自动化专业介绍.ppt

自动化专业概述,刘淮霞,自动化顾名思义，就是自动化技术在工农业生产、交通运输、国防建设和航空、航天等方面的应用。自动化技术自上世纪30年代以来，取得了惊人的成就，已在工农业生产和国民经济各行业中起着关键的作用，自动化水平的高低已成为衡量各行各业和各国家现代化水平的一个重要标志，自动化专业就是要学习自动化技术，并把它应用到实际的系统中去。我国高等院校自动化专业的培养目标：培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人控制等领域具有宽广理论基础和相关专门知识，具有创新和开拓精神的高级工程技术人才。毕业生能在国民经济及国防各部门和行业从事控制系统的研究、设计、集成、开发、制造和应用等工作。,一、自动化专业介绍二、自动化的发展简史三、自动控制与自动化技术的应用范畴四、自动化专业所开设的专业课程,一、自动化专业介绍,自动化专业是面向系统、软硬兼顾、注重应用的宽口径专业。培养具备电工技术、电子技术、自动控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和计算机网络技术等较宽领域的工程技术基础和专业知识的高级技术人员。学生毕业后，可在各行各业的运动控制、过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、计算机控制等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面的工作。大家将在四年里，除了学习一些基础课（如高等数学、大学英语、大学物理）等，还将主要学习电路原理、电子技术基础、微机原理、自动控制原理、信号与系统、单片机及接口技术、仪表与过程控制、电机控制、计算机控制等课程。,二、自动化的发展简史,2.自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）公元1788年英国机械师J.Watt（瓦特）发明离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统，这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重要影响。,1.自动装置的出现和应用（18世纪以前）古代人类在长期的生产和生活中，为了减轻自己的劳动，逐渐利用自然界的动力（风力、水力等）代替人力、畜力，以及用自动装置代替人的部分繁重的脑力活动和体力活动。例如：古代，公元前14至公元前11世纪，中国和巴比伦出现了自动计时装置刻漏等，近代，俄国机械师波尔祖诺夫于公元1765年发明了蒸汽锅炉水位保持恒定，用的浮子式阀门水位调节器。,控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。,（1）自动调节的广泛应用：由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器或装置，使一些物理量保持在给定值附近。公元1868年法国工程师J。法尔科发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构。到了20世纪2030年代，美国开始采用PID调节器，这是一种模拟式调节器，现在还在许多工厂中使用。（2）自动调节系统的稳定性问题：自动调节器和被控制对象组成自动调节系统，当时人们发现系统的被控制量忽高忽低，即发生振荡（不稳定），这使得一些科学家从理论上来加以研究，公元1877年英国数学家E。劳斯、1895年德国数学家A。胡尔维茨提出代数稳定判据，沿用到现在。公元1892年俄国数学家A。李雅普诺夫提出稳定性的严格数学定义并发表了专著。他的稳定性理论至今还是研究分析线性和非线性系统稳定性的重要方法。,（3）反馈控制和频率法：进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。通过在解决电子管放大器失真问题上的研究，1927年美国电气工程师H。布莱克（Black）引入的反馈概念，使人们对自动调节系统中反馈控制的结构有了更深刻的认识。此后在拉普拉斯变换的基础上，传递函数的观念被引入到分析自动调节系统或元件上，成为重要工具。1932年美国电信工程师N。奈奎斯特提出著名的稳定判据，可以根据开环传递函数判定闭环反馈系统的稳定性。以上标志着经典控制理论的诞生。,3.局部自动化时期（20世纪4050年代）（1）经典控制理论的形成和发展：在前述代数稳定判据和传递函数、依据频率响应的频率法判据的基础上加上W。埃文斯1948年的根轨迹法，奠定了经典控制理论的基础。第二次世界大战后工业迅速发展，随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机信号输入的系统的控制问题等的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有了新的发展。（2）局部自动化的广泛应用：第二次世界大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机来设计自动控制系统。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。当时的PID调节器是电动的或气动的、液压的。在20世纪3040年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。（3）电子数字计算机的发明：电子数字计算机的发明，为20世纪6070年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。