《北理工自动化》课件

北理工自动化北京理工大学自动化专业是一门以控制论、系统论、信息论为理论基础的学科。该专业旨在培养掌握自动控制理论、系统分析与设计、信息处理与控制等知识和技能的复合型人才。课程简介课程名称《北理工自动化》课程性质专业核心课程，理论与实践相结合，培养自动化专业人才。课程目标掌握自动化领域的基本理论、方法和技术，具备解决实际工程问题的能力。课程内容涵盖自动化基础知识、控制系统、机器人技术、人工智能等，内容丰富且实用。课程目标11.理论知识培养学生对自动化领域的基础知识，如信号与系统、自动控制理论、传感器技术等。22.实际应用掌握常见自动化系统的设计、集成、实施和维护方法，具备解决实际问题的能力。33.创新能力鼓励学生进行自动化相关项目的实践，培养其创新思维和解决问题的能力。44.职业素养提升学生的团队合作、沟通表达、问题分析和解决能力，为未来职业发展奠定基础。课程体系架构理论知识课程涵盖自动化基础知识，包括信号与系统、电子电路基础、自动控制基础等。这些知识为理解和掌握自动化技术提供坚实基础。实践技能通过实验课程、项目实践等方式，培养学生运用自动化理论解决实际问题的能力。例如，学习传感器技术、机器人技术，以及自动化系统设计与集成。拓展延伸课程还涉及自动化发展趋势、应用案例等内容，帮助学生了解自动化技术的前沿和未来发展方向。自动化概论自动化是现代工业和社会发展的重要支柱。本课程介绍自动化领域的理论基础、关键技术和应用案例。自动化发展历程1智能自动化人工智能和机器学习2数字自动化计算机控制和网络技术3机械自动化机械传动和控制系统4手工操作早期的人工生产自动化发展经历了从手工操作、机械自动化、数字自动化到智能自动化的四个阶段。随着科技进步，自动化技术不断发展，应用范围不断扩展，对社会生产和生活产生了重大影响。自动化基础知识控制理论控制理论是自动化的核心，为设计和分析自动控制系统提供理论基础。传感器技术传感器是自动化系统的“眼睛”，负责采集外部信息，将物理量转化为电信号。执行机构执行机构是自动化的“手”，负责执行控制指令，将电信号转化为物理动作。信息处理信息处理是自动化系统的“大脑”，负责对传感器信号进行处理、分析和决策。信号与系统信号分析信号与系统课程涵盖信号分析理论和技术，包括信号的时域分析、频域分析和变换域分析。系统特性学习系统的特性，如线性度、时不变性、因果性、稳定性，了解系统对信号的影响。系统建模掌握常用的系统模型，如微分方程模型、传递函数模型，并学会建立系统模型。应用实践通过案例和实验，将理论知识应用到实际问题中，例如信号处理、控制系统设计等。电子电路基础基本电子元件电路的基础是各种电子元件。例如，电阻、电容、电感和集成电路等元件构建了各种电子设备的核心。电路设计与分析学习电子电路基础，可以帮助学生理解电路图的符号、元件的特性和电路的分析方法。电子电路实验通过实验验证理论知识，学习基本电子测量仪器和调试方法，增强实践能力。测量与检测技术11.测量原理了解测量过程中的物理量和测量方法，掌握测量误差分析和补偿技术。22.传感器技术传感器是自动化系统的重要组成部分，可将物理量转换为电信号，用于检测和控制。33.信号调理将传感器输出的信号进行放大、滤波、转换等处理，使之适合后续的测量和控制。44.检测技术运用不同的检测方法，对被测对象进行精确测量和分析，获取可靠数据。自动控制基础反馈控制反馈控制系统根据输出信号与期望值的偏差来调整控制输入。数学模型建立系统模型以分析和预测系统行为，并设计控制器。稳定性分析评估系统在干扰和扰动下能否保持稳定运行。频率响应分析系统对不同频率信号的响应特性，优化控制器设计。