电气工程与自动化专业概论课件

电气工程与自动化专业概论电气工程与自动化专业概论课程主要内容电气工程与自动化大类专业的结构及其沿革

（包括:电气工程及其自动化和自动化两个专业）自动化专业概论一、自动化的概念二、自动化的研究内容三、自动化的作用四、自动化专业的特点五、控制和自动化技术发展简史六、控制与自动化技术的应用范畴七、控制科学和自动化技术的展望结束2课程主要内容电气工程与自动化大类专业的结构及其沿革自动化专业电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革1）电气信息类（电类）专业设置电机电器及其控制*电力系统及其自动化*高电压与绝缘技术电气技术*工业自动化*（5个专业）电工类（强电）自动控制应用电子技术通信工程………计算机及应用（14个专业）电子与信息类（弱电）

电气工程及其自动化（以强电为主的专业）

自动化

（强、弱电结合的专业）1993年本科专业目录：

1998年本科基本专业目录（电气信息类）：电子信息工程通信工程电子科学与技术计算机科学与技术

（弱电专业）电气工程与自动化（大类专业）

1998年本科引导性专业目录：

信息工程3电气工程与自动化专业的设置结构及其沿革1）电气信息类（电类）1994年全国高校相关的专业设置情况（按93年专业目录）电机电器及其控制20高电压与绝缘技术6电力系统及其自动化37电气技术55工业自动化157自动控制402）专业分布状况

1999年以来全国高校相关的专业设置情况（按98年专业目录）

1999年2001年2006年2008年电气工程及其自动化109149196200多自动化182197372405电气工程与自动化1414（按引导性专业目录）（按基本专业目录）41994年全国高校相关的专业设置情况（按93年专业目录）2）3）研究生的对应学科专业电气工程及其自动化自动化

一级学科

电气工程

*☆控制科学与工程

*

二级学科电机与电器电力系统及其自动化电力电子与电力传动

电工理论与新技术

高电压与绝缘技术控制理论与控制工程模式识别与智能系统检测技术与自动化装置系统工程导航、制导与控制53）研究生的对应学科专业电气工程及其自动化自动化一一、自动化的概念水温的手动控制水温的自动控制水温的控制:什么是自动化？6一、自动化的概念水温的手动控制水温的自动控制水温的控制:什

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。

例如：公共电网上的电压是50赫兹、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制频率、电压这两物理量为恒值，这要采用自动调频和自动调压装置。

在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。

现代生活中，空调器保持室内温度、卫生洁具水箱的水位保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。7现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制防空导弹制导控制系统1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机控制系统4-导弹发射架自动导弹测试与发射控制8防空导弹制导控制系统1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算自动化包含了两层基本意思：所谓“自动”的，即没有人或很少人直接参与；自动化的概念

自动化作为一种行为和一种状态，它是通过自动控制系统实现的。虽然没有或不需要人，但肯定应按人的要求去做。

自动化是指设备、过程或系统，在没有人或较少人的参与下，按照人的要求，通过自动运行或自动控制，完成其承担的任务。系统是由相互作用、相互联系的若干个组成部分结合而成的具有特定功能的整体。自动控制系统则是指能够实现“自动化”任务的设备，它是人造系统，而且是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。9自动化包含了两层基本意思：自动化的概念自动化作为一种行为和

开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。开环控制与闭环控制1.开环控制水箱液位开环控制10开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的自动控制最基本的形式，将被控量测量出来，反馈至控制系统的输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，然后根据偏差对被控对象实施有效控制，达到消除或减少偏差的目的。2.闭环系统水箱液位闭环自动控制11自动控制最2.闭环系统水箱液位闭环自动控制11一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：

给定环节：

产生给定输入信号的环节

测量环节：

随时将被控制量检测出来的装置

比较环节：其功能是将给定的输入信号（被控制量的希望值）与测量环节得到的被控制量实际值加以比较控制环节：它的功能是根据偏差信号，决策如何去操作被控对象，实现被控量达到所希望的目标

执行环节：按控制环节的控制决策，具体实施对控制对象的操作

被控对象：控制系统所要控制的设备或过程12一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：给定环节：产生自动化基本设备

传感器：信息获取

信号转换与传输网络：信息传输

控制器：信息处理执行器：信息应用13自动化基本设备传感器：信息获取信号转换与传输网络：信息传二、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。从应用观点来看，研究内容有：过程工业自动化电力系统自动化机械制造自动化武器及军事自动化智能建筑自动化智能交通系统办公室自动化和家庭自动化人工智能与机器人控制等等。自动化指挥系统公路智能系统14二、自动化的研究内容有自动控制和信号处理两个方自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志

。自动化的研究内容宽广，并且越来越宽广。自动化是一门名副其实的多学科交叉学科。其它学科向自动化扩展

机械工程及其自动化电气工程及其自动化动力工程及其自动化

甚至：农业工程及其自动化交通运输自动化15自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。自动化的研究内三、自动化的作用1.自动化在工业化进程中的作用和地位

