自动化学科(专业)的知识结构与知识体系浅析

1、自动化学科（专业）的知识结构与知识体系浅析作者：戴先中来源：中国大学教学2005.2发表时间：2007-02-01浏览次数：大中小一、引言构筑一个学科（专业）的知识大厦中的各部分知识之间肯定是有联系的（绝不是简单的堆垒），而分析一个学科（专业）的知识结构并建立相应的知识体系就是要找出其内在的有机联系，并通过知识之间的关联表述将其清晰地给出，从而使每一位刚接触该学科（专业）的人员都能清晰地和正确地了解，需要掌握哪些知识和为什么要掌握这些知识。本文从分析自动化学科的基本概念着手，通过深入剖析自动化学科的核心内容及其相互之间的关系，一步一步地尝试勾画自动化学科的完整的知识结构和一目了然的知识体系。通

2、过本文的分析，还将尝试给出，作为一名自动化专业的本科生，必须具备的基本知识结构和必须掌握的基本知识内容，供参考。二、自动科学与技术学科的核心内容自动化始于用机器实现各种自动进行的操作。从最初的控制机器、设备，到控制过程（大到整个化工过程、制药过程、炼钢过程等）、控制系统（大到整个汽车制造系统、交通运输系统、通信系统、经济系统等），自动化科学与技术的发展一方面提高生产力和促进科学技术、社会经济和国防军事的全面发展，另一方面把人从繁重、危险和重复、可程序化的工作中解放出来，以从事更具创造性的劳动。完成对机器、设备及小型过程、系统的自动操作的控制器，从控制原理上看，最初是开环直接控制的、以后大多数是

3、闭环反馈控制的，最初基于经典控制理论、以后基于现代控制理论，多变量鲁棒控制理论等等；从控制方式（工程实现）上看，最早是机械式的（如瓦特发明的蒸汽机离心式调速器），以后经历了模拟电子式、数字电子式，直到目前的数字计算机式的自动控制器。这样的控制器基本解决了控制论中最基本的问题，即如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为。一个极其简单的自动化电器烘烤炉的原理如下：把来自温度传感器的信息与控制盘上的信息进行比较，然后接通或断开电源，烘烤炉能使温度自动地保持在合适的范围内。烘烤炉中具备了一个最简单的控制器应包括的检测、执行和计算三部分，它们与工作对象一起构成一个完整的自动化系统反馈控制系统。反馈控制

4、的原理是，首先检测出实际输出，并与期望输出相比较，然后进行误差补偿，计算出控制量，并用执行器来控制工作对象，使实际输出向期望输出逼近。前大多使用数字计算机或微处理器构成控制器，来完成控制要求的计算、通讯与各种信息处理，并采用大量的传感器、执行器来获取各种信息和完成各种复杂的操作。一个采用计算机控制的典型自动化系统，除了检测、计算和执行三个基本部分外，增加了模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换，以便于数字计算机实现控制计算。而对大型复杂过程、复杂系统的控制（包括优化、管理等），由于其结构、层次的高度复杂性及与人、环境交互的复杂性除了基本的（反馈）控制以外，需要额外的协调和控制手段。这正是维

5、纳在其控制论中明确指出的，控制论是一门新的学科，其研究对象是一个系统的各个不同部分（子系统）之间相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。计算机集成制造系（CIMS）的著名递阶控制结构，分成工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层等五层，每一层又可分解为多个部分，构成树状结构，涵盖了从市场预测、计划制订一直到每一个具体设备的控制的全过程。由上简要分析可知，自动化科学与技术学科的核心研究内容是“如何应用信息（计算机）技术处理各类（复杂）系统的有效控制问题”，其中控制与系统的概念不但是自动化科学与技术与其他科学技术最大的不同点，更是自动化科学对其他许多科学技术发展所作的重要贡献所在。三、自动化

6、学科的知识结构和知识体系上面我们为自动化学科的知识大厦首先建立了这样的核心内容框架控制与系统，并分析了反馈闭环控制是自动控制的最基本形式，（复杂）大系统的协调控制是自动化学科研究的主要问题。为了加深对这些概念与框架的认识，更为了勾画出自动化学科的知识结构，我们再次分析采用计算机控制的典型自动化系统结构图，实际上也是一个典型的负反馈闭环控制图。为容易看出它的反馈结构，将它画成比较标准的图1。图1虽然表示的仅仅是一个典型的负反馈闭环控制的结构图，但实际上它深刻地反映了自动化科学与技术学科的许多知识之间的关系与联系。下面将从三方面，对图1表示的负反馈闭环控制结构进行更深入地分析，分析其各部分同自动化