控制系统组成传感器传感器用于采集物理量信息，例如温度、压力、流量等。控制器控制器根据传感器采集的信息进行处理，并发出控制信号。执行机构执行机构根据控制信号改变系统状态，例如电机、阀门、加热器等。反馈回路反馈回路用于将系统状态信息反馈给控制器，以闭环控制系统。控制器及执行机构控制器控制器是自动控制系统中重要的组成部分，负责接收反馈信号并根据设定值进行运算，生成控制信号。控制器根据控制算法和反馈信息，确定执行机构的运行方式，从而实现对被控对象的控制。执行机构执行机构是自动控制系统的末端环节，负责将控制信号转换成实际的控制动作，直接作用于被控对象。常见的执行机构包括电机、液压缸、气动缸、阀门、继电器等，根据控制需求选择合适的执行机构。传感器技术光纤传感器光纤传感器以其高灵敏度、抗干扰能力强等优点，在工业自动化领域得到了广泛应用。压力传感器压力传感器用于测量气体或液体的压力，是自动化系统中重要的测量元件，广泛应用于工业控制、医疗设备等领域。温度传感器温度传感器是测量温度的装置，在工业自动化中用于监测和控制温度，例如在恒温系统、加热设备等领域。流量传感器流量传感器用于测量流体流动的速度或流量，广泛应用于化工、石油、电力等行业，对生产过程控制至关重要。典型自动化系统自动化系统种类繁多，广泛应用于各行各业，涵盖工业生产、农业生产、交通运输、医疗保健等领域。例如，工业自动化系统可以提高生产效率、降低生产成本，农业自动化系统可以提升农作物产量和品质，交通自动化系统可以提高交通安全性和效率。工业现场总线定义与作用工业现场总线是用于工业自动化控制系统中不同设备之间通信的网络。它实现了数据采集、控制命令传输、参数设置等功能，提高了系统效率和可靠性。类型与标准常见的工业现场总线类型包括CAN总线、PROFIBUS总线、AS-i总线等，它们遵循各自的标准规范。不同的标准在数据传输速率、协议类型、应用场景等方面有所区别。应用优势使用工业现场总线能够简化系统布线，降低成本，提高系统灵活性和可扩展性。此外，它还能够增强系统的实时性和可靠性，提高工业自动化系统的整体性能。应用案例工业现场总线广泛应用于各种工业自动化系统，例如制造业、电力系统、交通运输等。例如，在汽车制造过程中，总线用于控制机器人、传感设备、控制系统等设备的通信和协作。机器人技术工业机器人广泛应用于制造业，提高生产效率和产品质量，例如焊接、喷涂、搬运、组装等。服务机器人服务于人类日常生活，例如家庭清洁、医疗护理、教育娱乐等，为人们提供便利和服务。特种机器人用于特殊环境和任务，例如灾难救援、军事侦察、太空探索等，具备特殊功能和能力。人工智能人工智能技术融入机器人，赋予机器人更强的感知、学习和决策能力，使其更加智能化。自动化仿真技术虚拟环境创建虚拟模型，模拟真实系统，测试和验证设计。预测系统行为，分析性能指标，优化设计参数。仿真软件MATLAB/Simulink、LabVIEW、ANSYS、Autodesk等。提供丰富的建模工具、仿真功能和分析方法。人机交互与人工智能人机交互界面用户友好界面设计，提升用户体验。机器学习算法预测用户行为，提供个性化服务。智能助手语音识别，自然语言处理，智能问答。自动化系统设计1需求分析确定系统功能，制定性能指标，收集相关数据2系统架构选择合适的硬件和软件，设计系统结构和通信协议3控制算法设计控制策略，编写程序代码，测试和优化算法4系统调试进行系统集成和调试，确保系统安全可靠，满足设计要求自动化系统设计是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，例如成本，性能，可靠性，安全性等等。