自动化科学与技术学科课件

自动化科学与技术学科的内容、地位与体系东南大学戴先中

自动化科学与技术学科

报告内容一．研究的背景

——开展研究的重要性二．对自动化的认识——发展自动化的重要性三．对自动化学科的认识

——发展自动化学科的重要性

四．对自动化专业的认识

——发展自动化专业的重要性报告内容一．研究的背景有一系列难回答的问题！如：1）在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？2）自动化学科要解决的科学问题是什么？过去很清楚，现在说不清了？3）自动化学科涉及范围那么广，

如何有效开展研究？4）自动化学科与信息学科的关系，是包容、还是相对独立？5）我国的自动化专业有无特色，发展前景如何？

一．研究的背景

二．对自动化的认识二．对自动化的认识

自动化与工业化的关系

工业化特点：专指工业，尤其是制造业

工业化发展三阶段：机械化（大规模使用机器系统）电气化（加入电机、电网络）自动化（加入自动控制器）

实现自动化，就完成工业化目前来说：自动化是工业化的最重要标志（国内总体来说，已机械化、电气化）自动化与工业化的关系机械化（大规模使用机器系统）实现自动

自动化与信息化的关系信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：一定在工业化的基础上计算机化（大规模使用数字计算机）网络化（实现计算机网络）

先进自动化（综合集成了系统、管理）

实现先进自动化，就完成（工业）信息化先进自动化是信息化的最重要标志（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）自动化与信息化的关系计算机化（大规模使用数字计机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）自动化（加入自动控制器）计算机化（应用数字计算机）网络化（实现计算机网络）先进自动化（系统、管理）智能化（引入智能）知识化（处理知识）工业化信息化知识化社会总发展机械化（应用机器系统）工业化社会总发自动化科学与技术学科（基础）自动化（核心是控制）是工业化完成与否的标志

