自动化发展史

1、自动化专业概论自动化专业概论 Introduction to Automation 主主 讲：黄从智讲：黄从智 办办 公公 室：主楼室：主楼E0521 电电 话：话：61772820 Email：课程目标课程目标解答如下问题：1，自动化的历史 、现在和未来 ？2，自动化的研究内容、应用领域？3，自动化专业的学习内容、就业前景？4，如何学好自动化专业？ 基础课和专业课之间的桥梁。基础课和专业课之间的桥梁。主要内容主要内容-Content一一绪绪 论论二二自动化发展简史自动化发展简史三三自动控制系统专题自动控制系统专题四四自动化专题自动化专题五五工业自动化专题工业自动化专题六六火电厂自动化专题火电

2、厂自动化专题七七自动化专业专题自动化专业专题八八自动化展望及复习自动化展望及复习第二讲第二讲 自动化发展简史自动化发展简史 黄从智黄从智自动化专业概论自动化专业概论第二讲第二讲 自动化发展简史自动化发展简史 自动化发展简史 自动化教育、科研机构、学术团体 古代自动化装置 自动化期刊、国际会议 一些重要术语古代自动化装置古代自动化装置 自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。 早在公元前早在

3、公元前300年，古希腊就运用反馈控制原年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟中。理设计了浮子调节器，并应用于水钟中。古希腊水钟古希腊水钟上水箱上水箱中水箱中水箱下水箱下水箱提供水源提供水源稳定液位稳定液位用于计时用于计时 浮子浮子古希腊水钟原理古希腊水钟原理 1，由上中下三个水箱构成；，由上中下三个水箱构成；2，上水箱提供水源；，上水箱提供水源；3，中水箱稳定液位；，中水箱稳定液位；4，下水箱用于计时；，下水箱用于计时；5，中水箱，中水箱上面的浮子是个调节机构，形成了反馈控制；上面的浮子是个调节机构，形成了反馈控制；6，当中，当中水箱液位升高时，浮子上升，上水箱流出的水量减

4、少，水箱液位升高时，浮子上升，上水箱流出的水量减少，导致液位下降；导致液位下降；7，当中水箱液位降低时，浮子下降，当中水箱液位降低时，浮子下降，上水箱流出的水量增加，导致液位上升；上水箱流出的水量增加，导致液位上升；8，最终中水，最终中水箱液位稳定在某一稳定值附近；箱液位稳定在某一稳定值附近；9，由于中水箱液位比，由于中水箱液位比较稳定，流出中水箱的水量基本恒定，下水箱的液位会较稳定，流出中水箱的水量基本恒定，下水箱的液位会随时间成比例地增加，从而可通过刻度指示时间。随时间成比例地增加，从而可通过刻度指示时间。 同样早在同样早在1000多年前，我国古代先人们也发明了铜多年前，我国古代先人们也发

5、明了铜壶滴漏计时器、主要由几个铜水壶组成，又叫壶滴漏计时器、主要由几个铜水壶组成，又叫“漏壶漏壶”。除了最底下的那个，每个壶的底部都有一个小眼。水从除了最底下的那个，每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里，经过下面的各个壶滴到最低的壶里，滴得最高的壶里，经过下面的各个壶滴到最低的壶里，滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人，手里捧着一支能又细又均匀。最低的壶里有一个铜人，手里捧着一支能够浮动的木箭，壶里水多了，木箭浮起来，根据它上面够浮动的木箭，壶里水多了，木箭浮起来，根据它上面的刻度，就可以知道时间。的刻度，就可以知道时间。铜壶滴漏铜壶滴漏-中国古代自动计时装置中国古代自动计时装置铜壶滴漏铜

6、壶滴漏指南车指南车-自动指示方向自动指示方向 自报行车里程自报行车里程 计里鼓车计里鼓车V合适时吸入饮酒者中的酒V变大时V变小时V继续变小V变大V恢复为合适速度酒杯中的酒饮酒管饮酒管保持均匀饮酒速度保持均匀饮酒速度 公元公元2世纪，中国东汉世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，种用漏水推动的水运浑象，和和现在的天球仪相似，可现在的天球仪相似，可以用来以用来实现天体运行的自实现天体运行的自动动仿真仿真。 张衡水力天文仪器中齿轮系推想图张衡水力天文仪器中齿轮系推想图 漏水转浑天仪漏水转浑天仪 检测地震信号的大小