工业化的标志是“现代工业”在国民经济中占主要地位。“现代工业”本身是一个发展的概念，世界范围的工业化进程大致可分为顺序发展的三个阶段：机械化、电气化、自动化自动化是新型工业化的最重要标志。16三、自动化的作用1.自动化在工业化进程中的作用和2.自动化在信息化进程中的作用和地位对工业，尤其是制造业来说，如仅从信息技术发展与应用的角度，到目前为止，“信息化”发展也可分为三个阶段顺序为：计算机化（或称为数字化）、网络化、系统化（或称为集成化）172.自动化在信息化进程中的作用和地位对工业对工业，尤其是对制造业来说，信息化就是：在机械化、电气化与开始实施自动化之后，在自动化的机电系统中进一步使用数字计算机——计算机化；再进一步联网——网络化；继而引入系统与管理——系统化或集成化，从而构成计算机集成制造系统CIMS与计算机集成过程系统CIPS，成为更先进的自动化系统。18对工业，尤其是对制造业来说，信息化就是：在机械化发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：机械化：在各种生产中大规模使用机器系统；电气化：在机器系统中普遍使用电机与供电网络；基础自动化：在机电系统中进一步加入自动控制器；计算机化：在自动化机电系统中大规模使用计算机；网络化：在自动化机电系统中大规模实现计算机联网；先进自动化：综合集成了系统观念与管理理念。19发达工业化国的工业发展顺序经历了以下六个阶段：机械化：在各种

“工业化”三阶段与工业“信息化”三阶段有相当明显的一一对应关系：对于工业，“信息化”实质上就是“更先进的自动化”。“先进自动化”是制造业“信息化”的最重要标志之一。20“工业化”三阶段与工业“信息化”三阶段有相当明显机械化（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）

工业化

社会总发展自动化与工业化、信息化、知识化的关系

数字化（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）信息化

智能化（引入智能）知识化（处理知识）知识化21机械化（应用机器系统）工业化社会总发（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的重要性22自动化的重要性223.自动化的作用1）提高社会生产率和工作效率；2）节约能源和原材料消耗；3）保证产品质量；4）改善劳动条件，减轻体力和脑力劳动；5）改进生产工艺和管理体制；6）完成人无法完成的工作；

像机器人这样的自动化设备、系统能在危险、恶劣的环境下替代人完成各种作业。7）扩展作用——管理、经济、金融过程智能化。加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。233.自动化的作用1）提高社会生产率和工作效率；2）节约能源国家863高科技发展计划自动化是当代高科技的集中体现与应用。

智能机器人是当代高科技的结晶。

——宋键（原则：有所为，有所不为）分6个领域：自动化、能源、信息、新材料、生物与农业、资源环境（海洋）就有一个自动化领域分CIMS主题、机器人主题24国家863高科技发展计划自动化是当代高科技的集中体现与应用。四、自动化专业的特点国家对该专业的定义是：培养出能够从事运动控制、工业过程控制、电力电子技术应用、检测与自动化仪表、计算机技术、信息处理等领域的系统分析、设计、研究、管理与决策的高级工程技术人才。自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。（1）学科特点（2）研究、应用特点研究的内容宽、广，并且，伴随其它技术发展，越来越广。控制学科具有鲜明的方法论的色彩。25四、自动化专业的特点国家对该专业的定义是：培养出能够

自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相结合（3C:ControlComputationCommunication）。（3）

学自动化的特点是一个符合学科专业结构调整方向的宽口径的专业。特点：面向控制对象，强调系统组成，强弱电并重、软硬件兼顾；强调从理论到实践，其自然科学性与工程技术性并存，它的发展与国民经济的发展息息相关。自动化专业宽基础、宽专业面，需要学的知识多，并要求扎实。在工科的学生中，自动化专业学习的计算机内容仅次于计算机专业。自动化专业的学生适应面宽、就业面宽。26自动化技术越来越和计算机、数据库、网络及通讯相结合（3五、控制和自动化技术发展简史自动装置的出现和应用（18世纪以前）

自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）

局部自动化时期（20世纪40-50年代）综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）27五、控制和自动化技术发展简史自动装置的出现和应用（18世纪以（1）自动装置的出现和应用（18世纪以前）

中国和巴比伦出现了自动计时装置—刻漏、指南车、水运仪象台等。公元1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。

1）古代自动装置

公元235年马钧研制出能自动指示方向的指南车28（1）自动装置的出现和应用（18世纪以前）能自动离合的齿轮系车身木人方向车辆转弯

指南车是一种马拉的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。

29能自动离合的齿轮系车身木人方向车辆指南车是一

中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震的候风地动仪。候风地动仪30中国天文学家张衡（公元78-139）曾经发明了公元1088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象台。

“自动控制”作为一种技术掌握在发明家的手中。水运仪象台31公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天17世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置，其中比较典型的有：2）近代自动装置法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于公元1657年发明钟表；英国机械师E.李（Lee）在公元1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师И.И.波尔祖诺夫（Ползунов）于公元1765年发明为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。

3217世纪以来，随着生产的发展，在欧洲的一些国（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J.瓦特将离心式调速器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。33（2）自动化技术形成时期（18世纪末至20世纪30年代）控制量负荷调节器(控制器)－误差