自动化技术是工业化的核心技术先进自动化（核心是信息、控制、系统）

是信息化完成与否的标志

先进自动化技术是信息化的核心技术自动化科学与技术学科

三．对自动化科学与技术学科的认识

三．对自动化科学与技术学科的认识

自动化科学解决什么科学问题？

自动化技术研究什么针对技术？

传统意义上如何？

当前又如何？自动化科学解决什么科学问题？

自动化技术研究什么针对传统意义上，自动化科学研究的焦点

——系统的物理学特性

需要解决的基本问题

——给定值控制问题、跟踪问题和自主问题

其基本科学问题

——建模问题、稳定性问题、动态特性问题

适应性（鲁棒性）问题和自主性问题

自动化技术研究的针对性工程应用技术

——模型技术、检测技术、执行技术、

控制（计算）技术。传统意义上，自动化科学研究的焦点

——系统的物理学特当前

自动化科学与技术

焦点和难点在哪？当前

自动化科学与技术

自动化科学与技术的发展特点之一

最初——处理系统的物理特性，

基础自动化，物质、能量

当前——处理系统的复杂性，

先进自动化，主要是信息自动化科学与技术的发展特点之一

最初——处理系统的物理检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线

检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线当前，自动化科学研究的焦点和难点

——系统的复杂性，

需要解决的基本问题或基本科学问题

——复杂系统的建模问题

综合集成问题（包括人）

整体优化问题、失效容错问题

和系统智能问题

自动化技术主要包括

——模型技术、仿真技术、集成技术、

优化技术、可靠性技术和运行技术。当前，自动化科学研究的焦点和难点

——系统的复杂三对自动化学科的认识（续）

自动化学科与信息学科的关系三对自动化学科的认识（续）

自动化学科与信息学

自动化科学与信息科学同根、同源

信息科学的基础

《信息论》与《控制论》、《系统论》

自动化科学的基础

《控制论》、《系统论》与《信息论》

自动化科学与信息科学同根、同源

信息科学的基础

自动化技术涉及到信息技术的全部自动化技术涉及到信息技术的全部注意两点：

1）自动化科学与信息科学的同根、同源，自动化技术涉及到信息技术的全部，并不隐含着：

自动化技术可替代信息技术

2）我国国家自然科学基金，将自动化科学划归信息科学部。并不隐含着：

信息技术包含了自动化技术

自动化技术的重点是在

信息的控制应用上

自动化技术的作用是如何有效地

利用信息来促进能量与物质的有效利用。

注意两点：

1）自动化科学与信息科学的同根、同源，自动化技术对自动化学科的认识（续）

自动化科学与技术学科的研究层次

对自动化学科的认识（续）

自动化科学与技术学科的研究层次为什么要分自动化学科的研究层次？

自动化科学技术包含面太宽

——多学科交叉

难以从最基础的理论到最实际的具体工程应用

都面面俱到地、均衡地去研究或学习。

应该确保科学与技术（工程）不分家的前提

分层次的、有重点的去研究与学习为什么要分自动化学科的研究层次？

自动化科学技术如何分自动化学科的研究层次？

根据被控制的对象的

不同物理、数学形态

自动化学科研究可分为三个不同层次：

1）模型的控制，突出学科的数学特征；

2）信息的控制，突出学科的信息特征；

3）实体的控制，突出学科的工程特征。如何分自动化学科的研究层次？

根据被控制的对象的

实体的控制

——工程中具体对象（实际设备）的控制

最基本、最实在的控制

最充分地体现了自动化科学技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用。

实体的控制的特点是：

1）工程特征，明显的使能特性与对象依赖性；

2）桥梁特性，信息与能量、物质之间的桥梁；

3）交叉特征，与其它工程学科密切交叉。实体的控制

——工程中具体对象（实际设备）的控制

信息的控制“控制论”对控制的定义:这门新学科的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是在其他各门自然科学中这些因素是非常重要的。控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。控制论的着眼点:

信息与控制，或说信息的控制。信息的控制信息的控制的特点：

1）信息特征。重点研究信息，

是信息科学技术的重要部分；

2）系统特征。从系统的观点研究信息的控制

通过“综合”与“集成”解决信息的控制

3）渗透与扩散特性。解决带有一定普遍性或共性的对象的信息控制问题，目的又是为了改造世界，因而有强的渗透与扩散特性、广阔的应用范围。

信息的控制的特点：

1）信息特征。重点研究信息，

模型的控制

面向控制的模型与一般模型的不同:

*描述子系统间的交互作用的方法不同，要求反映出系统的基本输入/输出特性以及噪声抑制能力和互联稳定性；

*在输入/输出特性的框架下，比较容易将一个高逼真度的复杂模型降阶成为低逼真度的简单模型，从而为复杂互连系统的控制设计打下基础。

对自动化学科的理论研究来说，与其它学科的交叉更多地就体现在系统建模中。模型的控制

面向控制的模型与一般模型的不同:模型的控制的特点：

1)

抽象特征。模型提炼，使具有普适性。

对实际的复杂互连系统进行模型化，进行加工、改造，使更抽象、具有普适性；

2)

数学特征。坚实的数学基础。

许多新的数学方法都是先用在自动化学科之后再用于其它技术学科的。

3)

理论特征。研究与自动化有关的原理性问题、提出具有普适性的新的控制理论与方法。模型的控制的特点：

1)

抽象特征。模型提炼，“模型的控制”—无电基础研究“信息的控制”—弱电应用基础研究（信息学部）

“实体的控制”—强电应用基础研究（工程学部）

不同控制之间的区别与联系抽象，基础科学具体，实际工程自然科学基金“模型的控制”—无电基础研究不同控制之间的区别与联系抽模型的控制—无电信息的控制—弱电

实体的控制—强电

自动化科学基础研究（973）自动化技术高技术研究（863）抽象，基础科学具体，实际工程不同控制之间的区别与联系（续）模型的控制—无电自动化科学基础研究（973）抽象，四对自动化专业的认识

