的情况下按照人类（设计者）的意愿进行工作，这样构成的系统称为自动化系统。（狭义定义）

也称为自动控制系统，或简称为控制系统

一般还包括自动监测系统、自动报警系统、遥测、遥感、遥控系统等。（广义定义）

自动化系统

支撑着国民经济各领域建设与发展的“自动化系统工程”，其核心技术之一就是“自动化系统”，它已成为当代发展迅速、应

用广泛、最引人瞩目的高新技术，它是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术，已成为高新技术发展水平的重要标志之一。

自动化技术：自动控制理论及应用、过程控制、自动化仪表、检测技术、计算机控制系统、企业综合自动化、信息系统集成技术、电气控制、信息处理……自动控制的分类运动控制：机械装置、机器人、电机控制

过程控制：物质流动、交换过程的控制

其它控制：楼宇、办公自动化；金融、医疗自动化

自动化技术

“自动化”的积累与发展，已成为一门应用性的技术科学。从信息、能量与物质的角度来说，“自动化”研究的是物质世界的信息运动规律和信息处理方法，以及能量与物质的有效利用等。它以控制论为基础，与系统论和信息论紧密相关，具有理论严紧、服务对象鲜明、系统复杂、应用普遍、适应性广等特点。“自动化”一方面将自动化科学原理与方法转换为工程技术，使之应用于工程实际，转化为生产力；另一方面又将实际中的问题提炼、抽象成为科学问题，为“自动化”提供新的研究问题。

自动化技术

自动化系统的存在背景

人类的本能：希望事物按照自己的意愿发展、追求轻松舒适和永不满足的欲望

人类的发展不断催生新的技术，各种各样的人造装置成为现代人类不可缺少的生存基础：

• 电灯、电话、电冰箱等家用电器，自来水、天然气等生活保障，汽车、火车、飞机、轮船等交通运输工具，……

自动化系统是使这些装置按照人的意愿工作的最基本保证之一

自动化系统的优越性

稳定可靠

动作精确

能够在恶劣环境下工作

能够大大提高工作效率和工作质量

使人类的能力得到极大的延伸

自动化技术发展阶段

前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900)

经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935)

经典控制(Classical Control)(1935-1950)

现代控制(Modern Control) (1950- )

自动化技术产生

1400B.C. ~1100B.C.，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶

300B.C.，李冰主持修筑都江堰体现了系统工程观念和实践。

西汉漏壶 都江堰

自动化技术产生

100年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置

235年中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车

自动化技术产生

1788年英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度

自动化技术产生

1866年英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船‘东方’号(Great Eastern)

我国古代的自动装置我国古代的自动装置

中国古代能工巧匠发明了许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要：

• 指南车

• 铜壶滴漏

• 计里鼓车

• 候风地动仪

• 漏水转浑天仪

• 水运仪象台

• 木马流牛

• ……

指南车及原理指南车及原理

铜壶滴漏铜壶滴漏

计里鼓车计里鼓车

漏水转浑天仪漏水转浑天仪

公元2世纪，中国东汉的

天文学家张衡创制的一种

天文表演仪器。它是一种

用漏水推动的水运浑象，

和现在的天球仪相似，可

以用来实现天体运行的自

动仿真。

候风地动仪图候风地动仪图

水运仪象台水运仪象台

公元1088年，苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。

水运仪象台枢轮和天衡装置示意图水运仪象台枢轮和天衡装置示意图

木马流牛木马流牛

历史记载中三国时诸葛亮发明的自动化运输装置

可惜没有具体文字和图形记载

近代自动装置近代自动装置

17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些

国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：

法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟

表；英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控

制的风磨；俄国机械师И.И.波尔祖诺夫（Ползунов）

于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。

自动化技术的形成自动化技术的形成

1769年瓦特发明蒸汽机

西方工业革命的标志

1788年瓦特又发明了飞球调速器

世界公认的第一个自动

控制系统

离心式调速器与蒸汽机离心式调速器与蒸汽机

调速器与蒸汽机调速器与蒸汽机形成自动调节系统形成自动调节系统

蒸汽源 蒸汽机(对象)

负荷

离心式

调速器(调节器)

进汽阀 转速

测量

自动控制理论的形成自动控制理论的形成

自动调节器和被控制对象（蒸汽机）组成自动调节系统（Automatic Regulation System）。当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。