7、和方向检测地震信号的大小和方向候风地动仪候风地动仪- -世界上第一台测定地震方位的仪器世界上第一台测定地震方位的仪器 公元公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象年，中国苏颂等人把浑仪（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（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。象台。 水运仪象台水运仪象台一些重要术语一些重要术语 系统与控制 反馈、调节与决策 科学、技术与工程 数据、信息、知识与智能科学科学、技术与工程、技术与工程 科学科学(Science)：对各种事实和现象进行：对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计观

8、察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。律予以验证和公式化的知识体系。 科学的任务：揭示事物发展的客观规律，科学的任务：揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。探求真理，作为人们改造世界的指南。科学家(Scientist):专门从事科学研究的专家。科学科学、技术与工程、技术与工程科学自然科学社会科学研究物质世界研究精神世界基础科学技术科学(数理化、天文学、生物学等)(电工电子、固体力学、流体力学、机械学等)自动化学科属于技术科学。科学、科学、技术技术与工程与工程 技术技术(T

9、echnology)：人类根据生产实践经：人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一个专门领域。和活动，是人类活动的一个专门领域。 技术的任务：利用和改造世界，以其生技术的任务：利用和改造世界，以其生产的产品为人类服务。产的产品为人类服务。技术家(Technologist):专门从事技术工作的 专家。如工程师、农艺师、医师等。科学、科学、技术技术与工程与工程技术工程技术农业技术医疗技术(机械、电气、能源、动力、化工、土木、计算机等)(种植、畜牧、造林、园艺等)自动化学科属于工程技术。(中医、西医、临床等)科学、技术与科学

10、、技术与工程工程 工程工程(Engineering)：应用科学知识使自：应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的一项活动。然资源最好地为人类服务的一项活动。 工程也指具体的科研或建设项目，如三工程也指具体的科研或建设项目，如三峡工程、发电厂工程等。峡工程、发电厂工程等。工程师(Engineer):专门从事工程活动的 专家，也是一种技术家。 工程不等同于技术，还受到政治、经济、工程不等同于技术，还受到政治、经济、法律、美学等非技术方面的影响。技术存在法律、美学等非技术方面的影响。技术存在于工程之中。于工程之中。科学、技术与科学、技术与工程工程u 科学家的任务是如何认识，因而可选择自己感兴趣的研究

11、课题。u 工程师的任务是如何实现，必须解决面临的实际问题。u 工程问题受到多方面因素的制约，工程师须在多种可能方案中作出选择，谋求最可靠、最经济的解决方法。三峡水电站工程三峡水电站工程系统系统与控制与控制 系统系统(System)：由相互关联、相互制约、：由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。有机整体。 如构成系统的组成部分本身也是系统，如构成系统的组成部分本身也是系统，则称之为子系统。则称之为子系统。对于一个具体的系统，对于一个具体的系统，u系统环境：系统以外的部分。系统环境：系统以外的部分。u系统边界：系统与系统环境的分

12、界。系统边界：系统与系统环境的分界。系统系统与控制与控制 u系统输入：系统环境对系统的作用。系统输入：系统环境对系统的作用。u系统输出：系统对系统环境的作用。系统输出：系统对系统环境的作用。系统输入系统输出系统环境系统边界u系统工程：研究大系统和复杂系统。系统工程：研究大系统和复杂系统。系统与系统与控制控制 控制控制(Control)：为了改善系统的性能或达：为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。加到系统的作用。 所有系统分为可控系统和不可控系统。不所有系统分为可控系统和不可控系统。不可控系统无法进行人工控制、干预；可

13、控系可控系统无法进行人工控制、干预；可控系统可进行人工控制、干预。统可进行人工控制、干预。反馈反馈、调节与决策、调节与决策 反馈反馈(Feedback)：将系统的实际输出与期：将系统的实际输出与期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。一步的控制行为提供依据。反馈正反馈 Positive Feedback负反馈 Negative Feedback(反馈信息使系统输出的误差逐渐增大)(反馈信息使系统输出的误差逐渐减少)反馈、反馈、调节调节与决策与决策 调节调节(Regulation)：通过系统的反馈信息：通过系统的反馈信息自动校正系统的

