自动化专业介绍1

自动化专业概述刘淮霞自动化顾顾名思义义，就是是自动化化技术在在工农业业生产、、交通运运输、国国防建设设和航空空、航天天等方面面的应用用。自动动化技术术自上世世纪30年代以来来，取得得了惊人人的成就就，已在在工农业业生产和和国民经经济各行行业中起起着关键键的作用用，自动化水水平的高高低已成成为衡量量各行各各业和各各国家现现代化水水平的一一个重要要标志，自动化专专业就是是要学习习自动化化技术，，并把它它应用到到实际的的系统中中去。我国高等等院校自自动化专专业的培培养目标标：培养适适合社会会主义现现代化建建设需要要，德智智体全面面发展，，在控制制理论、、控制系系统、生生产过程程自动化化、人工工智能与与机器人人控制等等领域具具有宽广广理论基基础和相相关专门门知识，，具有创创新和开开拓精神神的高级级工程技技术人才才。毕业业生能在在国民经经济及国国防各部部门和行行业从事事控制系系统的研研究、设设计、集集成、开开发、制制造和应应用等工工作。一、自动动化专业业介绍二、自动动化的发发展简史史三、自动动控制与与自动化化技术的的应用范范畴四、自动动化专业业所开设设的专业业课程一、自动动化专业业介绍自动化专专业是面面向系统统、软硬硬兼顾、、注重应应用的宽宽口径专专业。培培养具备备电工技技术、电电子技术术、自动动控制理理论、自自动检测测与仪表表、信息息处理、、系统工工程、计计算机技技术与应应用和计计算机网网络技术术等较宽宽领域的的工程技技术基础础和专业业知识的的高级技技术人员员。学生生毕业后后，可在在各行各各业的运运动控制制、过程程控制、、电力电电子技术术、检测测与自动动化仪表表、计算算机控制制等领域域从事系系统分析析、系统统设计、、系统运运行、科科技开发发及研究究等方面面的工作作。大家将在在四年里里，除了了学习一一些基础础课（如如高等数数学、大大学英语语、大学学物理））等，还还将主要要学习电电路原理理、电子子技术基基础、微微机原理理、自动动控制原原理、信信号与系系统、单单片机及及接口技技术、仪仪表与过过程控制制、电机机控制、、计算机机控制等等课程。。二、自动动化的发发展简史史2.自动化技技术形成成时期（（18世纪末至至20世纪30年代）公元1788年英国机机械师J.Watt（瓦特））发明离离心式调调速器，，并把它它与蒸汽汽机的阀阀门连接接起来，，构成蒸蒸汽机转转速的闭闭环自动动调速系系统，这这项发明明对第一一次工业业革命和和控制理理论后来来的发展展有重要要影响。。1.自动装置置的出现现和应用用（18世纪以前前）古代人类类在长期期的生产产和生活活中，为为了减轻轻自己的的劳动，，逐渐利利用自然然界的动动力（风风力、水水力等））代替人人力、畜畜力，以以及用自自动装置置代替人人的部分分繁重的的脑力活活动和体体力活动动。例如：古古代，公公元前14至公元前前11世纪，中中国和巴巴比伦出出现了自自动计时时装置—刻漏等，，近代，，俄国机机械师波波尔祖诺诺夫于公公元1765年发明了了蒸汽锅锅炉水位位保持恒恒定，用用的浮子子式阀门门水位调调节器。。控制和自自动化技技术的发发展经历历了四个个历史时时期。（1）自动调节节的广泛泛应用：由于第第一次工工业革命命的需要要，人们们开始采采用自动动调节器器或装置置，使一一些物理理量保持持在给定定值附近近。公元元1868年法国工工程师J。法尔科科发明反反馈调节节器，并并把它与与蒸汽阀阀连接起起来，操操作蒸汽汽船的舵舵，他称称之为伺伺服机构构。到了了20世纪20~30年代，美美国开始始采用PID调节器，，这是一一种模拟拟式调节节器，现现在还在在许多工工厂中使使用。