设计人员需要根据具体的应用场景选择合适的技术和方法，进行系统设计和开发。自动化系统集成1系统规划与设计系统集成是一个复杂过程，需要进行系统规划和设计，确定系统功能和性能指标，以及系统架构和硬件软件选型。2硬件集成硬件集成需要将各种硬件设备和系统连接在一起，并进行调试和配置，保证硬件之间的相互兼容和稳定运行。3软件集成软件集成需要将各种软件系统和应用软件集成在一起，并进行测试和验证，确保软件之间的相互兼容和协同工作。4系统测试与调试集成完成后，需要进行系统测试和调试，保证系统能够正常运行，满足设计要求和性能指标。5系统维护与升级系统集成完成后，需要进行持续的维护和升级，以保证系统稳定运行和适应新技术和应用场景。自动化系统实施1系统测试确保系统功能完整、稳定运行。2系统调试解决系统运行过程中发现的问题。3系统集成将不同子系统整合为完整系统。4系统配置根据实际需求配置系统参数。5系统安装将系统硬件和软件安装到现场。系统实施阶段是将设计好的自动化系统投入实际应用的过程，需要经过系统安装、配置、集成、调试、测试等步骤。各个环节环环相扣，确保最终系统能够正常运行。自动化系统维护定期检查定期检查设备运行状态，并根据情况进行调整和维护。故障诊断及时诊断系统故障原因，并进行有效的故障排除和修复。软件升级更新系统软件版本，以提升系统性能、增强功能和修复漏洞。安全保障确保系统安全，防止非法访问和恶意攻击，保障系统正常运行。人员培训定期对维护人员进行培训，提升他们的专业技能和维护水平。自动化系统优化提高系统效率优化算法、减少资源浪费，提高系统运行效率。增强系统可靠性提升系统稳定性，降低故障率，提高系统安全性。提升系统可扩展性适应未来发展需求，方便系统升级，提高系统灵活性。降低系统成本降低能源消耗、维护成本，提高系统经济效益。自动化系统安全11.安全风险分析识别自动化系统潜在的安全风险，并评估其危害程度。22.安全措施设计采取安全措施来降低或消除安全风险，包括硬件、软件和流程安全措施。33.安全测试与验证对安全措施进行测试和验证，确保其有效性。44.安全管理与维护建立安全管理制度，定期进行安全检查和维护，确保安全措施的持续有效性。自动化系统应用案例本节课将介绍自动化系统在不同领域的应用案例，包括工业自动化、智能制造、农业自动化、交通自动化、医疗自动化等。通过案例分析，帮助学生理解自动化系统的实际应用场景，并激发学生对自动化领域的兴趣。工业生产线自动化智能仓库管理系统无人驾驶汽车智能医疗诊断系统自动化系统前景展望智能制造自动化系统将继续推动智能制造的发展，提高生产效率和产品质量。智慧生活自动化系统将应用于智慧生活，例如智能家居、智慧交通，改善人们的生活品质。智能交通自动化系统将应用于无人驾驶汽车、智能交通管理，提高交通效率和安全性。医疗保健自动化系统将应用于医疗保健，例如手术机器人、药物研发，提升医疗水平。自动化系统发展趋势智能化人工智能技术融入自动化系统，例如机器学习、深度学习等，提高系统智能化程度，实现自主决策和优化。网络化自动化系统与互联网和云计算技术结合，实现数据共享和远程控制，提升系统协同性和效率。个性化自动化系统根据用户的需求进行定制，实现个性化的功能和服务，满足不同应用场景的需要。绿色化自动化系统采用节能环保的设计理念，降低能源消耗，减少污染排放，实现可持续发展。课程实践与总结巩固理论知识通过实践项目，将课堂理论知识应用于实际问题，加深理解并提升解决问题的能力。培养动手能力实践项目需要学生独立思考、设计、实施和调试，锻炼动手能力，提升工程实践经验。团队合作精神许多实践项目需要团队协作完成，培养团队合作精神，提高沟通和协调能力。