14、误差，使诸如温度、速度、自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。内的过程。调节：以反馈为基础。控制闭环控制：以反馈为基础。开环控制：无反馈。反馈、调节与反馈、调节与决策决策 决策决策(Decision Making)：为最优地达到目：为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。标，对若干准备行动的方案进行选择。 如何科学地进行决策是各项工作顺利开展的重要保证，也是本学科近年来研究和发展的新领域之一。ItemDefinitionDataIndividual measurements from sensorsI

15、nformationRelationship among the correlated dataKnowledgeConnection among the structured informationIntelligenceCapability of utilizing knowledgeData, Information, Knowledge, IntelligenceData, Information, Knowledge, Intelligence房间温度房间温度32理想温度理想温度23房间温度高房间温度高通风量不足通风量不足温度高原因温度高原因解决温度解决温度高的办法高的办法增大通风量

16、增大通风量DataInformationKnowledgeIntelligenceData, Information, Knowledge, Intelligence公元公元1788年年 J. Watt发明离心式调速器，并将其与蒸汽机的阀门连发明离心式调速器，并将其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。接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。 人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（发生振荡（不稳定不稳定）。这迫使一些数学家从理论）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，提出多种上来加以研究，提出多种稳定性判据稳定性判据。p 1

17、868 年英国物理学家J.Maxwell用微分方程描述并总结了调节器的理论。p 1877年英国数学家Routh提出Routh判据；p 1895年德国数学家A.Hurwitz提出Hurwitz判据；p 1892年俄国数学家A.Lyapunov提出稳定性的严格数学定义并发表专著，至今他的稳定性理论仍是研究分析系统稳定性的重要方法。控制理论发展简史控制理论发展简史 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期，着重研究单机自动化，解决单输入制论时期，着重研究单机自动化，解决单输入单输出（单输出（SISO-Single Input Single Output）系

18、）系统的控制问题；统的控制问题； 主要数学工具是微分方程、主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和拉普拉斯变换和传递函数传递函数； 主要研究方法是时域法、主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法频域法和根轨迹法； 主要问题是控制系统的稳定性、快速性和准主要问题是控制系统的稳定性、快速性和准确性。确性。控制论发展三阶段控制论发展三阶段 控制论的奠基人控制论的奠基人 1945年，美国数学家诺伯特维纳(Norbert Wiener)把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。1948年，维纳出版名著 (CYBERNETICS)一书，标志着控制论正式诞生。钱学森 (Tsue Shen Tsian)工程控制论，1

19、954(Engineering Cybernetics)中国自动控制的学术泰斗中国自动控制的学术泰斗 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期，第二阶段是六十年代的现代控制理论时期，着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输出（出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系统）系统的控制问题；的控制问题； 主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、状态空间法等等；状态空间法等等； 主要方法是变分法、极大值原理、动态规划主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等；理论等； 重点是最优控制、随机控制和自适应控

20、制；重点是最优控制、随机控制和自适应控制； 核心控制装置是电子计算机。核心控制装置是电子计算机。控制论发展三阶段控制论发展三阶段电子计算机电子计算机1992年我国自行研制年我国自行研制的银河的银河II巨型机。巨型机。1946年年2月月15日，世界上日，世界上第一台通用电子数字计算第一台通用电子数字计算机机“埃尼阿克埃尼阿克 ”面世。面世。 第三阶段是七十年代的大系统理论时期，第三阶段是七十年代的大系统理论时期，着重解决生物系统、社会系统这样一些众多着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题；变量的大系统的综合自动化问题；方法是时域法为主；方法是时域法为主；重点是大系统多

21、级递阶控制；重点是大系统多级递阶控制；核心装置是网络化的电子计算机。核心装置是网络化的电子计算机。控制论发展三阶段控制论发展三阶段 从控制论的观点看，人是最巧妙，最灵从控制论的观点看，人是最巧妙，最灵活的控制系统。它善于根据条件的变化而作活的控制系统。它善于根据条件的变化而作出正确的处理。如何将人的智能应用于实际出正确的处理。如何将人的智能应用于实际的自动控制系统中，这是个有重要意义的问的自动控制系统中，这是个有重要意义的问题。题。 七十年代开始，人们不仅解决社会、经七十年代开始，人们不仅解决社会、经济、管理、生态环境等系统问题，而且为解济、管理、生态环境等系统问题，而且为解决模拟人脑功能，形