（2）自动调节节系统的的稳定性性问题：自动调调节器和和被控制制对象组组成自动动调节系系统，当当时人们们发现系系统的被被控制量量忽高忽忽低，即即发生振振荡（不不稳定）），这使使得一些些科学家家从理论论上来加加以研究究，公元元1877年英国数数学家E。劳斯、、1895年德国数数学家A。胡尔维维茨提出出代数稳稳定判据据，沿用用到现在在。公元元1892年俄国数数学家A。李雅普普诺夫提提出稳定定性的严严格数学学定义并并发表了了专著。。他的稳稳定性理理论至今今还是研研究分析析线性和和非线性性系统稳稳定性的的重要方方法。（3）反馈控制制和频率率法：进入20世纪以后后，工业业生产中中广泛应应用各种种自动调调节装置置，促进进了对调调节系统统的分析析和综合合的研究究。通过过在解决决电子管管放大器器失真问问题上的的研究，，1927年美国电电气工程程师H。布莱克克（Black）引入的的反馈概概念，使使人们对对自动调调节系统统中反馈馈控制的的结构有有了更深深刻的认认识。此此后在拉拉普拉斯斯变换的的基础上上，传递递函数的的观念被被引入到到分析自自动调节节系统或或元件上上，成为为重要工工具。1932年美国电电信工程程师N。奈奎斯斯特提出出著名的的稳定判判据，可可以根据据开环传传递函数数判定闭闭环反馈馈系统的的稳定性性。以上上标志着着经典控控制理论论的诞生生。3.局部自动动化时期期（20世纪40~50年代）（1）经典控制制理论的的形成和和发展：在前述述代数稳稳定判据据和传递递函数、、依据频频率响应应的频率率法判据据的基础础上加上上W。埃文斯斯1948年的根轨轨迹法，，奠定了了经典控控制理论论的基础础。第二二次世界界大战后后工业迅迅速发展展，随着着高速飞飞行、核核反应堆堆、大电电力网和和大化工工厂提出出的新控控制问题题：非线线性系统统、时滞滞系统、、脉冲及及采样控控制系统统、时变变系统、、分布参参数系统统和有随随机信号号输入的的系统的的控制问问题等的的深入研研究，经经典控制制理论在在20世纪50年代有了了新的发发展。（2）局部自动动化的广广泛应用用：第二次次世界大大战后，，在工业业上已广广泛应用用PID调节器，，并用电电子模拟拟计算机机来设计计自动控控制系统统。当时时在工业业上实现现局部自自动化，，即单个个过程或或单个机机器的自自动化。。当时的的PID调节器是是电动的的或气动动的、液液压的。。在20世纪30~40年代出现现了统一一信号的的、通用用的、标标准的气气动单元元组合仪仪表。20世纪50年代研制制出了电电动单元元组合仪仪表。这这些为工工业自动动化提供供了必不不可少的的技术工工具，并并使得构构成和设设计自动动控制系系统更简简便、更更工程化化了。（3）电子数字字计算机机的发明明：电子数数字计算算机的发发明，为为20世纪60~70年代开始始的在控控制系统统广泛应应用程序序控制和和逻辑控控制以及及应用数数字计算算机直接接控制生生产过程程，奠定定了基础础。目前前小型计计算机或或单片计计算机已已成为复复杂自动动控制系系统的一一个组成成部分，，以实现现复杂的的控制和和算法。。4.综合自动动化时期期（20世纪50年代末起起至今））复杂工业业、复杂杂工业过过程和航航天技术术的自动动控制问问题，都都是多变变量控制制系统的的分析和和综合问问题，迫迫切需要要加以解解决。但但经典的的控制理理论的直直接应用用遇到了了困难。。20世纪70年代微处处理机的的出现对对实现各各种复杂杂的控制制任务起起了重大大的推动动作用。。