1868年麦克斯维尔发表“论调速器”论文——公

认的自动控制（经典控制）理论开端

20世纪40年代维纳提出控制论后，以信息和控制为特征的自动化才正式进入了科学技术舞台

自动控制理论的发展历程自动控制理论的发展历程

经典控制理论

19世纪中叶至20世纪50年代初

现代控制理论

20世纪50年代末至？

先进控制技术

20世纪90年代至今

现代控制理论现代控制理论

二次世界大战，军事需求的推动

航空航天事业的需求

现代工业的发展需求

计算机技术的发展提供了条件

先进控制技术先进控制技术

现代科学技术的飞速发展对自动化技术提出了更高要求：

• 控制系统规模更大

• 控制系统复杂性更高

• 更高的控制系统性能

综合经典控制、现代控制、智能控制的长处，形成先进控制技术

自动化装置的发展自动化装置的发展

经典控制理论时代——机械装置为主，包括

气动、液压装置，逐渐由电子装置取代（电子管、晶体管等模拟电路）

现代控制理论时代——计算机技术快速发

展，模拟电路逐步由数字电路取代，功能越来越强，体积越来越小，性能也越来越可靠

目前计算机技术已经非常普及，自动化装置也充满人类生产生活的几乎所有方面——嵌

入式控制系统

自动化技术产生

1868年英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文；

1875 年英国 E.J. Routh 建立 Routh 判据 ( Routh-Hurwitz Stability Criteria)；

1892年俄国A.M. Lyapunov博士论文‘论运动稳定性的一般问题’；1913年美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线；

1922年美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法；

1927年美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) ；

自动化技术产生

在此基础上，1948年控制论的奠基人N.Wiener提出了自动控制的基础为闭环控制。

给出的自动控制定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”闭环控制系统的结构框图：

检测检测装置装置

设定值设定值 受控变量受控变量控制器控制器 被控对象被控对象偏差偏差

自动化技术技术代表性成果

20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制律概念；

20年代的反馈放大器；

30年代的Nyquist与Bode图；

40年代维纳的控制论；

50年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理；

60年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系统能控性和能观性；

70年代的自校正控制和自适应控制；

80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制；

90年代基于智能信息处理的智能控制理论；

当前，企业综合自动化系统。

现代社会中的自动化系统

日常生活

感应开关的水龙头

光敏开关的路灯

自动开启的车库门

自动加热保温饮水机

自动售货机

空调机

电梯

……

现代社会中的自动化系统

复杂应用

数控车床自动加工机器零件

工业生产过程的自动控制

自动装配生产线

火炮、导弹（火箭）的控制

航天器的太空漫游与星际旅行

各种机器人

楼宇的温度、通风控制

办公自动化系统

……

飞行自动控制系统

1-目标跟踪雷达 2-导弹导引雷达 3-计算机系统 4-导弹发射架

防空导弹制导

航天航空自动控制

汽车自动化系统

汽车控制系统

前景展望

工业自动化

制造业顶层信息化

现代集成制造系统

制造业顶层信息化

现代集成制造系统

企业联盟

设备装置层

控制优化层

企业层

管理层

车间层

制造业底层自动化

机器人与自动化装备

制造业底层自动化

机器人与自动化装备

大型工业装置的生产过程大型工业装置的生产过程

以机器人为单元的无人工厂

能量管理系统：电、气、水全自动管理

环境质量系统：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

通信控制系统：电话、网络等

楼宇（管理）自动化楼宇（管理）自动化————

自动化应用的拓展自动化应用的拓展

办公自动化办公自动化

金融自动化金融自动化

军事自动化军事自动化————无人飞机、导弹无人飞机、导弹

自动控制面临的新环境自动控制面临的新环境

普及的计算、通讯和传感技术

前所未有的功能强大的计算能力和廉价的通讯

微电子和MEMS已经大大降低了传感器的价格

通过通讯网络得到了新的执行器的概念

(a) 1024x1024 CCD阵列，(b)基于MEMS的微型陀螺仪，(c) 传感器网络的节点(sensor web pod)

自动控制面临的新环境自动控制面临的新环境

新的应用领域，例如生物工程和量子系统

美国加州理工(Caltech) Hideo Mabuchi正在进行量子测量和控制研究，探索反馈和控制在量子系统中的应用

不可靠元件组成可靠系统

复杂系统典型如空中交通控制系统、电力网控制系统和其它的大规模的互联系统

自动化学科前沿领域自动化学科前沿领域

应用领域航空航天和交通运输—无人系统、高可靠性、大规模复杂调度控制、环境约束、……机器人和智能机器—复杂、精确运动控制、自适应和自学习、多机器人协调控制、基于视觉的控制、医疗机器人、……信息和网络—网络控制(control of networks) 和基于网络的控制(control over networks)。生物和医药—反馈是生命的主要特征，生物工程和控制工程相互支撑，在分子生物学、综合生物学、人工智能、医学控制等众多方面面临突破。