*自动化专业的知识体系；

*自动化专业的课程体系；

*自动化专业的特点；

*自动化专业的发展前景。四对自动化专业的认识

*自动化专业的知识体系；

基本的负反馈闭环控制结构基本的负反馈闭环控制结构自动化科学与技术学科自动化科学与技术学科自动化科学与技术学科自动化专业的知识体系

由三层知识构成，包括八个知识领域

反映自动化专业特点的五个知识领域

控制与智能、传感与检测

执行与驱动、模型与仿真

系统与工程；

自动化专业知识体系的核心知识是

控制与智能、模型与仿真

系统与工程等三个知识领域

也是自动化专业与其它专业的最大区别。

自动化专业的知识体系

由三层知识构成，包括八个知识

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的课程体系

四对自动化专业的认识（续）

自动自动化专业的不同课程体系

对应学科不同的研究层次

适应不同院校、不同专业设置：

1）

“模型的控制”类课程体系，适合理科院校；

2）

“信息的控制”类课程体系，适合重点工科院校

——通识自动化

3)“实体的控制”类课程体系，适合一般工科院校

——“专业”自动化，如：商业自动化

化工自动化、建筑自动化。

设置不同类型的课程体系,有利于吸引更多的人来学习自动化、掌握自动化、从而投身自动化事业，更有利于学科与专业的发展。

自动化专业的不同课程体系

对应学科不同的研究层次

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的特点

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的特点自动化学科的特点

一门多学科交叉的高技术学科

自动化应用的特点

宽、广，几乎无所不包，

并且，伴随其它技术发展，越来越广

学自动化专业的特点

需要学的知识多，并要求扎实

在学工的学生中，学自动化需要的数学知识最多

学自动化学习的计算机仅次于计算机专业自动化学科的特点

一门多学科交叉的高技术学科

自动自动化专业的特点——从培养学生角度：1）多学科交叉、内涵丰富、外延宽广。利于培养宽口径、多面手、综合复合型人才；2）得益于具有方法论性质的科学方法、科学思想的熏陶，思想更开阔、也更有深度。非常利于培养具有创新能力的人才；3）特别需要从工程实际问题中抽象出系统问题的分析与综合能力，特别需要综合集成解决系统问题的能力。有利于培养“将才”与“帅才”。三．自动化的特点及与其他学科的关系自动化专业的特点——从培养学生角度：三．自动化的特点及与其自动化专业的特点——从专业发展角度：

①

符合厚基础、宽口径专业设立的要求；

②

符合淡化机、电等单机概念，

突出含机、含电的系统概念；

③

符合淡化“行业性的专业”，

突出“跨行业的专业”的理念，

具有中国特色。

为建立新的教育体系做出了有益的探索与尝试、提供了新的思路与可供借鉴的经验。

自动化专业的特点——从专业发展角度：

①

符合厚基础、

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的发展前景

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的发展按目前的发展思路与发展趋势，

我国自动化专业，应

①

进一步向厚基础、重（视）系统与管理的方向发展；

②

进一步淡化机、电、计算机、通信等“单机”概念，突出含机、含电、含计算机、含通信网络的大系统、复杂系统与人机系统的概念；

③

进一步淡化电气信息类的“自动化专业”的特征，向真正的“跨行业的专业”方向努力

。

按目前的发展思路与发展趋势，

我国自动化专业

发展前景：

自动化学科（专业）完全有可能率先发展成为一个包含目前许多学科（专业）的大学科（专业），成为真正的跨行业的学科（专业）。

建立这样的新的学科（专业）

已初见端倪！发展前景：

自动化学科（专业）完全有可能率先发展

谢谢！

谢谢！

自动化科学与技术学科的内容、地位与体系东南大学戴先中

自动化科学与技术学科

报告内容一．研究的背景

——开展研究的重要性二．对自动化的认识——发展自动化的重要性三．对自动化学科的认识

——发展自动化学科的重要性

四．对自动化专业的认识

——发展自动化专业的重要性报告内容一．研究的背景有一系列难回答的问题！如：1）在工业化、信息化中，自动化的位置在哪？2）自动化学科要解决的科学问题是什么？过去很清楚，现在说不清了？3）自动化学科涉及范围那么广，

如何有效开展研究？4）自动化学科与信息学科的关系，是包容、还是相对独立？5）我国的自动化专业有无特色，发展前景如何？

一．研究的背景

二．对自动化的认识二．对自动化的认识

自动化与工业化的关系

工业化特点：专指工业，尤其是制造业

工业化发展三阶段：机械化（大规模使用机器系统）电气化（加入电机、电网络）自动化（加入自动控制器）

实现自动化，就完成工业化目前来说：自动化是工业化的最重要标志（国内总体来说，已机械化、电气化）自动化与工业化的关系机械化（大规模使用机器系统）实现自动

自动化与信息化的关系信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：一定在工业化的基础上计算机化（大规模使用数字计算机）网络化（实现计算机网络）