现代控制制理论的的形成和和发展：：1956年，前苏苏联数学学家庞特特里亚金金提出极极大值原原理，同同年美国国数学家家R、贝尔曼曼创立动动态规划划。两者者为解决决最优控控制问题题提供了了理论工工具。1960年美国数数学家R、卡尔曼曼提出能能控性和和能观性性两个概概念，揭揭示了系系统的内内在属性性。以上上标志着着现代控控制理论论的诞生生，并得得以迅速速发展，，形成了了多个重重要分支支：系统统辩识、、自适应应控制和和自校正正控制器器、遥测测、遥控控和遥感感、综合合自动化化、大系系统理论论、模式式识别和和人工智智能、智智能控制制。三、自动动控制与与自动化化技术的的应用范范畴控制与自自动化是是不断发发展的高高、新科科学技术术，对人人类生产产、生活活和科学学研究有有着非常常重要的的影响。。控制与与自动化化技术发发展至今今，可以以说是已已从“人人类手脚脚的延伸伸”扩展展到“人人类大脑脑的延伸伸”。控控制与自自动化技技术时时时在为人人类“谋谋”福利利，可谓谓无处不不在、无无处没有有。控制与自自动化技技术正在在迅速地地渗入家家庭生活活中。比如全全自动洗洗衣机，，不用人人动手就就能把衣衣服洗得得干干净净净。电电脑控制制的微波波炉，不不但能按按时自动动进行烹烹调，做做出美味味可口的的饭菜，，而且安安全节电电。电脑脑控制的的电冰箱箱，不但但能自动动控温，，保持食食物鲜美美，而且且能告诉诉食物存存储的数数量和时时间，还还能为烹烹饪美味味佳肴提提供建议议。还有有空调机机能提供供温暖如如春的环环境，清清扫机器器人能打打扫房间间等。在工厂，人们使使用各种种自动化化装置或或系统，，如机器器人、自自动化小小车、数数控机床床、柔性性生产线线和计算算机集成成制造系系统等，，完成产产品的加加工、装装配、包包装、运运输、存存储等工工作。在在钢铁、、石油、、化工、、农业、、渔业和和畜牧业业等生产产和管理理过程中中，人们们用自动动化仪表表和自动动化装置置来控制制生产参参数，实实现生产产设备、、生产过过程的自自动化。。在办公室室，人们广泛泛地引入入微型电电脑及信信息网络络、文字字处理机机、电子子传真机机、专用用交换机机、多功功能复印印机和秘秘书机器器人等技技术和设设备，不不断实现现办公自自动化。。利用自自动化的的办公设设备，可可自动完完成文件件的起草草、翻译译、修改改、审核核、分发发、归档档等工作作，并利利用信息息高速公公路、多多媒体等等技术进进一步提提高信息息加工与与传递的的效率，，实现办办公的全全面自动动化。办办公自动动化的主主要目标标是企业业管理自自动化。。在交通运运输中，采用自动动化设备备实现交交通工具具自动化化及管理理自动化化，包括括车辆运运输管理理、海上上及空中中交通管管理、城城市交通通控制、、客票预预定及出出售等。。在医疗疗保健事事业及图图书馆、、商业服服务行业业中，在在农作物物种植、、养殖业业生产过过程中，，都可以以实现自自动化管管理及自自动化生生产。在生态、、环境和和社会等等复杂系系统中，控制科科学和技技术为人人类开辟辟了崭新新的研究究途径，，为决策策和管理理的科学学化提供供了可能能。在现现代的和和未来的的战场上上，飞机机、舰艇艇、战车车、火炮炮、导弹弹、军用用卫星、、以及后后勤保障障、军事事指挥等等，更是是时时处处处离不不开控制制与自动动化技术术。1、机械制造造自动化化机械制造造是现代代工业重重要的组组成部分分，对国国民经济济建设有有非常巨巨大的影影响。（1）数控技术术和数控控系统：数控技技术是一一门以数数字的形形式实现现控制的的技术，，计算机机数字控控制系统统是由程程序、输输入输出出设备、、计算机机数字控控制装置置、可编编程序控控制器、、主轴驱驱动装置置和进给给驱动装装置等组组成。