＋被控对象输出变量(被调量)输入变量(给定规律)对象和调节器形成调节系统蒸汽源蒸汽机(对象)负荷离心式调速器(调节器)进汽阀转速测量反馈控制（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。反馈调节（控制）系统前向通道反馈通道34控制量负荷调节器－误差输出变量输入(给定规律)对象和1）自动调节的广泛应用

公元1868年法国工程师J.法尔科（Farcot）发明反馈调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构（Servo-mechanism）。20世纪20-30年代，美国开始采用PID模拟式调节器（比例-积分-微分调节器）。现在还在许多工厂中采用。自动调节器和被控制对象（蒸汽机或船舵）组成自动调节系统（AutomaticRegulationSystem）。

由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。351）自动调节的广泛应用公元1868年法国工程2）自动调节系统的稳定性（Stability）问题当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡（不稳定）。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种稳定判据。

在拉普拉斯（Laplace）变换的基础上，引入传递函数（TransferFunction）的概念，成为分析自动调节系统的重要工具。稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.L.黑曾（Hazen）发表的《关于伺服机构理论》的论文标志着经典控制理论的诞生。

362）自动调节系统的稳定性（Stability）问题（3）局部自动化时期(20世纪40-50年代)

经典控制理论的形成和发展

局部自动化的广泛应用

电子数字计算机在控制系统的应用

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。37（3）局部自动化时期(20世纪40-50年代)经典自动防空火力控制系统38自动防空火力控制系统38在代数稳定判据和传递函数的基础上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根轨迹法（RootLocusMethod），奠定了适用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样控制系统、时变系统、分布参数系统和有随机输入的系统的控制问题等的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有新的发展。

1）经典控制理论的形成和发展依据频率响应的频率法（或称频域法，FrequencyMethod）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，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统（AutomaticControlSystem）。因此，调节器现也称为控制器。39在代数稳定判据和传递函数的基础上加上W.埃文斯（2）局部自动化的广泛应用

二次大战后，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。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。

在20世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。402）局部自动化的广泛应用二次大战后，3）电子数字计算机在控制系统的应用目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成部分，以实现复杂的控制和算法。

电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个发展阶段。

电子数字计算机的发明，为60-70年代开始的在控制系统广泛应用的程序控制、逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了基础。413）电子数字计算机在控制系统的应用目前小型（4）综合自动化时期（20世纪50年代末至今）复杂工业、复杂工业过程和航天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。现代控制理论的形成和发展

1956年前苏联数学家Л.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。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。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。卡尔曼引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈控制律，为自动控制系统给出了最优调节器的概念。42（4）综合自动化时期（20世纪50年代末至今）现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：（1）系统辩识、建模与仿真经典控制理论是以传递函数为基础，提供系统的输入/输出外部信息。主要研究单输入、单输出一类自动控制系统的分析和设计，并在工程上比较成功地解决了简单控制系统的控制问题。现代控制理论是建立在线性代数的数学基础上，以状态空间法（StateSpaceMethod)为基础。不仅提供系统的外部信息，而且能提供系统的内部信息。对研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高性能等更广泛、更复杂控制系统的分析和设计提供了有效的手段。（2）自适应控制（3）最优控制（4）遥测、遥控和遥感

（5）综合自动化（6）大系统理论（7）模式识别和人工智能（8）智能控制43现代控制理论的迅速发展，形成了多个重要分支：（1）系统辩识1）系统辩识、建模与仿真

(SystemIdentification、Modeling&Simulation)

系统辩识是以系统输入、输出数据为基础，来建立系统数学模型的理论和方法。此外建立数学模型还可以采用解析法和实验方法。在仿真设备上对系统的数学模型进行建立、修改和复现实验，这就称为系统仿真。

要精确地研究自动控制系统的稳定性和控制的品质等重要问题，必须用微分方程、拉普拉斯变换等高等数学的工具，来描述每一个环节或元件以及它们组成的自动控制系统。这些微分方程（或拉普拉斯变换后组成的传递函数）被相应地称为环节（元件）和系统的数学模型。441）系统辩识、建模与仿真

(SystemIdentific2）自适应控制（Self-adaptiveControl）

自适应控制能在对象数学模型变动和系统外界信息不完备的情况下，改变计算机控制的反馈控制器的特性，以保持良好的工作品质。自适应控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。计算机

自适应控制框图

校正作用被控对象反馈控制器自适应控制器

控制输入

干扰

输出452）自适应控制（Self-adaptiveContr⑴自校正控制系统

（Self-tuningRegulator）被控对象反馈控制器辨识器

参数

控制输入

干扰

输出自校正控制框图计算机46⑴自校正控制系统（Self-tuningRegulato⑵模型参考自适应控制系统

47⑵模型参考自适应控制系统473）最优控制（OptimalControl）军事方面：飞行器同样的飞行所消耗的燃料愈少愈好（最省燃料的飞行器飞行控制系统）。或者同样的燃料，飞行的距离愈远愈好。直升飞机上升：在有限的动力下，以最短的时间上升到一定的高度；工业方面：化学工业的过程控制中，选择一个被控反应塔的温度控制规律和相应的原料配比，使得化学反应过程的产量最多。工厂合理布局、物质合理调配，使运输费用最省。安排生产计划：在现有的人力、物力条件下，合理安排产品生产，使产量最高。设计产品，在满足性能要求的前提下，使产品成本最低。潜艇的最速沉降问题。483）最优控制（OptimalControl）军事方面：飞