先进自动化（综合集成了系统、管理）

实现先进自动化，就完成（工业）信息化先进自动化是信息化的最重要标志（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）自动化与信息化的关系计算机化（大规模使用数字计机械化（应用机器系统）电气化（加入电机、网络）自动化（加入自动控制器）计算机化（应用数字计算机）网络化（实现计算机网络）先进自动化（系统、管理）智能化（引入智能）知识化（处理知识）工业化信息化知识化社会总发展机械化（应用机器系统）工业化社会总发自动化科学与技术学科（基础）自动化（核心是控制）是工业化完成与否的标志

自动化技术是工业化的核心技术先进自动化（核心是信息、控制、系统）

是信息化完成与否的标志

先进自动化技术是信息化的核心技术自动化科学与技术学科

三．对自动化科学与技术学科的认识

三．对自动化科学与技术学科的认识

自动化科学解决什么科学问题？

自动化技术研究什么针对技术？

传统意义上如何？

当前又如何？自动化科学解决什么科学问题？

自动化技术研究什么针对传统意义上，自动化科学研究的焦点

——系统的物理学特性

需要解决的基本问题

——给定值控制问题、跟踪问题和自主问题

其基本科学问题

——建模问题、稳定性问题、动态特性问题

适应性（鲁棒性）问题和自主性问题

自动化技术研究的针对性工程应用技术

——模型技术、检测技术、执行技术、

控制（计算）技术。传统意义上，自动化科学研究的焦点

——系统的物理学特当前

自动化科学与技术

焦点和难点在哪？当前

自动化科学与技术

自动化科学与技术的发展特点之一

最初——处理系统的物理特性，

基础自动化，物质、能量

当前——处理系统的复杂性，

先进自动化，主要是信息自动化科学与技术的发展特点之一

最初——处理系统的物理检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线

检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线当前，自动化科学研究的焦点和难点

——系统的复杂性，

需要解决的基本问题或基本科学问题

——复杂系统的建模问题

综合集成问题（包括人）

整体优化问题、失效容错问题

和系统智能问题

自动化技术主要包括

——模型技术、仿真技术、集成技术、

优化技术、可靠性技术和运行技术。当前，自动化科学研究的焦点和难点

——系统的复杂三对自动化学科的认识（续）

自动化学科与信息学科的关系三对自动化学科的认识（续）

自动化学科与信息学

自动化科学与信息科学同根、同源

信息科学的基础

《信息论》与《控制论》、《系统论》

自动化科学的基础

《控制论》、《系统论》与《信息论》

自动化科学与信息科学同根、同源

信息科学的基础

自动化技术涉及到信息技术的全部自动化技术涉及到信息技术的全部注意两点：

1）自动化科学与信息科学的同根、同源，自动化技术涉及到信息技术的全部，并不隐含着：

自动化技术可替代信息技术

2）我国国家自然科学基金，将自动化科学划归信息科学部。并不隐含着：

信息技术包含了自动化技术

自动化技术的重点是在

信息的控制应用上

自动化技术的作用是如何有效地

利用信息来促进能量与物质的有效利用。

注意两点：

1）自动化科学与信息科学的同根、同源，自动化技术对自动化学科的认识（续）

自动化科学与技术学科的研究层次

对自动化学科的认识（续）

自动化科学与技术学科的研究层次为什么要分自动化学科的研究层次？

自动化科学技术包含面太宽

——多学科交叉

难以从最基础的理论到最实际的具体工程应用

都面面俱到地、均衡地去研究或学习。

应该确保科学与技术（工程）不分家的前提

分层次的、有重点的去研究与学习为什么要分自动化学科的研究层次？

自动化科学技术如何分自动化学科的研究层次？

根据被控制的对象的

不同物理、数学形态

自动化学科研究可分为三个不同层次：

1）模型的控制，突出学科的数学特征；

2）信息的控制，突出学科的信息特征；