数数控技术术是美国国从数控控机床的的研制开开始的。。几十年年来，数数控装置置和数控控机床经经历了研研究、试试制（1948~1955年）、在工业上上应用（（1956~1959年）和高高速度发发展（1960年到现在在）三个个发展阶阶段。实实践经验验证明，，数控装装置和数数控机床床在提高高生产效效率、节节省人力力、提高高加工精精度、降降低加工工费用等等方面都都具有很很大的优优越性。。数控技技术在近近几年来来获得了了极为迅迅速的发发展，它它不仅在在机械加加工中越越来越普普遍得到到应用，，而且在在其他设设备中也也广泛应应用。例例如：数数控精密密火焰切切割机和和电火花花切割机机、数控控弯扳机机、数控控弯管机机、数控控压力机机、数控控绘图机机、数控控电焊机机等。特特别是高高效自动动化机床床，是机机床自动动化方面面一个新新的、重重要发展展方向。。数字控控制机床床的出现现，标志志着机床床工业进进入了一一个新的的发展阶阶段，也也是当前前工业自自动化的的主要发发展方向向之一。。

（2）柔性制造造系统：是在计计算机直直接数控控基础上上发展起起来的一一种高度度自动化化加工形形式。它它是由统统一的控控制系统统和输送送系统连连接起来来的一组组加工设设备，包包括数控控机床、、材料和和工具自自动运输输设备、、产品零零件自动动传输设设备自动动检测和和试验设设备等，，不仅能能进行自自动化生生产，而而且还能能在一定定范围内内完成不不同工件件的加工工任务。。柔性制制造系统统由加工工系统（（多台制制造设备备）、物物流系统统（设备备间自动动传输材材料、工工具和产产品零件件）、中中央管理理系统（（执行整整个系统统的生产产计划与与作业调调度、集集中监控控以及加加工程序序管理等等工作））组成。。（3）计算机集集成制造造系统：是在自自动化技技术、计计算机技技术及制制造技术术的基础础上，通通过计算算机及其其软件，，将制造造工厂全全部生产产活动（（设计、、制造及及经营管管理，包包括市场场调研、、生产决决策、生生产计划划、生产产管理、、产品开开发、产产品设计计、加工工制造以以及销售售经营等等）与整整个生产产过程有有关的物物料流与与信息流流实现高高度统一一的综合合化管理理，把各各种分散散的自动动化系统统有机地地集成起起来，构构成一个个优化的的完整的的生产系系统，从从而获得得更高的的整体效效益，缩缩短产品品开发制制造周期期、提高高产品质质量、提提高生产产率、提提高企业业的应变变能力和和竞争能能力。2、过程程工业自自动化过程工业业包括电电力、石石油化工工、化工工、造纸纸、冶金金、制药药、轻工工等国民民经济中中举足轻轻重的许许多工业业，主要要对系统统的温度度、压力力、流量量、液位位（料位位）、成成分和物物性等六六大参数数进行控控制。研研究这些些工业的的控制和和管理成成为人们们十分关关注的领领域，是是本学科科非常重重要的应应用领域域之一。。过程控制制研究过过程工业业生产过过程的描描述、模模拟、仿仿真、设设计、控控制和管管理，旨旨在进一一步改善善工艺操操作，提提高自动动化水平平，优化化生产过过程（提提高产品品的产量量和质量量，降低低原材料料和能源源的损耗耗），加加强生产产管理，，最终显显著地增增加经济济效益。。早期的过过程控制制系统主主要采用用基地式式仪表、、气动单单元组合合式仪表表、电动动单元组组合式仪仪表等传传统技术术工具，，尽管这这些仪表表、工具具在过程程工业的的多数工工厂中还还在应用用，但随随着微处处理器和和工业计计算机技技术的发发展，目目前广泛泛采用可可编程单单回路、、多回路路调节器器以及分分布式计计算机控控制系统统。