最优控制器的设计主要应用庞特里亚金提出的极大值原理和贝尔曼创立的动态规划。3）最优控制（OptimalControl）这一类的自动控制系统中对于控制都有一定的技术指标，但与以往不同的是：通过设计控制作用要使这个技术指标达到极值（极大或极小）。

最优控制是根据自动控制系统要实现控制要求的技术指标，通过设计控制作用从而使技术指标达到极值（极大或极小）。商业方面：合理组织货源，既满足顾客的需求，又使企业的资金周转最快，薄利多销，使总利润最高。农业方面：利用温室生产蔬菜，合理控制温度、湿度，使生产的周期最短，产量最高。49最优控制器的设计主要应用庞特里亚金提出的极大值

遥测：

对被测对象的某些参数进行远距离测量。4）遥测、遥控和遥感

（Telemetry、RemoteControl&RemoteSensing）远距离控制(遥控)系统

遥控：

对被控对象进行远距离控制。

遥感：

利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。

全程遥控50遥测：对被测对象的某些参数进行远距离测量。4）遥测、遥控5）综合自动化（SyntheticAutomation）

20世纪50年代末到60年代初，出现计算机控制的化工厂；

无人加工车间

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（全局）自动化方向发展；70年代出现用专用机床组成的无人工厂；80年代初出现用柔性制造系统组成的无人工厂。515）综合自动化（SyntheticAutomation）无人组装车间52无人组装车间52

60年末开始对出现的大系统如大电力系统、化工联合企业、钢铁联合企业及社会经济大系统等开始进行了研究。

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。6）大系统理论（Large-scaleSystem）大系统及其控制高速大型计算机的出现为大系统的研究和大量计算提供了前提条件。

系统工程及应用5360年末开始对出现的大系统如大电力系统、化工（一）大系统的概念给大系统下定义困难，具体界定也困难。认识一个大系统，只能从它所具有的特征出发。通常，一个大系统应该具有如下基本特征：（1）由一些子系统组成，规模庞大；（2）子系统间纵横交错，关系复杂；（3）整个系统目标多样，功能综合；（4）系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往数量较大；（5）具有非线性特性和繁殖、扩展能力；（6）往往是有人参与的系统，人为因素影响大。大系统及其控制54（一）大系统的概念通常，一个大系统应该具有如下基本特征：大系1.集中控制

大系统理论的主要控制方法：将大系统按多层结构或多级结构分解成子系统，采用分散控制的优化控制方法。

“化大为小，化整为零”

能对全局作出优化的控制方案，但控制系统反应迟钝，应变能力差，可靠性差。

(二)大系统的控制551.集中控制大系统理论的主每个子系统的控制器需要处理的信息量少，处理速度快，增强了系统的应变能力，提高了系统局部控制效果；提高了系统可靠性。

每个子系统的控制器只能获得系统的部分信息，而整个大系统缺乏总体控制和协调能力，很难保证全局的控制优化。2.分散控制56每个子系统的控制器需要处理的信息量少，处理速度快，增

(1)分级递阶控制3.分解—协调57(1)分级递阶控制3.分解—协调57总目标、总任务总决策目标函数、约束条件、模型参数优化控制决策控制输出(2)分层58总目标、总任务总决策目标函数、约束条件、模型参数优化控制决策按系统运行的时间顺序进行分解。如生产流水线、导弹飞行控制等。(3)分段控制59按系统运行的时间顺序进行分解。如生产流水线、导弹飞行(一)系统工程的概念系统工程是一门关于组织管理的技术。对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统广义化。它包含了如下几方面的意思：(1)它面对的是一个庞大而复杂的对象；(2)它要达到的目标是系统的综合最优；(3)它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，应用于人们的科研、生产、经济和社会活动；(4)它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与系统工程及其应用60(一)系统工程的概念它包含了如下几方面的意思：系统工程及其要建造一个系统，通常要经过五个阶段：系统规划阶段系统分析阶段系统设计阶段系统构建阶段系统运行阶段提出问题、定义系统、设定目标目标分析、收集信息、制定方案(二)系统建立和系统分析61要建造一个系统，通常要经过五个阶段：系统规划阶段提出问工程系统工程：工程体系的设计、组织和管理软件工程：对一个庞大计算机软件的设计、开发、调试的组织和管理军事系统工程：军事领域行为的组织和管理社会系统工程：以社会活动为对象的系统工程环境系统工程：例如区域生态系统、流域水污染治理系统交通系统工程：例如城市智能交通管理系统企业系统工程：企业的结构调整、新产品研发、市场预测、全面质量管理、成本核算、材料供应等企业管理系统

