自动化专业概论课件 2

第二章自动化的概念

和发展简史

2.1控制和自动化的概念现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。第二章自动化的概念

和发展简史2.1控制和自动1

各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸，如图2.1所示。各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别2图2.1防空导弹的制导1—目标跟踪雷达；2—导弹导引雷达；3—计算机；4—导弹发射架312••••••目标交会点4图2.1防空导弹的制导1—目标跟踪雷达；2—导弹导引雷达3

自动化(Automation):表示机器或设备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制以达到预定的要求。图2.2(a)和(b)是水温的手动控制漫画和采用自动控制的示意图。自动化(Automation):表示机器或设备在无人干4图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图(a)手动控制漫画图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图(a)手动控5•调节记录仪温水测温计冷水蒸汽调节阀(b)自动控制图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图•调节记录仪温水测温计冷水蒸汽调节阀(b)自动控制图2.6

自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的7

2.2我国古代自动装置

⑴指南车

2.2我国古代自动装置8车身齿轮系木人车辆转弯方向图2.3指南车方向自动装置框图车身齿轮系木人车辆方向图2.3指南车方向自动装置框图9

⑵铜壶滴漏

⑶饮酒速度的自动调节⑷计里鼓车⑸漏水转浑天仪⑹候风地动仪⑺水运仪象台⑵铜壶滴漏102.3控制和自动化技术发展简史

控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。

2.3控制和自动化技术发展简史控制和自动化技11⑴古代自动装置⑵近代自动装置2.3.1自动装置的出现和应用(18世纪以前)⑴古代自动装置2.3.1自动装置的出现122.3.2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.瓦特(Watt)发明离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接进来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。2.3.2自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪3013

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。

⑴自动调节的广泛应用⑵自动调节系统的稳定性问题这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重14图2.4对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽负荷离心式调速器转速测量进汽-+图2.4对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽负荷离心式转速15⑶反馈控制和频率法图2.5反馈调节（控制）系统调节器（控制器）被控对象输出变量

控制量前向通道误差

输入变量（给定规律）反馈通道-+⑶反馈控制和频率法图2.5反馈调节（控制）系统调节器被162.3.3局部自动化时期(20世纪40～50年代)

在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。2.3.3局部自动化时期(20世纪40～50年代)17目标方向敏感元件计算机定位伺服机构跟踪误差跟踪环路瞄准环路视线瞄准误差火炮瞄准命令火炮方向图2.6自动防空火力控制系统原理图目标方向敏感元件计算机定位伺服机构跟踪误差跟踪环路瞄准环路视18伺服机构（控制绕垂直轴转动）伺服机构（控制仰角）炮管中心

线视线计算机指挥仪敏感元件图2.7自动防空火力控制系统伺服机构（控制伺服机构炮视线计算机指挥仪敏感元件图2.7192.3.3.1经典控制理论的形成和发展

在代数稳定判据、传递函数和频率法判据的基础上，再加上W.埃文斯1948年提出的根轨迹法，奠定了适宜用于单变量控制问题的经（古）典控制理论的基础。经典控制理论→单变量控制问题2.3.3.1经典控制理论的形成和发展在代数稳20

频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反馈控制系统一般称为自动调节系统，后称为自动控制系统。因此，调节器现在也称为控制器。频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动21

1945年，美国数学家、控制理论专家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一些控制系统。

1948年他出版了名著《控制论》一书，为控制理论的发展奠定了基础。1945年，美国数学家、控制理论专家N.维纳把反22

1954年，中国科学家钱学森全面地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)一书。1954年，中国科学家钱学森全面地总结和提高了经232.3.3.2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(ElectronicAnalogComputer)来设计自动控制系统。2.3.3.2局部自动化的广泛应用第二次世界242.3.3.3电子数字计算机的发明

1943～1946年，美国电气工程师J.埃克脱(Eckert)和物理学家J.莫奇利(Mauchly)为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机(ElectronicDigitComputer)——电子数字积分和自动计数器(ENIAC)。2.3.3.3电子数字计算机的发明1943～1252.3.4综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）

复杂工业过程和航天、航海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。2.3.4综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）26

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。但经典的控制理论的直接应用遇到了困难。272.3.4.1现代控制理论的形成和发展

公元1956年，前苏联数学家JI.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。2.3.4.1现代控制理论的形成和发展公元128

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。现代控制理论迅速发展，形成了多个重要分支。现代控制理论→多变量控制问题1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两29