3）实体的控制，突出学科的工程特征。如何分自动化学科的研究层次？

根据被控制的对象的

实体的控制

——工程中具体对象（实际设备）的控制

最基本、最实在的控制

最充分地体现了自动化科学技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用。

实体的控制的特点是：

1）工程特征，明显的使能特性与对象依赖性；

2）桥梁特性，信息与能量、物质之间的桥梁；

3）交叉特征，与其它工程学科密切交叉。实体的控制

——工程中具体对象（实际设备）的控制

信息的控制“控制论”对控制的定义:这门新学科的一个非常突出的特点就是完全不考虑能量、热量和效率等因素，可是在其他各门自然科学中这些因素是非常重要的。控制论所讨论的主要问题是一个系统的各个不同部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。控制论的着眼点:

信息与控制，或说信息的控制。信息的控制信息的控制的特点：

1）信息特征。重点研究信息，

是信息科学技术的重要部分；

2）系统特征。从系统的观点研究信息的控制

通过“综合”与“集成”解决信息的控制

3）渗透与扩散特性。解决带有一定普遍性或共性的对象的信息控制问题，目的又是为了改造世界，因而有强的渗透与扩散特性、广阔的应用范围。

信息的控制的特点：

1）信息特征。重点研究信息，

模型的控制

面向控制的模型与一般模型的不同:

*描述子系统间的交互作用的方法不同，要求反映出系统的基本输入/输出特性以及噪声抑制能力和互联稳定性；

*在输入/输出特性的框架下，比较容易将一个高逼真度的复杂模型降阶成为低逼真度的简单模型，从而为复杂互连系统的控制设计打下基础。

对自动化学科的理论研究来说，与其它学科的交叉更多地就体现在系统建模中。模型的控制

面向控制的模型与一般模型的不同:模型的控制的特点：

1)

抽象特征。模型提炼，使具有普适性。

对实际的复杂互连系统进行模型化，进行加工、改造，使更抽象、具有普适性；

2)

数学特征。坚实的数学基础。

许多新的数学方法都是先用在自动化学科之后再用于其它技术学科的。

3)

理论特征。研究与自动化有关的原理性问题、提出具有普适性的新的控制理论与方法。模型的控制的特点：

1)

抽象特征。模型提炼，“模型的控制”—无电基础研究“信息的控制”—弱电应用基础研究（信息学部）

“实体的控制”—强电应用基础研究（工程学部）

不同控制之间的区别与联系抽象，基础科学具体，实际工程自然科学基金“模型的控制”—无电基础研究不同控制之间的区别与联系抽模型的控制—无电信息的控制—弱电

实体的控制—强电

自动化科学基础研究（973）自动化技术高技术研究（863）抽象，基础科学具体，实际工程不同控制之间的区别与联系（续）模型的控制—无电自动化科学基础研究（973）抽象，四对自动化专业的认识

*自动化专业的知识体系；

*自动化专业的课程体系；

*自动化专业的特点；

*自动化专业的发展前景。四对自动化专业的认识

*自动化专业的知识体系；

基本的负反馈闭环控制结构基本的负反馈闭环控制结构自动化科学与技术学科自动化科学与技术学科自动化科学与技术学科自动化专业的知识体系

由三层知识构成，包括八个知识领域

反映自动化专业特点的五个知识领域

控制与智能、传感与检测

执行与驱动、模型与仿真

系统与工程；

自动化专业知识体系的核心知识是

控制与智能、模型与仿真

系统与工程等三个知识领域

也是自动化专业与其它专业的最大区别。

自动化专业的知识体系

由三层知识构成，包括八个知识

四对自动化专业的认识（续）

自动化专业的课程体系

四对自动化专业的认识（续）

自动自动化专业的不同课程体系

对应学科不同的研究层次

适应不同院校、不同专业设置：

1）

“模型的控制”类课程体系，适合理科院校；

2）

“信息的控制”类课程体系，适合重点工科院校

——通识自动化

3)“实体的控制”类课程体系，适合一般工科院校

——“专业”自动化，如：商业自动化

化工自动化、建筑自动化。

设置不同类型的课程体系,有利于吸引更多的人来学习自动化、掌握自动