(三)系统工程的应用62工程系统工程：工程体系的设计、组织和管理软件工程：对一个庞大

模式识别是使用计算机直接接受和处理各种自然的模式消息，如语言、文字、图象、景物等。7）模式识别和人工智能

（ImageRecognition&ArtificialIntelligence）人工智能学者已研制出用于医疗诊断、地质勘探、金融决策、军事指挥、大规模集成电路设计等各种专家系统；研制出智能机器人，如有视觉和触觉的机器人和能与人对答的机器人等等。63模式识别是使用计算机直接接受和处理各种自然的

机器人战胜国际象棋冠军——2010年64机器人战胜国际象棋冠军——2010年64足球机器人——小型组65足球机器人——小型组656666足球机器人——中型组67足球机器人——中型组678）智能控制（IntelligentControl）将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。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。688）智能控制（IntelligentControl）

智能机器人

水下机器人69智能机器人水下机器人69机器手臂70机器手臂70汽车加油机器人71汽车加油机器人71工程机器人带有压力传感器的机器手72工程机器人带有压力传感器的机器手72壁面清洗机器人擦玻璃机器人73壁面清洗机器人擦玻璃机器人73飞机清洗机器人74飞机清洗机器人74家用清洁机器人75家用清洁机器人75高压输电线维修（遥操作）机器人76高压输电线维修76采松果机器人挖树根机器人77采松果机器人挖树根机器人77采摘机器人嫁接机器人78采摘机器人嫁接机器人78医用机器人79医用机器人79中国骨科机器人系统80中国骨科机器人系统80法国远程医疗机器人81法国远程医疗机器人81智能控制系统（IntelligentControlSystem）对于许多复杂的被控对象和它的外界环境，难以建立有效的数学模型和采用常规的经典或现代控制理论去进行定量计算和分析、设计。

智能控制的理论和技术：

专家控制系统

模糊控制系统

神经控制系统

学习控制系统

智能优化算法

智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。具有人工智能、控制论和运筹学等形成交叉学科的特点和定量与定性相结合的分析方法特点。82智能控制系统（IntelligentControlSysa）专家控制系统（ExpertControlSystem）专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。83a）专家控制系统（ExpertControlSystem专家控制器的结构

控制器根据反馈环节（传感器）测量被控制量，判断瞬时误差的正负和大小；然后识别调节过程的特征，如超调（在调节过程中的调节过头）、振荡次数（调节过程中的）和稳态误差等；再根据以往的控制知识和经验决定：应该施加多大（增加还是减少）的控制器输出至执行机构。RY特征识别信息处理SKGIU专家控制器eU控制规则集推理机（IE）知识库（KB）对象和执行机构反馈环节RY+_84专家控制器的结构控制器根据反馈环节（传感器b）模糊控制系统（FuzzyControlSystem）

系统根据知识和经验在对被控量（输出）的特征用语言信息进行识别；然后根据模糊控制规则进行复杂的推理和判断，它们也是基于语言信息的；例如，炉温作为一个语言变量,其温度集T可为:T(温度)={超高,很高,较高,中等,

较低,很低,过低}

这种模糊控制规则表达知识既方便又有效。这种语言表达的控制规则，用于控制就形成了模糊控制。85b）模糊控制系统（FuzzyControlSystem）c）神经控制系统（NeuralControlSystem）

人工神经元(ArtificialNeuron)由计算机模拟一个生物神经元；w11Wnny1y3xnx1输入层输出层隐层反向传播x2y2………前馈多层网络神经元模型f()∑-1

jx1x2xn…yjW

j1Wjny

j

(t)=f

(∑wji

x

i-

j)在人工神经元基础上发展成人工神经网络，经过训练后可以起控制器的作用，称为神经网络控制器。86c）神经控制系统（NeuralControlSystem水轮发电机组++fG-

G+2

/S同步控制器速度调节器+-

NfN水轮发电机复杂控制系统

水轮发电机同步控制系统fN和фN为电网的频率和相位；fG和фG为发电机的频率和相位；水轮发电机的并网运行的理想条件为：发电机与电网间的电压差Δu=0，频率差Δf=0和相位差Δф=0。并网连接时间应尽可能短。该复杂控制系统能实现频率跟踪和相位跟踪的复杂控制方案。转换器装置++NfKφ水轮发电机组++KfNφw1w3w2w4w5x1x2x3x5x4Z

(t)Zf

(t)u

(t)uf(t)++...u(t)转换器水轮发电机双神经元同步控制系统...利用两个神经元Nφ和Nf实现水轮发电机双神经元同步控制：

Kf〉0和Kφ〉0为神经元的比例系统；Zf(t)和Zφ(t)为控制的性能指标，即测量Δf和Δф；xi为神经元输入，wi为xi的权系数（i=1,2,…,5）。经训练神经元后，双神经元同步控制系统具有良好的控制效果，可直接用于控制水轮发电机的并网运行。87水轮++fG-G+2/S同步速度+-NfN水轮发电机复d）学习控制（LearningControl）