7、学科的知识领域之间的关系，为下一步构筑自动化学科的知识大厦做准备。操作二输出!信号处理控制器执仃器一对象传感器A-DD-A图1负反馈闭环控制结构1从反馈与控制的角度看负反馈闭环控制结构正如下面分析的，图1给出的是“反馈”结构，实现的是“控制”功能，通过这样的负反馈闭环控制，能对被控量实行有效的控制。可以说有相当一大部分实际运行的自动化系统（包括大型复杂系统中的许多子系统）可归纳为图1所示的典型结构。因此图1给出的负反馈闭环控制图是自动化控制的本质图、核心图。2从信息与物质、能量的角度看负反馈闭环控制结构为了比较容易地看出负反馈闭环控制图反映的信息与物质、能量的关系，对图1添加上相应的标注使成为

8、图2。在图2中，左面处理的都是“信息”，而右面则与“物质”、“能量”有关。.信恩应吋物頂世界控制器r戸可旦执行器信息控制r仃号处理传感器X蒼息響层沫陽讐获取服能量层图2从信息与物质、能量的角度来看基本的负反馈闭环控制结构从信息与物质、能量的角度，整个负反馈闭环控制的过程又可表述为，传感器将反映被控制物质世界对象状态的“物质”与“能量”转换为“信息”（此过程就称为信息获取），经过信息传输、信息处理和信息控制，再经过执行器将“信息”转换为能对被控制对象状态产生作用的“物质”与“能量”，从而改造物质世界。3从数字量与模拟量的角度看负反馈闭环控制结构采用数字计算机作为控制器，在任一个负反馈闭环控制中就

9、存在着两种量，在时间轴上连续的“模拟量”与在时间轴上不连续（称为离散）的“数字量”，如图3所示。在图3中，如以模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换为分界线，左面处理的都是数字量，而右面则与模拟量有关。图3虽然只是将负反馈闭环控制划分成了数字量部分与模拟量部分，但实际上反映出了许多深层次的东西，它们是：模拟量数字量倍号处理a.；dI控肚芈；DA执彳器对壕一r图3从数字量与模拟量的角度来看基本的负反馈闭环控制结构1）“数字量”总是弱电低电压、小电流，而“模拟量”既有弱电，又有强电高电压、大电流，还涉及非电量（与物理、化学过程有关的量），这些量真实地反映了被控对象的（机械、电气）状态；（2）“

10、数字量”部分通常对应着数字计算机，因而这样的控制常称为计算机控制，相应的控制系统就称为计算机控制系统。这深刻地反映了计算机（包括硬件与软件）在现代自动化系统中的重要性与突出地位；分析到这儿，我们不难发现，几乎所有的与自动化科学与技术学科有关的控制方面的知识都能从图1所示的典型负反馈闭环控制中反映出来，换句话说，完成一个基本系统的反馈控制需要到几乎全部自动化学科知识领域中的知识（虽然只是每个知识领域中的部分知识）。因此，将负反馈闭环控制结构图（图1）中的每一部分作为自动化学科中的一个知识领域十分合适，图4给出了这种对应关系，从而图1所示的负反馈闭环控制结构图就可以演变为用反馈控制表示的知识结构图

11、（如图5中的控制知识层所示）。在该图中，反馈控制的每一部分（每个框）代表一个知识领域，箭头代表了知识领域之间的关系。GI识领域I知识领域：f和识领域：、订粥机9处理；网路与通信：i传感与检测i；如识单元；;：!如识单元：:知识单元：:I信号，图象处理I!通信技术;1理化生尊化感器I;芥订、分布处理：1计算机网堵;1检测、遥测、遥感讣常、搜熱推唧i多媒体）：测量信匕处理模式识别奪奪丿、遥技术等尊，丿机肄人感知尊等丿T知哄菽域=/知哄领域：/知识颁域：、拧制与智能1观行与驱动|；討角与建模:i知识单元匕ii知识单元:i知训单元：|控制理论丨i机电汽液驱动:i建模.系统辨识:!可靠性与容错|自动化仪

12、表!I电机原理与传动；人丄智能：光机电体此i忻秋M埋与结构;、人机用制警尊丿I电山吐广誓尊丿匚抚器人泉理等等/匕.1=1-1.J_-Jy二二一-松;训需冷眉卜亦丁制倍号处理V負一传感器YI亠图4负反馈闭环控制中的各部分与相应的知识领域的对应关系在控制知识层的基础上，加上构筑自动化学科知识大厦必不可少的基础知识层，再加上对应自动化科学技术主要研究的系统（控制）问题系统知识层，我们可得出自动化学科的整个知识结构框架，如图5所示。知识领域：系统-Tg系知识层知识单元：大系统*良杂系统、运动控制现过和控捌系统、集成自动化杀统、管理信息系统、糸嫌T程、运筹学、曹能系统、机器人系统、多智能体等等7V控制知