近年年来迅速速发展起起来的现现场总线线网络控控制系统统，更是是控制技技术和计计算机技技术高度度结合的的产物。。与机械械制造系系统中的的计算机机集成制制造系统统类似，，计算机机集成生生产系统统将计划划优化、、生产调调度、经经营管理理和决策策引入计计算机控控制系统统，计算算机集成成生产系系统是过过程工业业自动化化的最新新成就和和发展方方向，是是自动控控制与自自动化技技术非常常重要的的应用领领域。3、电力系系统自动动化不管是何何种形式式的电力力系统，，对其都都有三个个方面的的基本要要求：安安全性、、经济性性和必要要的供电电质量。。为了满满足这些些基本要要求，电电力系统统自动化化是必不不可少的的。首先，安全供供电离不不开自动动化。即即使对于于单个的的火力发发电系统统，为了了保障发发电机的的安全，，需要采采用自动动装置进进行过电电压保护护、过电电流保护护、接地地保护、、功率反反向保护护或差动动保护。。对汽温温、汽压压、真空空度、水水位、炉炉膛压力力、燃烧烧情况以以及汽轮轮发电机机的电流流、电压压、轴承承温度等等参数需需要进行行检测和和监控。。这些都都是电力力系统基基础自动动化的基基本内容容。目前前单个的的电力系系统已经经很少见见，由不不同规模模、不同同性质的的电力系系统形成成复杂的的联网已已经成为为电力系系统发展展的必然然趋势。。此时，，简单的的单项自自动装置置已经不不能解决决问题，，要检测测和识别别更多的的参数，，并及时时地做出出正确的的综合判判断。其次，经济运运行需要要自动化化。若干干联网电电厂总的的经济性性和单个个机组经经济性的的考虑出出发点不不同，不不能只考考虑单个个机组的的经济性性。对于于火力发发电厂，，不但要要考虑每每个电厂厂煤耗率率、煤耗耗微增率率（即增增加单位位负荷所所需的煤煤耗量）），还要要考虑不不同电厂厂在输电电过程中中的不同同线路损损耗。电电力系统统形成复复杂的联联网时，，有多个个电厂向向电网输输入电力力，由于于环网之之间的出出力分配配相互影影响，人人们将面面临一个个多输入入、多输输出的大大系统，，它有大大量、复复杂的信信息处理理，还需需要进行行负荷预预测。这这些必须须借助基基于计算算机的自自动化管管理与控控制系统统才能达达到希望望的效果果。再次，供电质质量的自自动化要要求。供供电质量量主要指指电压质质量和频频率质量量。例如如频率下下降时，，鼓风机机出力减减少，锅锅炉给水水泵打不不上水，，火力发发电厂的的锅炉将将不能运运行；油油泵不能能供应轴轴承润滑滑油，汽汽轮发电电机的轴轴瓦将被被烧坏。。频率变变化对电电子设备备的影响响更大。。电压质质量直接接影响到到用户的的用电质质量。电电压过高高会损害害用电电电器，或或影响其其寿命；；电压过过低则电电灯不亮亮，荧光光灯不能能启动，，甚至会会由于转转矩不够够而烧坏坏电动机机。自动动调节发发电机的的端电压压、保护护用户电电压稳定定、自动动调节频频率是电电力系统统自动化化的主要要任务之之一。4．飞行器器控制飞行器是是人类征征服自然然、改造造自然过过程中发发明的重重要工具具。现代代飞行器器有很多多种类，，例如有有飞机、、导弹、、人造卫卫星、直直升机、、运载火火箭、宇宇宙飞船船、航天天飞机等等。不管管是何种种飞行器器均离不不开自动动控制系系统。而而且不同同的飞行行器其控控制系统统也各不不相同，，系统的的性能、、功能和和结构可可能截然然不同。。因此飞飞行器是是自动控控制最重重要的应应用领域域，许多多先进的的、新型型控制理理论和技技术正是是为了适适应飞行行器工程程的高要要求而发发展起来来的。