22、成了新的学科决模拟人脑功能，形成了新的学科-人工智人工智能科学，这是控制论的发展前沿。能科学，这是控制论的发展前沿。 计算机技术的发展为人工智能的发展计算机技术的发展为人工智能的发展提供了坚实的基础。人们通过计算机的强提供了坚实的基础。人们通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能，并用大的信息处理能力来开发人工智能，并用它来模仿人脑。在没有人的干预下，人工它来模仿人脑。在没有人的干预下，人工智能系统能够进行自我调节、自我学习和智能系统能够进行自我调节、自我学习和自我组织，以适应外界环境的变化，并作自我组织，以适应外界环境的变化，并作出相应的决策和控制。出相应的决策和控制。 智能控制智能控制

23、 (Intelligent Control)l 将人工智能引入到自动控制系统中，形成智将人工智能引入到自动控制系统中，形成智能控制系统。能控制系统。l 特点：具有智能，能解决一些以往的自动控特点：具有智能，能解决一些以往的自动控制技术解决不好或不能解决的控制问题；制技术解决不好或不能解决的控制问题；l 它将人工智能中的专家系统、学习控制、模它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和人工神经网络等分别与自动控制糊逻辑控制和人工神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法结合，形成一些新的、和系统工程的一些方法结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统。具有独特性能的智能自动控制系

24、统。 经典控制、现代控制与智能控制经典控制、现代控制与智能控制 l 经典控制主要用于分析线性定常单入单出系经典控制主要用于分析线性定常单入单出系统，其分析工具是微分方程或传递函数。统，其分析工具是微分方程或传递函数。l 现代控制还可以分析非线性时变多入多出系现代控制还可以分析非线性时变多入多出系统，其分析工具是状态方程和输出方程。统，其分析工具是状态方程和输出方程。l 智能控制是模仿人类智能所构成的一类控制智能控制是模仿人类智能所构成的一类控制系统，它可以处理各种复杂系统，其求解过程系统，它可以处理各种复杂系统，其求解过程主要依靠搜索、自学习、模拟进化。主要依靠搜索、自学习、模拟进化。 经典控

25、制、现代控制与智能控制经典控制、现代控制与智能控制 l 应用对象不同：应用对象不同：SISO，SISO和和MIMO，各种复杂，各种复杂系统。系统。l 数学方法不同：微分方程或传递函数，状态方程和数学方法不同：微分方程或传递函数，状态方程和输出方程，搜索、自学习和模拟进化等；输出方程，搜索、自学习和模拟进化等；l 对被控对象数学模型的要求不同：对被控对象数学模型的要求不同：经典控制和现代经典控制和现代控制均需要了解被控对象的数学模型，而智能控制则控制均需要了解被控对象的数学模型，而智能控制则不需要详细了解被控对象的数学模型。不需要详细了解被控对象的数学模型。l 控制算法的不同：经典控制和现代控制

26、基于精确的控制算法的不同：经典控制和现代控制基于精确的控制算法，而智能控制算法具有随机性和模糊性。控制算法，而智能控制算法具有随机性和模糊性。自动化教育机构 西安、上海、北京交通大学 中国石油大学/北化工/华东理工 东北大学清华大学浙江大学中科大 华北电力大学、东北电力大学、上海电力学院 哈工大、西北工大、北理工自动化科研机构 中科院自动化所 中科院沈阳自动化所 冶金自动化研究所 机械工业自动化研究所 天津电气传动设计研究所 上海工业自动化仪表研究所 重庆工业自动化仪表研究所自动化学术团体-IFAC IFAC，全称International Federation of Automatic Co

27、ntrol，国际自动控制联合会。网址是： / 1957年9月成立于巴黎，自动控制领域国际性、非政府、非赢利、非政治性的组织，每个国家只能有一个代表组织。中国自动化学会是IFAC创始会员国之一。IFACs AIMSo Promote control science and technologyo Advance international collaborationo Stimulate research, development and application of automatic control and systems engineer