目前小型计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。,4.综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）复杂工业、复杂工业过程和航天技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。但经典的控制理论的直接应用遇到了困难。20世纪70年代微处理机的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。现代控制理论的形成和发展：1956年，前苏联数学家庞特里亚金提出极大值原理，同年美国数学家R、贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。1960年美国数学家R、卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。以上标志着现代控制理论的诞生，并得以迅速发展，形成了多个重要分支：系统辩识、自适应控制和自校正控制器、遥测、遥控和遥感、综合自动化、大系统理论、模式识别和人工智能、智能控制。,三、自动控制与自动化技术的应用范畴,控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无处不在、无处没有。,控制与自动化技术正在迅速地渗入家庭生活中。比如全自动洗衣机，不用人动手就能把衣服洗得干干净净。电脑控制的微波炉，不但能按时自动进行烹调，做出美味可口的饭菜，而且安全节电。电脑控制的电冰箱，不但能自动控温，保持食物鲜美，而且能告诉食物存储的数量和时间，还能为烹饪美味佳肴提供建议。还有空调机能提供温暖如春的环境，清扫机器人能打扫房间等。,在工厂，人们使用各种自动化装置或系统，如机器人、自动化小车、数控机床、柔性生产线和计算机集成制造系统等，完成产品的加工、装配、包装、运输、存储等工作。在钢铁、石油、化工、农业、渔业和畜牧业等生产和管理过程中，人们用自动化仪表和自动化装置来控制生产参数，实现生产设备、生产过程的自动化。,在办公室，人们广泛地引入微型电脑及信息网络、文字处理机、电子传真机、专用交换机、多功能复印机和秘书机器人等技术和设备，不断实现办公自动化。利用自动化的办公设备，可自动完成文件的起草、翻译、修改、审核、分发、归档等工作，并利用信息高速公路、多媒体等技术进一步提高信息加工与传递的效率，实现办公的全面自动化。办公自动化的主要目标是企业管理自动化。在交通运输中，采用自动化设备实现交通工具自动化及管理自动化，包括车辆运输管理、海上及空中交通管理、城市交通控制、客票预定及出售等。在医疗保健事业及图书馆、商业服务行业中，在农作物种植、养殖业生产过程中，都可以实现自动化管理及自动化生产。在生态、环境和社会等复杂系统中，控制科学和技术为人类开辟了崭新的研究途径，为决策和管理的科学化提供了可能。在现代的和未来的战场上，飞机、舰艇、战车、火炮、导弹、军用卫星、以及后勤保障、军事指挥等，更是时时处处离不开控制与自动化技术。,1、机械制造自动化机械制造是现代工业重要的组成部分，对国民经济建设有非常巨大的影响。（1）数控技术和数控系统：数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术，计算机数字控制系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。数控技术是美国从数控机床的研制开始的。几十年来，数控装置和数控机床经历了研究、试制（19481955年）、在工业上应用（19561959年）和高速度发展（1960年到现在）三个发展阶段。实践经验证明，数控装置和数控机床在提高生产效率、节省人力、提高加工精度、降低加工费用等方面都具有很大的优越性。数控技术在近几年来获得了极为迅速的发展，它不仅在机械加工中越来越普遍得到应用，而且在其他设备中也广泛应用。例如：数控精密火焰切割机和电火花切割机、数控弯扳机、数控弯管机、数控压力机、数控绘图机、数控电焊机等。特别是高效自动化机床，是机床自动化方面一个新的、重要发展方向。数字控制机床的出现，标志着机床工业进入了一个新的发展阶段，也是当前工业自动化的主要发展方向之一。,（2）柔性制造系统：是在计算机直接数控基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在一定范围内完成不同工件的加工任务。柔性制造系统由加工系统（多台制造设备）、物流系统（设备间自动传输材料、工具和产品零件）、中央管理系统（执行整个系统的生产计划与作业调度、集中监控以及加工程序管理等工作）组成。（3）计算机集成制造系统：是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期、提高产品质量、提高生产率、提高企业的应变能力和竞争能力。,2、过程工业自动化过程工业包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业，主要对系统的温度、压力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制。研究这些工业的控制和管理成为人们十分关注的领域，是本学科非常重要的应用领域之一。过程控制研究过程工业生产过程的描述、模拟、仿真、设计、控制和管理，旨在进一步改善工艺操作，提高自动化水平，优化生产过程（提高产品的产量和质量，降低原材料和能源的损耗），加强生产管理，最终显著地增加经济效益。