13、识层基础/知识层/知识领域;；数理基础、机电基碟、计算/基础/知识单元数学、打学、物理、北学、现试生物学、生命科学、讣学、思维科学、系/统科学、管理科学、电工电严基础、机械基础、:ISH原理、计算机语肓、微忆原理尊等图5自动化科学与技术学科的三层知识结构图由此，整个自动化学科的知识体系由三层知识构成，包括十个知识领域，分别是：1）基础知识层：含三个知识领域，分别为数理基础、机电基础、计算机基础；2）控制知识层：含六个知识领域，分别为传感与检测（或信息获取）、网络与通信（或信息传输）、计算与处理（或信息处理）、控制与智能（或信息控制）、执行与驱动（或信息能量转换）、对象与建模；3）系统知识层：含

14、一个知识领域系统与工程。在以上十个知识领域中，反映自动化学科特点的是控制与智能、传感与检测、执行与驱动、对象与建模、系统与工程等五个知识领域；而控制与智能、对象与建模、系统与工程等三个知识领域则可视为自动化学科知识体系的核心知识，也是自动化学科与其他学科的最大区别。四自动化专业的知识结构与知识体系“学科(Discipline)”与“专业(Specialty)”具有不同的含义。根据汉语字典与英语词典的解释，“学科”是“知识或学习的一门分科”或是“知识或教学的一个分支”，表明学科具有双重含义，分别对应着科学技术研究与科学工程教育。而“专业”的意思却很单一，汉语的解释是“高等学校的一个系里或中等专业

15、学校里的学业门类”仅指科学工程教育；而英语的解释是“特殊的职业、技能或技巧”比汉语的含义还要窄(注：在英语国家中，往往只有学科来对科学工程教育分类)。考虑到大学本科教育主要还是在教与学的层面上，尊重我国的习惯称呼，本文用“专业”来称呼大学本科教学。在上一节中给出了面向整个科学技术研究与科学工程教育的自动化学科的知识结构与知识体系，显然对面向高等科学工程教育的自动化专业来说，其知识结构是一样的，知识体系是类似的。虽然相对整个学科的知识体系，自动化专业的知识结构是一样的，但一方面各个知识领域包含的知识单元要少得多，另一方面即使知识单元的名称相同，包含的知识内容也要窄得多、基础得多。对应着大学本科教

16、学，各个知识领域包含的知识单元分别列举如下，其中带下划线“”的单元为核心知识单元；打“*”的单元为扩展知识单元，可与研究生教学共享，也可作为专业方向或选修知识单元：“数理基础”知识领域，包含的知识单元有：数学分析(或高等数学)、线性代数、概率与随机过程、复变函数与积分变换、大学物理、工程化学、现代生物学*；“机电基础”知识领域，包含的知识单元有：工程制图、机械基础、电路、电磁场、模拟电子、数字电子、信号分析：“计算机基础”知识领域，包含的知识单元有：计算机基础、计算机程序设计基础、微机原理、单片机、可编程序控制器(PLC)；“传感与检测”知识领域，包含的知识单元有：检测技术、传感器、仪表抗干扰

17、技术、测量信号处理*；“计算机与处理”知识领域，包含的知识单元有：计算机网络、诵信原理*“计算与处理”知识领域，包含的知识单元有：数字信号处理、计算算法基础、图像处理*、模式识别*、数据结构*、操作系统*；“控制与智能”知识领域，包含的知识单元有：经典控制理论、现代控制理论、计算机控制、最优控制*、自适应控制*、人工智能*、智能控制*；“执行与驱动”知识领域，包含的知识单元有:电力电子、控制仪表等等；“对象与建模”知识领域、包含的知识单元有：建模与辨识、电机原理与传动、机械结构、机器人原理*；“系统与工程”知识领域，包含的知识单元有：运动控制、过程控制、集成自动化系统、系统工程、管理信息系统、机器人控制*、数控*、控制系统CAD*、系统仿真*、运筹学*、最优化*、智能系统*、电磁兼容*、工程设计*。口参考文献：1北京大学现代科学与哲学研究中心.钱学森与现代科学技术.北京：人民出版社，2001