学习控制是指在控制系统的进程中估计某些信息并据以改善控制的一种控制方法，以便逐步改进控制系统的性能。

学习系统是自适应系统的发展与延伸，它能够按照运行进程中的“经验”和“教训”来不断增长知识、改进算法，更广泛地模拟人类的某些行为（如判断、推理等）。输出误差输入+_由智能决策单元(IntelligentDecisionUnit)来修正控制器参数IDU推理机规则库学习机数据库控制器工业过程88d）学习控制（LearningControl）e）智能优化算法

（IntelligentOptimalAlgorithm）

遗传算法（GeneticAlgorithm，GA）是模拟自然界生物进化过程中的“优胜劣汰，适者生存”的生物进化机制，并模拟人类的优生学原理。利用随机信息交换思想，使生成的子代不断向着优化方向发展，直到满足终止优化条件。

基本步骤为：基因编码、形成初始群体、计算适应度、执行遗传操作和终止操作。

基本思想是：从一组随机生成的初始个体出发，经过对基因的选择、交换、变异等操作，并根据适应度的大小进行个体的优胜劣汰，提高新一代群体的质量，再经过多次反复选代，逐步逼近优化问题的最优解。89e）智能优化算法

（IntelligentOptimal六、控制与自动化技术的应用范畴

控制与自动化是不断发展的高、新科学技术，对人类生产、生活和科学研究有着非常重要的影响。控制与自动化技术发展至今，可以说是已从“人类手脚的延伸”扩展到“人类大脑的延伸”。控制与自动化技术时时在为人类“谋”福利，可谓无所不在、无处没有。

从广度来看，涉及第二产业——工业自动化

、第一产业——农业自动化

、第三产业——服务自动化（如办公自动化、楼宇自动化、商务自动化、交通自动化等等）；涉及的系统可有人造系统（如机器系统、交通系统、电力系统、军事系统）和自然系统（如生命系统、生态系统）；涉及的过程有生产过程、管理过程、决策过程等等。90六、控制与自动化技术的应用范畴控制与自动化是自动化技术的主要应用范畴：机械制造自动化过程工业自动化电力系统自动化飞行器控制智能建筑智能交通系统生物控制生态与环境控制社会经济控制大系统控制与系统工程91自动化技术的主要应用范畴：机械制造自动化过程工业自（一）机械制造自动化（1）数控技术和数控系统在产品加工中，对于多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，必须采用一种灵活、通用、高精度、高效率的自动化生产技术——数字控制（简称数控）技术。数控技术是一门以数字的形式实现控制的技术。计算机数控系统结构图

92（一）机械制造自动化（1）数控技术和数控系统1952年

美国MIT研制出

第一台数控机床

现代高速大型数控中心（沈阳第一机床厂）931952年

美国MIT研制出

第一台数控机床现代高速大型数（2）柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem）

柔性制造系统（简称FMS）是在计算机直接数控(DNC)基础上发展起来的一种高度自动化加工形式。它是由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在—定范围内完成不同工件的加工任务。中央管理和控制计算机物流控制装置CNC机床机器人附属工作站制造单元....自动输送车附属工作站CNC机床机器人自动化仓库工厂主计算机夹具站信息传输网刀具库94（2）柔性制造系统（FlexibleManufacturi1913年美国建成最早的汽车装配流水线1926年美国建成第一条汽车自动生产线

现代自动化工厂生产线（国产）奇瑞、长安汽车冲压生产线长春汽车焊接生产线951913年美国建成最早的汽车装配流水线现代自动化工厂生产线（（3）计算机集成制造系统(CIMS)

（ComputerIntegratedManufacturingSystem）

计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动（设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等）与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的完整的生产系统。

经营决策管理系统计算机集成制造系统组成框图

柔性制造单元与系统计算机辅助设计与制造96（3）计算机集成制造系统(CIMS)

（Compu计算机集成制造系统(CIMS)是面向制造业的集成自动化系统。

特点：

(1)系统包括控制和管理两个方面(2)系统采用分级递阶结构(3)系统的信息集成(4)系统的功能集成(5)人的介入和参与97计算机集成制造系统(CIMS)是面向制造业的集成自动化系统。（二）过程工业自动化

（ProcessIndustrialAutomation）在连续型工业中，主要对系统的温度，压力、流量、液位（料位）、成分和物性等六大参数进行控制的工业，称为过程工业。

随着微处理器和工业计算机技术的发展，基于计算机技术的过程控制系统目前被广泛采用。近年来迅速发展起来的现场总线网络控制系统(FCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。

直接数字控制系统生产过程数字计算机A/D转换D/A转换操作台动扰控制变量输出变量……控制台控制台过程控制计算机控制单元控制单元多路采集器工程师/操作员控制台其他系统分布式计算机控制系统可编程逻辑控制器数据通道98（二）过程工业自动化

