自动化概述ppt课件.ppt

1,自动化概论 An Introduction to Automation,2,设置该课程的目的与意义,使自动化及其他专业的学生全面了解自动化的基本概念、自动控制的基本原理和基本思想、自动化的应用状况、应用热点、前沿技术及发展趋势。自动化系统随处可见，自动化技术具有很强的渗透性和扩展性，自动化的思想和方法可应用于几乎所有领域，包括工程、社会、经济、管理等。,3,教材: 赵曜主编自动化概论 机械工业出版社，2009,主要参考书: 万百五主编自动化（专业）概论武汉理工大学出版社，2002戴先中，赵光宙自动化学科概论高等教育出版社，2006,4,主要参考书（续）: 戴先中自动化科学与技术学科的内容、地位与体系高等教育出版社，2003汪晋宽，于丁文，张建自动化概论北京邮电大学出版社，2006陈虹电气学科导论机械工业出版社，2006王志良，李正熙，解仑信息社会中的自动化新技术机械工业出版社，2004,5,第1章 自动化概述,6,几个问题,你心目中的自动化自动化教学与研究的现状自动化的核心理念：反馈、动态、系统、折中,7,自动化科学与技术的特点,自动化科学的特点： 数学属性，严密的理论特征； 对象特性，鲜明的改造世界的特征； 系统与社会属性，系统的复杂性特征； 渗透与扩散特性，普遍适用特征。,前三个特点表明，从事自动化科学研究，既要有理论，又要懂对象，更要有系统的观念，三者缺一不可。而第四个特点指出，把自动化科学中的基本原理与方法应用到其他科学、技术与工程中去，是从事自动化科学研究的人员义不容辞的职责。,8,在所有工科专业中，自动化专业学习的计算机 知识 仅次于计算机专业。,在所有工科专业中，自动化专业需要的 数学知识最多。,常说：,自动化专业基础面宽， 需要学的知识多，并要求扎实。,9,自动化对于个人的影响,自动化既是以动力学特性研究与定量分析相结合的一种工程方法论，同时其中一些最朴素的思想，如反馈、折中等，也将深刻地影响一个人的世界观和人生观。一个深刻掌握自动化方法与思维方式的人，很容易适应于其他领域的工作，而反过来则相对难度要大一些。,10,理论与实际的结合,要想成为一个优秀的自动化工程师，除了学好自动控制的基本功底外，还需要深入透彻了解所从事对象的动力学特性，否则将是无本之木，无从下手。,11,学习自动化的基本要求,具有辨证的、逻辑的、形象的和创造的科学思维方式和对事物进行统计、分析、综合、归纳的技能，并形成较强的发现问题、分析问题和解决问题能力。,特别需要注意的是，自动控制是数学的严密性与一些经验知识的有机统一，需要合理地把握好这个尺度。,12,本章内容,1.1 什么是自动化?1.2 自动化能做什么? 1.3 自动化的过去、现在和将来1.4 自动化与信息技术1.5 自动化与信息化,13,自动化是利用机器、设备或装置代替人或帮助人自动地完成某个任务或实现某个过程。,1.1 什么是自动化?,自动化是在没有人的直接参与下，利用各种技术手段，通过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，使机器、设备等按照预定的规律自动运行，实现预期的目标，或使生产过程、管理过程、设计过程等按照人的要求高效自动地完成。,14,图示什么是自动化,(a) 手动控制漫画 (b) 自动控制水温的手动控制和自动控制的示意图,15,A Simple Plant (Whats it?),16,自动化系统举例,空调自动调节房间温度： 以取暖为例，空调通过温度传感器检测房间的温度高低，空调控制器将检测的温度与设定值进行比较，若温度低于设定值的下限，则使压缩机运行，温度上升，温度上升到设定值的上限时则停止运行。,空调运行基于反馈信息（温度测量值），属于 “反馈控制”，最为常见。,17,全自动洗衣机：,按照设定的程序自动完成洗衣任务。这是另一种典型的自动化工作方式程序控制。 高档的还能检测出洗衣量的多少、脏的程度、衣料的质地等，并根据这些信息自动进行分析计算，决定洗涤剂用量、水位高低、洗衣强度和洗衣时间等，从而实现“智能型”的全自动洗衣。,18,数控机床和数控加工中心：自动完成零部件的加工和处理,数控机床计算机技术与机械技术相结合，相当于给机床添加了“大脑”和“感觉器官”，赋予了“智慧”，可以完成难度更大的任务。 数控加工中心带有刀具库和自动换刀装置的多功能数控机床，能自动完成多种工序和复杂形状的产品加工。,一种数控加工中心,19,战机对目标的自动化攻击：,现代战机在攻击目标时，可以在几十、甚至几百公里以外就将导弹发射出去，新型的导弹可以做到“发射后不管”，即在发射后能够自动搜寻、跟踪和击毁目标，是一种高度自动化的攻击方式。,20,计算机辅助设计（简称CAD， Computer Aided Design）：,综合运用计算机软、硬件及网络来实现产品设计过程的自动化。 设计者只要输入相关数据（如产品的规格、功能、要求等），计算机就能完全自动地进行分析、计算和设计，并自动输出设计的结果。 CAD广泛应用于服装、纺织、建筑、汽车、机械、造船、电子、航空航天等。 广义的CAD还包括虚拟装配、计算机辅助制造、产品数据管理等内容。,21,我国飞机设计过程中的CAD与虚拟装配示意图,22,1.2 自动化能做什么？