⑴系统辨识、建模与仿真,系统辨识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。⑵自适应控制和自校正控制器⑶遥测、遥控和遥感20世纪20年代，遥测和遥控开始在铁路信号和道岔控制上实际应用。⑴系统辨识、建模与仿真,系统辨识30被控对象自适应控制器反馈控制器校正作用输出干扰控制输入图2.8自适应控制框图被控对象自适应控制器反馈控制器校正作用输出干扰控制输入图2.31被控对象辨识器反馈控制器参数输出干扰控制输入图2.9自校正控制框图被控对象辨识器反馈控制器参数输出干扰控制输入图2.9自校正32

⑷综合自动化20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的工厂，20世纪60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。⑷综合自动化20世纪50年代末到60年代33

⑸大系统理论的诞生大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过分解—协调以较短时间计算出优化结果，使需要在线及时求取的大系统优化解并实施优化控制成为可能。大系统：规模宏大或结构复杂的系统⑸大系统理论的诞生大系统理论的重要作用在于34

⑹模式识别和人工知能使用电子数字计算机并使它能直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图像、景物等，称为“模式识别”，如对汽车牌照的识别以控制和管理交通，对指印的识别以甄别罪犯，对汉字的识别以实现办公自动化等。⑹模式识别和人工知能使用电子数字计算机并35

⑺智能控制系统的诞生随着人工智能研究的发展，人们开始将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制技术解决得不好或者不能解决的控制问题。智能控制系统：具有一定人类智能功能的系统⑺智能控制系统的诞生随着人工智能研究的发36

它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和具有多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统，例如智能机器人便是一例。智能控制理论→复杂系统的控制问题它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制372.4中国的自动化教育和科研机构

自从1950年在上海交通大学为电机系本科生和研究生开设“伺服机构原理”课程以后，1953年在高等院校电机（力）系开始逐步设置了“工业企业电气化”专业（自动化专业的前身）。2.4中国的自动化教育和科研机构自从19538

该专业的课程设置中有“自动调节理论”课程，即现在的“自动控制理论”课程。当时类似课程在电类其他专业的教学计划中也都设置了，如在“发电”专业的教学计划中设置有“电力系统自动化”课程以及“电力系统远动学”（即远距离测量和控制学）。该专业的课程设置中有“自动调节理论”39

这两个自动化类专业为中国培养了大批专业人才。

1957年中国科学院成立了自动化研究所，20世纪60年代中叶又成立了中国科学院沈阳自动化研究所。这两个自动化类专业为中国培养了大批专业40

以控制论专家钱学森、张钟俊、钟士模、郎世俊和关肇直为代表的老一辈自动控制专家对中国的自动化教育和自动控制理论发展以及在国防上的应用作出了极其重要的贡献。以控制论专家钱学森、张钟俊、钟士模、郎世俊和关肇41

在他们的教育、培养和带动下，新一代的自动控制专家茁壮成长，其中涌现了一批科学院院士和工程院院士。在他们的教育、培养和带动下，新一代的42第二章自动化的概念

和发展简史

2.1控制和自动化的概念现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。第二章自动化的概念

和发展简史2.1控制和自动43

各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸，如图2.1所示。各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别44图2.1防空导弹的制导1—目标跟踪雷达；2—导弹导引雷达；3—计算机；4—导弹发射架312••••••目标交会点4图2.1防空导弹的制导1—目标跟踪雷达；2—导弹导引雷达45

自动化(Automation):表示机器或设备在无人干预的情况下，按规定的程序或指令自动进行操作或控制以达到预定的要求。图2.2(a)和(b)是水温的手动控制漫画和采用自动控制的示意图。自动化(Automation):表示机器或设备在无人干46图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图(a)手动控制漫画图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图(a)手动控47•调节记录仪温水测温计冷水蒸汽调节阀(b)自动控制图2.2水温的手动控制和自动控制的示意图•调节记录仪温水测温计冷水蒸汽调节阀(b)自动控制图2.48

自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术，归属于控制科学与工程的范畴。自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用硬件和软件等。自动化是新的技术革命的一个重要方面。自动化是一个涉及学科较多、应用广泛的49

2.2我国古代自动装置

⑴指南车

2.2我国古代自动装置50车身齿轮系木人车辆转弯方向图2.3指南车方向自动装置框图车身齿轮系木人车辆方向图2.3指南车方向自动装置框图51

⑵铜壶滴漏

⑶饮酒速度的自动调节⑷计里鼓车⑸漏水转浑天仪⑹候风地动仪⑺水运仪象台⑵铜壶滴漏522.3控制和自动化技术发展简史

控制和自动化技术的发展经历了四个历史时期。

2.3控制和自动化技术发展简史控制和自动化技53⑴古代自动装置⑵近代自动装置2.3.1自动装置的出现和应用(18世纪以前)⑴古代自动装置2.3.1自动装置的出现542.3.2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.瓦特(Watt)发明离心式调速器，并把它与蒸汽机的阀门连接进来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。2.3.2自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪3055