28、ingo Promote dissemination and exchange of informationo Stimulate improvement and extension of educationIFAC Founded September 1957 IFAC Members: National Member OrganizationsThe NMOs represent control engineers from each of the following:AFRICASouth AfricaAMERICACanadaUSAArgentinaBrazilChileCubaMex

29、icoVenezuelaAUSTRALIAAustraliaASIAChinaHong KongIndonesiaIsraelJapanKorea Rep.SingaporeVietnamEUROPEAustriaBelgiumBulgariaCroatiaCzech Rep.DenmarkEstoniaFinlandFranceGermanyGreeceHungaryItalyIrelandKosovoLithuaniaMacedoniaNetherlandsNorwayPolandPortugalRomaniaRussiaSlovak Rep.SloveniaSpainSwedenSwit

30、zerlandTurkeyUkraineUnited KingdomIFAC EVENTSoWorld CongressesoSymposia (the Technical Board defines the Masterplan)oConferencesoWorkshopsApproximately 30 events per yearIFAC AwardsPresented at each Triennial World Congress THE GIORGIO QUAZZA MEDAL1981 Prof. John F. Coales1984 Prof. Iakov Z. Tsypkin

31、1987 Prof. Karl J. Astrm1990 Prof. Petar Kokotovic1993 Prof. Edward J. Davison1996 Prof. Alberto Isidori1999 Prof. Brian D.O. Anderson2002 Prof. Lennart Ljung2005 Prof. Tamer Basar2008 Prof. Graham Goodwin THE NATHANIEL NICHOLS MEDAL1996 Prof. Jrgen Ackermann1999 Prof. Gunter Stein2002 Dr. Carl Nett

32、2005 Dr. William F. Powers2008 Prof. Gerd Hirzinger IFAC Young Author Prize IFAC Applications Paper Prize IFAC Harold Chestnut Control Engineering Textbook Prize IFAC Poster Paper Prize AUTOMATICA Paper Prize CONTROL ENGINEERING PRACTICE Paper Prize Journal of PROCESS CONTROL Paper Prize EAAI Paper

33、Prize Mechatronics Journal Paper Prize INDUSTRIAL ACHIEVEMENT AWARD2002 Yasuo Ichii, Shoji Murayama and Takahiro Yamasaki Development and Establishment Team for Hot Rolling Technology Kawasaki Steel Corporation2005 Serge Boverie 2008 Not awarded IFAC Fellows The IFAC Fellow Award is given annually t

34、o persons who have made outstanding and extra-ordinary contributions in the field of interest of IFAC, in the role as an Engineer/Scientist, Technical Leader, or Educator. The first Fellows were elected at the IFAC World Congress in Prague in July 2005. FELLOWFELLOWFELLOWFELLOWIFAC FellowsThe person

35、s distinguished in 2005 wereB.D.O. Anderson, J. Ackermann, K.J. Astrm, M. Araki, T. Basar, L. Basanez. J. Benes, J. Bernussou, R.Bitmead. E.J. Davison, J. Gertler, G. Goodwin, R. Isermann, A. Isidori, S. Kahne, P. Kokotovic, H. Kwakernaak, L. Ljung, M. Mansour, C. Nett, A. Niemi, W. Powers, J.A. de

36、la Puente, Y. Sawaragi, W. Schaufelberger, G. Stein, M. Thoma, P. Uronen, T. Vamos, F. L. Xiong In 2006, the following persons were elected IFAC FellowsP. Albertos, M. Athans, J. Balchen, H.F. Chen, S. Engell, W. Findeisen, K. Furuta, M. Gevers, G. Guardabassi, D. Hrovat, P. Ioannou, M. Masten, D. M

37、ayne, T. McAvoy, B. Polyak, T. Soederstroem In 2007, the following persons were elected IFAC FellowsF. Allgoewer, J. Cruz, J.M. Dion, C. Georgakis, H. Khalil, H. Kimura, V. Kucera, I. Landau, Lei Guo, W. Marquardt, E. Mosca, R. Tempo, P. van den Hof, F.Y. Wang In 2008, the following persons were elected IFAC FellowsS. Bittanti, R. Braatz, E. Camacho, X.R. Cao, C. Cassandras, T.Y. Chai, T. Edgar, E. Gottzein, A. Haddad, M. Krstic, A. Kurzh