（ProcessI（三）电力系统自动化

（ElectricPowerSystemAutomation）

经济运营对于火力发电厂，不但要考虑每个电厂的煤耗量，更要考虑电厂的煤耗微增率（即增加单位负荷所需的煤耗量）。不同电厂在输电过程中的不同线路损耗。电力系统形成复杂的联网时，需要依靠自动化和计算机来实现最优经济运营。对于单个的火力发电系统，为了保障发电机的安全，需要采用自动装置进行过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护或差动保护。对汽温、汽压、真空度、水位、炉膛压力、燃烧情况以及汽轮发电机的电流、电压、轴承温度等等参数需要进行检测和监控。由不同规模、不同性质的电力系统形成复杂的联网已经成为电力系统发展的必然趋势。安全供电离不开自动化经济运营需要自动化99（三）电力系统自动化

（ElectricP供电质量需要自动化供电质量主要指频率质量和电压质量。我国电力系统的频率标准是50hz，频率下降时，鼓风机出力减少，锅炉给水泵打不上水，火力发电厂的锅炉将不能运行；油泵不能供应轴承润滑油，汽轮发电机的轴瓦将被烧坏。频率变化对电子设备的影响更大。

频率变化是电力系统内电力盈亏的标志。电力系统内发电出力多于用电量时，多余的电力转化为加速电机转速的动能，频率将加快；发电不足时，发电机付出动能来满足用电的需要，频率将下降。所以，电力系统运行中，需要自动调频装置来保持电力的正常盈亏平衡，根据实际情况及时自动调节电力系统的出力或限制负荷。

电压质量直接影响到用户的用电质量。电压过高会损害用电电器，或响应其寿命；电压过低则电灯不亮、荧光灯不能启动、烧坏电动机等。100供电质量需要自动化供电质量主要指频率质量和从一次停电事故看电力系统自动化1965年11月9日下午5点16分11秒，纽约一条线路的后备保护误动作把线路开关跳开，负荷转加给了其他四条线路，使它们先后在2.72秒内断开。

可见，先进、可靠的电力自动化系统是多么重要和必要！于是贝克水电站的发电机由于失去负荷而加速，频率上升，电力向纽约州强送，使纽约州涌进了大量电力，在大约1.5秒内，这些线路的过负载保护先后动作而断开，造成纽约市缺电大约130万kw。从而又使附近纽泽西州的电力向纽约市涌进了100万kw，以至电压和频率不能平衡。几分钟内，该区内频率下降，电厂的风机和水泵出力降低，甚至停转，发电机只得相继断开。由于润滑泵停运，区内三台大机组因轴承损坏而停运，最终导致全市停电。高楼电梯、地铁、交通信号灯以至路灯等都不工作，全市大乱。断电时间长达13.5小时。

101从一次停电事故看电力系统自动化1965年11月9（四）飞行器控制（FlyerControl）

现代飞行器有很多种类，例如有飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。飞行器控制系统飞行控制系统测试发射控制系统导航系统制导系统姿态控制系统电子综合系统测试系统发射控制系统监视控制系统飞行器控制系统的构成

102（四）飞行器控制（FlyerControl）导航系统

飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法。

导航是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。导航系统是由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统。103导航系统飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线制导系统制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态达到期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。

导弹与控制追踪法示意图比例导引法示意图三点法示意图104制导系统制导系统的主要功能是利用导航系统提供的飞行（五）智能建筑（IntelligentBuilding）

智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。可以对大楼的供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、电话、传真、闭路电视(或卫星电视)、计算机通信、购物、保健等设施实现按需控制，对建筑物的关键部位或特殊部位进行监控并提供与互联网的有效连接。综合布线系统办公自动化系统(OA)楼宇自动化系统(BA)通信自动化系统(CA)日常事物处理中上层管理决策设备监控系统火警消防系统公共安全系统电信网络电视网络计算机网络3A智能建筑的构成105（五）智能建筑（IntelligentBuilding）楼宇自动化系统对大楼供电、照明、报警、消防、电梯、空调等设备监控和管理，对设备运行参数进行实时控制与监视、或节能控制、非正常运行状态报警。并通过与办公自动化及通信自动化系统的综合设计，支持面向用户的服务功能，提高大楼的舒适性、安全性、节能性，降低费用，实现高度的集成化管理。传统的楼宇自动化系统采用集中监视、集中控制的方式。集中式楼宇自动化系统的结构106楼宇自动化系统对大楼供电、照明、报警、消防、电由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控系统的发展，分布式楼宇自动化系统成为目前楼宇自动化系统广为采用的一种结构。系统各现场控制器通过通信的方式与监控管理计算机连接在一起，各控制器独立地完成系统分配给自己的任务，如数据采集、计算、处理、检测、控制等。系统数据库大楼主干通信网楼宇控制局域网监控中心操作站……操作站控制器……监控管理计算机系统控制器分布式楼宇自动化系统107由于并行的分布式计算机网络技术以及集散型监控通信自动化系统

通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神经”。它由各种通信设备、通信线路以及相关计算机软件组成。它主要包括传送话音、数据和图像的基本通信网络；实现楼层间(内)各种终端、微机、工作站之间通信的楼层局域网；沟通楼群或楼内计算机与楼内各个局域网间通信联系的楼群或楼内高速主干网以及与公共信息资源(如Internet)相通的远程数据通信网。智能建筑的通信网络结构108通信自动化系统通信自动化系统是大厦智能化的“中枢神办公自动化系统