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。

⑴自动调节的广泛应用⑵自动调节系统的稳定性问题这项发明对第一次工业革命和控制理论后来的发展有重56图2.4对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽负荷离心式调速器转速测量进汽-+图2.4对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽负荷离心式转速57⑶反馈控制和频率法图2.5反馈调节（控制）系统调节器（控制器）被控对象输出变量

控制量前向通道误差

输入变量（给定规律）反馈通道-+⑶反馈控制和频率法图2.5反馈调节（控制）系统调节器被582.3.3局部自动化时期(20世纪40～50年代)

在第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的自动调节装置，开创了防空火力系统和控制这一新的科学领域。2.3.3局部自动化时期(20世纪40～50年代)59目标方向敏感元件计算机定位伺服机构跟踪误差跟踪环路瞄准环路视线瞄准误差火炮瞄准命令火炮方向图2.6自动防空火力控制系统原理图目标方向敏感元件计算机定位伺服机构跟踪误差跟踪环路瞄准环路视60伺服机构（控制绕垂直轴转动）伺服机构（控制仰角）炮管中心

线视线计算机指挥仪敏感元件图2.7自动防空火力控制系统伺服机构（控制伺服机构炮视线计算机指挥仪敏感元件图2.7612.3.3.1经典控制理论的形成和发展

在代数稳定判据、传递函数和频率法判据的基础上，再加上W.埃文斯1948年提出的根轨迹法，奠定了适宜用于单变量控制问题的经（古）典控制理论的基础。经典控制理论→单变量控制问题2.3.3.1经典控制理论的形成和发展在代数稳62

频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反馈控制系统一般称为自动调节系统，后称为自动控制系统。因此，调节器现在也称为控制器。频率法(或称频域法）成为分析和设计线性单变量自动63

1945年，美国数学家、控制理论专家N.维纳把反馈的概念推广到生物等一些控制系统。

1948年他出版了名著《控制论》一书，为控制理论的发展奠定了基础。1945年，美国数学家、控制理论专家N.维纳把反64

1954年，中国科学家钱学森全面地总结和提高了经典控制理论，在美国出版了用英语撰写的、在世界上很有影响的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)一书。1954年，中国科学家钱学森全面地总结和提高了经652.3.3.2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(ElectronicAnalogComputer)来设计自动控制系统。2.3.3.2局部自动化的广泛应用第二次世界662.3.3.3电子数字计算机的发明

1943～1946年，美国电气工程师J.埃克脱(Eckert)和物理学家J.莫奇利(Mauchly)为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管的电子数字计算机(ElectronicDigitComputer)——电子数字积分和自动计数器(ENIAC)。2.3.3.3电子数字计算机的发明1943～1672.3.4综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）

复杂工业过程和航天、航海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。2.3.4综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）68

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。但经典的控制理论的直接应用遇到了困难。692.3.4.1现代控制理论的形成和发展

公元1956年，前苏联数学家JI.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。2.3.4.1现代控制理论的形成和发展公元170

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。现代控制理论迅速发展，形成了多个重要分支。现代控制理论→多变量控制问题1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两71

⑴系统辨识、建模与仿真,系统辨识是根据系统输入、输出数据为系统建立数学模型的理论和方法。⑵自适应控制和自校正控制器⑶遥测、遥控和遥感20世纪20年代，遥测和遥控开始在铁路信号和道岔控制上实际应用。⑴系统辨识、建模与仿真,系统辨识72被控对象自适应控制器反馈控制器校正作用输出干扰控制输入图2.8自适应控制框图被控对象自适应控制器反馈控制器校正作用输出干扰控制输入图2.73被控对象辨识器反馈控制器参数输出干扰控制输入图2.9自校正控制框图被控对象辨识器反馈控制器参数输出干扰控制输入图2.9自校正74

⑷综合自动化20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的工厂，20世纪60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。⑷综合自动化20世纪50年代末到60年代75

⑸大系统理论的诞生大系统理论的重要作用在于对大系统进行调度优化和控制优化，通过分解—协调以较短时间计算出优化结果，使需要在线及时求取的大系统优化解并实施优化控制成为可能。大系统：规模宏大或结构复杂的系统⑸大系统理论的诞生大系统理论的重要作用在于76

⑹模式识别和人工知能使用电子数字计算机并使它能直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图像、景物等，称为“模式识别”，如对汽车牌照的识别以控制和管理交通，