早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具，尽管这些仪表、工具在过程工业的多数工厂中还在应用，但随着微处理器和工业计算机技术的发展，目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。与机械制造系统中的计算机集成制造系统类似，计算机集成生产系统将计划优化、生产调度、经营管理和决策引入计算机控制系统，计算机集成生产系统是过程工业自动化的最新成就和发展方向，是自动控制与自动化技术非常重要的应用领域。,3、电力系统自动化不管是何种形式的电力系统，对其都有三个方面的基本要求：安全性、经济性和必要的供电质量。为了满足这些基本要求，电力系统自动化是必不可少的。首先，安全供电离不开自动化。即使对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等参数需要进行检测和监控。这些都是电力系统基础自动化的基本内容。目前单个的电力系统已经很少见，由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。此时，简单的单项自动装置已经不能解决问题，要检测和识别更多的参数，并及时地做出正确的综合判断。,其次，经济运行需要自动化。若干联网电厂总的经济性和单个机组经济性的考虑出发点不同，不能只考虑单个机组的经济性。对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂煤耗率、煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量），还要考虑不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的联网时，有多个电厂向电网输入电力，由于环网之间的出力分配相互影响，人们将面临一个多输入、多输出的大系统，它有大量、复杂的信息处理，还需要进行负荷预测。这些必须借助基于计算机的自动化管理与控制系统才能达到希望的效果。再次，供电质量的自动化要求。供电质量主要指电压质量和频率质量。例如频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器，或影响其寿命；电压过低则电灯不亮，荧光灯不能启动，甚至会由于转矩不够而烧坏电动机。自动调节发电机的端电压、保护用户电压稳定、自动调节频率是电力系统自动化的主要任务之一。,4飞行器控制飞行器是人类征服自然、改造自然过程中发明的重要工具。现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不管是何种飞行器均离不开自动控制系统。而且不同的飞行器其控制系统也各不相同，系统的性能、功能和结构可能截然不同。因此飞行器是自动控制最重要的应用领域，许多先进的、新型控制理论和技术正是为了适应飞行器工程的高要求而发展起来的。,（1）导弹控制系统：其主要任务是：控制导弹有效载荷的投掷精度（命中精度），对飞行器实施姿态控制，保证在各种条件下的飞行稳定性；在发射前对飞行器进行可靠、准确的检测和操纵发射。由于飞行时间一般较短，但却经受着内外干扰、多种环境条件的恶劣影响，因而往往偏离预计轨道和预计飞行状态。控制系统的作用就是消除或减小这些干扰和影响的后果，控制导弹准确、可靠地完成飞行动作，最后飞向目标。,（2）导航系统：导航是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统则称为导航系统。例如近几年发展和完善起来的全球卫星定位系统。不仅飞行器需要导航系统，车辆、舰船也不同程度地离不开导航系统。（3）制导系统：其主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对飞行器运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。对于打击远距离固定目标的地对地导弹，一般是将导弹自身的实时运动参数与事先设计好的标准弹道相比较，由此获得误差信号，根据一定的制导规律（控制算法）来控制导弹的运动，最终使导弹沿标准弹道飞行直到命中目标。随着控制理论的不断发展，许多新的制导规律正在不断发展完善。,飞行器控制系统还有：姿态控制系统、飞行控制电子综合系统、测试与发射控制系统等。,5智能建筑一般认为智能建筑包括三大基本要素，即楼宇自动化系统，通信自动化系统和办公自动化系统，三者是有机结合在一起的。楼宇自动化系统实现对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备子系统的监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视，对动力设备进行节能控制，对设备非正常运行状态报警，从而实现对设备的优化管理与控制，保障设备运行的安全性和可靠性。通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图象的基本通信网络；实现楼层间各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的高速主干网以及与公共信息资源（如Internet）相通的远程数据通信网。智能大厦的办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图象或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。,6智能交通系统交通运输是国民经济支柱性产业，对人类的生产、生活有着非常重要的影响。每个国家都面临道路交通日益拥挤、路网通行能力不能满足交通量增长需要的问