材料和加工—在电子学、化学、材料生物学的纳米技术，薄膜加工和微集成系统的设计，供应链管理和企业资源配置等方面的控制，特别是颗粒系统和生物过程控制方面的挑战

……

由Computer Motion Inc. 开发的机器人外科手术系统ZEUSTM，能完成远程的创口最小的显微手术

北美的UUNET网络中枢

战场管理—在不同的空间和地面之间的分布式指挥与控制

自动化自动化公路公路

磁悬浮高速列车自动控制磁悬浮高速列车自动控制

自动化技术在信息社会中的作用

信息社会的目标是使人类生活得更加美好，自动化技术仍然是实现这一目标最重要的核心技术之一

信息的获取、传输、存储等技术仍然在高速发展，但信息的处理和应用（广义的自动化技术）更为重要

人们为了满足更多的发展需求，对自动化技术的提出了更高的要求，从而进一步推动了整个信息技术的发展

——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。

自动化的作用与重要性自动化的作用与重要性

——把人从繁重、恶劣的工作中解放出来

矿井掘井、核电站检查、消防救火、

无人侦察机、导弹（无人）

——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、危险环境

国家高科技发展计划涉及6个领域：

信息、自动化、能源、新材料、生物与农

业、资源环境（海洋）

自动化领域

先进制造技术、机器人

自动化的作用与重要性自动化的作用与重要性

自动化技术在20世纪的人类科技进步中起到

了举足轻重的作用：

为了解决当今社会的许多挑战性问题产生了积极的影响，提供了科学的思想方法论；

为许多产业领域实现自动化奠定了理论基础，提供了先进的生产技术和先进的控制仪器及装备。

自动化的作用与重要性自动化的作用与重要性

自动化是当代高科技的集中体现与应用。智能机器人是当代高科技的结晶。

—— 中国科学院院士

中国工程院院士

自动化的作用与重要性自动化的作用与重要性

宋键

什么是自动化？

(a) 手动控制漫画 (b) 自动控制

水温的手动控制和自动控制的示意图

自动控制实例

控制器－人脑

人工控制的恒温箱人工控制的恒温箱

调压器调压器恒温箱恒温箱

加热电阻丝加热电阻丝

~220~220VV

温度计温度计

检测执行机构

被控对象

自动控制实例

自自动动控控制制的的恒恒温温箱箱

恒温箱恒温箱

加热电阻丝加热电阻丝

~220~220VV

温度传感器温度传感器控制器控制器

调压调压电路电路

设定值设定值

执行机构执行机构

检测仪表检测仪表

被控对象被控对象

控制器控制器 被控对象被控对象

检测仪表检测仪表

设定值设定值受控变量受控变量

取杯过程图

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

自动控制系统

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：

第一，检测比较装置。第二，控制器。第三，执行机构。第四，控制量。

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

自动控制的主要环节1、受控对象

2、控制器

3、传感器

4、执行器

5、稳定性

6、极点

7、鲁棒性

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

人工控制系统人工控制系统结构图结构图

自动控制系统自动控制系统结构图结构图

控制系统一般控制系统一般结构图结构图

第二节第二节 自动控制理论的基本概念与结构自动控制理论的基本概念与结构

压力传感器

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

温度传感器

电动执行器

气动执行器

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

不稳定系统 稳定系统

第二节 自动控制理论的基本概念与结构

自动化专业知识结构自动化专业知识结构

数字信号处理图像处理数据结构计算方法

‥‥‥

执行器执行器

传感器传感器

设定值设定值 受控变量受控变量D/AD/A控制器控制器

A/DA/D信号处理信号处理

被控对象被控对象

计算机接口通信原理计算机网络

‥‥‥

传感器技术检测技术测量原理自动化仪表抗干扰技术

‥‥‥

自动控制理论先进控制技术人工智能计算机控制模糊系统

‥‥‥

机械传动电气传动自动化仪表电力电子技术

‥‥‥

系统辨识 建模技术电气工程 计算机仿真化工原理 系统动力学机械原理 机器人技术

系统工程 ‥‥‥

自动化专业知识结构自动化专业知识结构

执行器与执行器与驱动驱动

传感器传感器检测检测技术技术

设定值设定值受控变量受控变量

控制与控制与智能智能

信号处理信号处理计算算法计算算法

模型建立模型建立与仿真与仿真

通通信信与与网网络络

信息处理 信息传输 信息获取

信息控制 信息应用 物质对象

信息域信息域 物质域、能量域物质域、能量域

机器人足球机器人足球

自动化学科的研究内容自动化学科的研究内容

被控制的工程系统（对象）的特点以及控制器相应的控制策略——控制理论

获取被控对象信息的传感器以及信息传送和处理——检测技术

控制器和改变被控对象状态的执行机构——自动化装置

自动化学科的构成自动化学科的构成

一级学科：

控制科学控制科学与工程与工程控制理论与控制工程

检测技术与自动化装置

系统工程

模式识别与智能控制

导航、制导与控制

控制科学与工程

包括五个二级学科控制理论与控制工程

检测技术与自动化装置

系统工程

模式识别与智能系统

导航、制导与控制

自动化

工程应用

谢谢 谢！谢！