（1）导弹控制制系统：其主要要任务是是：控制制导弹有有效载荷荷的投掷掷精度（（命中精精度），，对飞行行器实施施姿态控控制，保保证在各各种条件件下的飞飞行稳定定性；在在发射前前对飞行行器进行行可靠、、准确的的检测和和操纵发发射。由由于飞行行时间一一般较短短，但却却经受着着内外干干扰、多多种环境境条件的的恶劣影影响，因因而往往往偏离预预计轨道道和预计计飞行状状态。控控制系统统的作用用就是消消除或减减小这些些干扰和和影响的的后果，，控制导导弹准确确、可靠靠地完成成飞行动动作，最最后飞向向目标。。（2）导航系统统：导航是是指利用用敏感器器件测量量飞行器器的运动动参数，，并将测测量的信信息直接接或经过过变换、、计算来来表征飞飞行器在在某种坐坐标系的的角度、、速度和和位置等等状态量量。而由由测量、、传递、、变换、、计算几几个环节节组成并并给出飞飞行器初初始状态态和飞行行运动参参数的系系统则称称为导航航系统。。例如近近几年发发展和完完善起来来的全球球卫星定定位系统统。不仅仅飞行器器需要导导航系统统，车辆辆、舰船船也不同同程度地地离不开开导航系系统。（3）制导系统统：其主要要功能是是利用导导航系统统提供的的飞行器器运动参参数，对对飞行器器运动进进行控制制，使飞飞行器从从某一飞飞行状态态达到期期望的终终端条件件，保证证飞行器器以足够够的精度度命中目目标。对对于打击击远距离离固定目目标的地地对地导导弹，一一般是将将导弹自自身的实实时运动动参数与与事先设设计好的的标准弹弹道相比比较，由由此获得得误差信信号，根根据一定定的制导导规律（（控制算算法）来来控制导导弹的运运动，最最终使导导弹沿标标准弹道道飞行直直到命中中目标。。随着控控制理论论的不断断发展，，许多新新的制导导规律正正在不断断发展完完善。飞行器控控制系统统还有：姿态控控制系统统、飞行行控制电电子综合合系统、、测试与与发射控控制系统统等。5．智能建建筑一般认为为智能建建筑包括括三大基基本要素素，即楼楼宇自动动化系统统，通信信自动化化系统和和办公自自动化系系统，三三者是有有机结合合在一起起的。楼宇自动动化系统统实现对大大楼供电电、照明明、报警警、消防防、电梯梯、空调调等设备备子系统统的监控控和管理理，对设设备运行行参数进进行实时时控制与与监视，，对动力力设备进进行节能能控制，，对设备备非正常常运行状状态报警警，从而而实现对对设备的的优化管管理与控控制，保保障设备备运行的的安全性性和可靠靠性。通信自动动化系统统是大厦智智能化的的“中枢枢神经””。它由由各种通通信设备备、通信信线路以以及相关关计算机机软件组组成。它它主要包包括传送送话音、、数据和和图象的的基本通通信网络络；实现现楼层间间各种终终端、微微机、工工作站之之间通信信的楼层层局域网网；沟通通楼群或或楼内计计算机与与楼内各各个局域域网间通通信联系系的高速速主干网网以及与与公共信信息资源源（如Internet）相通的远远程数据据通信网网。智能能大厦的的办公自动动化系统统具有文字字处理、、资料管管理、行行政管理理、图象象或图形形处理、、声音处处理、网网络通信信等多种种功能，，可以对对智能大大厦内的的数据网网络控制制中心提提供动态态信息资资源分配配、故障障诊断及及恢复、、信息处处理及网网络性能能等进行行监控。。6．智能交交通系统统交通运输输是国民民经济支支柱性产产业，对对人类的的生产、、生活有有着非常常重要的的影响。。每个国国家都面面临道路路交通日日益拥挤挤、路网网通行能能力不能能满足交交通量增增长需要要的问题题。智能能交通系系统正