办公自动化系统具有文字处理、资料管理、行政管理、图像或图形处理、声音处理、网络通信等多种功能，可以对智能大厦内的数据网络控制中心提供动态信息资源分配、故障诊断及恢复、信息处理及网络性能等进行监控。综合布线系统建筑与建筑群综合布线系统主要是针对计算机和通信设备的布线系统而设计的，它能满足各类计算机和通信设备传输信号的不同要求。智能大楼布线系统是一种灵活性很高的建筑布线网络，能连接话音、图像和数据以及各种用于楼宇控制与管理的装置。智能大楼布线系统是一种工程化的、专门设计的完整系统。

109办公自动化系统办公自动化系统具有文字处理、资（六）智能交通系统

（IntelligentTransportationSystem）

智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市道路、桥梁等设施的庞大的运输网络，也可应用于数量日益增多的各种车辆。

智能交通系统的主要内容：

1.出行与运输管理系统

2.出行需求管理系统

3.公共交通运营系统

4.商用车辆运营系统

5.电子收费系统

6.应急管理系统

7.先进的车辆控制和安全系统

110（六）智能交通系统

（Intelligent

生物控制具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等）、遗传及其控制、神经控制、生物行为控制、仿生学等等。（七）生物控制（BiologicalControl）

机器蛇机器鱼（仿生）机器鱼111生物控制具体研究方向有生物控制系统（血压控制系统（八）生态与环境控制（Ecological&EnvironmentControl）

生态控制的基本任务之一是用系统和信息观点和方法分析、设计、规划和控制人工生态系统、资源的合理利用和再循环、环境的综合治理和优化以及在新的生态平衡格局下人类怎样适应和协调。

环境控制将环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行为，使人们的生存环境质量维持在一个良好的水平。环境控制中的控制行为主要有三个方面：局部污染处理、综合环境治理和环境系统管理。

112（八）生态与环境控制生态控制的基本任务之一是（九）社会经济控制(1)将社会经济系统（SocioeconomicSystem）看成是一个具有反馈调节，特别是信息反馈的控制系统；（2）

对社会经济系统进行定量的描述与处理，以求达到最优控制，作出有效、合理的经济决策;(3)社会经济控制的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。

113（九）社会经济控制(1)将社会经济系统（Socioec

大系统理论主要研究：规模宏大、结构复杂的系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。

系统工程是以系统(特别是大系统)为研究对象的一门跨学科的边缘科学。是应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标，是为更加合理地研制和运用大系统而采取的各种组织管理技术的总称（如长江三峡施工组织管理系统）。涉及工程、社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。（十）大系统控制与系统工程114大系统理论主要研究：规模宏大、结构复杂的系统结构七、控制科学与自动化技术的展望控制科学的发展

国家基础研究——认知科学的研究国家自然科学重点——复杂控制系统理论数学工具的突破人（生物）大脑研究的突破寄希望于自动化技术的发展依托计算机发展生物工程发展纳米技术发展重点：系统、集成技术115七、控制科学与自动化技术的展望控制科学的发展（一）计算机集成制造系统（CIMS）在制造业中利用计算机不仅实现单元生产柔性自动化，并把制造过程（产品设计、生产计划与控制、生产过程等等）集成为一个统一系统，同时企图对整个系统的运行加以优化。计算机集成制造系统所涉及的自动化技术：数控技术、计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）等、立体仓库与自动化物料运输系统、自动化装配与工业机器人、计算机辅助生产计划制定、计算机辅助生产作业调度、质量监测与故障诊断系统、办公自动化与经营辅助决策。116（一）计算机集成制造系统（CIMS）在制造业中（二）机器人应用于生产和社会生活的各方面

机器人涉及的自动化技术

（1）变结构控制与学习控制（2）机器视觉与机器智能（3）智能控制与信息融合

机器人主要分为两大类：用于制造环境下的工业机器人（如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人）;用于非制造环境下的特种机器人（如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等）。117（二）机器人应用于生产和社会生活的各方面机器人涉及1954年第一台工业机器人国产100公斤点焊机器人1181954年第一台工业机器人国产100公斤点焊机器人118

智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。机器人也正在向个人机器人的方向发展。特种机器人在海洋与农业、服务与医疗、生物与基因工程、航空与航天等领域的应用显示出强大的生命力，如安全微创的脑外科辅助定位机器人、雕刻机器人、导游机器人等都进入实用化阶段。机器人正在清洗瓷砖壁面医疗辅助机器人119智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要微形机器人120微形机器人120

微型（几毫米）机器人121微型（几毫米）机器人121122122军用机器人军用机器人反恐机器人123军用机器人军用机器人反恐机器人123机器人能否干活？124机器人能否干活？124机器人干活！操作机器人125机器人干活！操作机器人125人形机器人——真正像“人”!126人形机器人——真正像“人”!126Pino人形机器人人形机器人127Pino人形机器人人形机器人127迈向二十世纪的

中国机器人我国把智能机器人列为高技术发展计划，主要是围绕特种机器人进行攻关。完成1000m水下无缆自主机器人的研制，并完成了无人驾驶振动式压路机