,自动化使我们的生活与工作更加方便、高效、省心、省力；自动化使生产过程的效率更高、成本更低、产品质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更小、并显著地降低能源和原材料消耗；自动化使我们能够做很多我们以前无法做的事情，如通过载人航天器翱翔太空、 “九天揽月”，借助无人潜水器探测深海，利用机器人处理危险品、爆炸物、核废料，利用人造卫星实现全球通信等；,23,机器延伸了人的四肢、计算机延伸了人的大脑，传感器及检测技术延伸了人的感官，通信技术延伸了人的神经传导和信息传递功能，而自动化则全面提升、取代和扩展了人的功能； 早期的自动化使人类从体力上获得了解放，现代的自动化则已发展为综合自动化，可以自动完成分析、设计、计算、优化、协调、决策等，从而使人不仅从体力上，也从脑力上获得了很大程度的解放；自动化广泛应用于工业农业交通、国防商业医疗航空航天、服务和家庭等各个领域。,24,自动化的常见应用类型,工厂自动化（Factory Automation） 包括生产设备、生产线、生产过程、管理过程等的自动化。 通常由数控机床、数控加工中心、工业机器人、自动传送线、无人运输车、自动化仓库及计算机监控中心等构成自动化生产线或自动化工厂。 管理过程自动化一般包含一个网络化的计算机信息管理系统，可实现全厂生产、财务、人事、技术与设备等的自动化管理。,25,发展趋势：“管控一体化”或“综合自动化”,生产自动化与管理自动化的有机结合称为“管控一体化”或“综合自动化” ，可以实现从需求分析、产品预订、产品设计、产品生产到产品销售、用户信息反馈及售后服务等全方位的高水平自动化，从而最快速地对市场作出反应，最大限度地满足客户需求、提高生产效率、确保产品质量、减少原材料、能源等各种消耗。,26,“管控一体化”系统示意图,27,办公自动化（Office Automation，简称OA ）,利用计算机、扫描仪、复印机、传真机、电话机、网络设备、配套软件等各种现代化办公设备和先进的通信技术，高效率地从事办公业务，广泛、全面、迅速地收集、整理、加工、存储和使用各种信息，为科学管理和决策服务。,28,办公自动化通常有三个层次：,事务级OA，包括文字处理、电子排版、电子表格处理、文件收发登录、电子文档管理、办公日程管理、人事管理、财务统计、报表处理等；信息管理级OA，在事务级OA的基础上，利用数据库技术进行信息管理，如各种政务信息的管理，企业对经营计划、市场动态、供销业务、库存统计等信息的管理等；决策支持型OA，在信息管理级OA基础上，利用数据库提供的信息，由计算机执行决策程序，进行综合分析、作出相应的决策。,29,家庭自动化（Home Automation）,指家庭生活服务或家庭信息服务的自动化，如空调、洗衣机、照明控制系统、自动烹调装置、防盗系统、自动抄表系统、计算机网络等。 高层次的家庭自动化利用中央微处理机及网络统一管理和控制所有的家电设备，既可以在家里通过键盘、触摸式屏幕、按钮等设备将指令发送至中央微处理机，也可以在外面通过电话、手机或互联网发出指令，获取工作状态的信息，接受提示或报警等。,30,家庭自动化系统示意图,31,楼宇自动化（Building Automation）,对建筑物中所有能源、机电、消防、安全保护设施等实行高度自动化和智能化的统一管理，以创造出了一个有适宜温度、湿度、亮度、空气清新、节能高效、舒适安全和方便快捷的工作或生活环境。 包含的子系统：空调与通风监控系统、给排水监控系统、照明监控系统、电力供应监控系统、电梯运行监控系统、综合防盗保安系统、消防监控系统、停车场监控系统等。,32,楼宇自动化系统示意图,33,交通自动化（Traffic Automation）,综合运用计算机、通信、检测、自动控制等先进技术，以实现对交通运输系统的自动化管理和控制。 目标是安全、快捷、舒适、准点和经济。 主要内容有交通状况的监控与管理、交通信息的提供与服务、运输系统的最优化运行与控制等。 交通自动化正在走向智能化、信息化和综合自动化，如红绿灯自动优化配时、全球卫星定位系统、地理信息系统及综合监控系统等正迅速推广普及。,34,城市智能交通综合管理系统示意图,35,军事自动化（Military Automation）,核心是武器装备的自动化和军事指挥的自动化。 传统的机械化战争正发展为信息化和自动化战争，谁胜谁负主要取决于信息化和自动化水平的高低，谁能够更快、更准确的获取信息，并在最短的时间里完成分析和决策，以最快的方式实施尽可能精确的打击，谁就掌握了战争的主动权。 作战机器人、无人飞机、无人潜艇等各种智能型武器系统不断涌现，未来的战争将是智能机器与智能机器的较量，比的是自动化水平的高低和计算机、通讯、检测、控制等信息技术的优劣。,36,海陆空天一体的指挥体系,37,我军新型隐形导弹艇,作战机器人,我军无人攻击机,美军F117隐形战斗轰炸机,38,我国“东风” 弹道导弹,美军“三叉戟” 弹道导弹,国产“雷霆”激光制导炸弹,39,无人立体作战系统构想图,40,农业自动化（Agriculture Automation）,农业现代化的重要标志：大量应用自动化技术和现代信息技术。 “精准农业”的概念：根据土壤肥力、墒情、苗情、杂草、病虫害等信息，自动地进行精确或精准的耕作、播种、施肥、灌溉、除草、喷洒农药、收割等作业，从而达到省力、高效、安全、节省资源和保护生态的目的。,41,日本基于GPS的无人驾驶自动插秧机,42,各种自动化农业机械,Autonomous rice transplanter,43,自动化喷灌系统,温室立体栽培,44,1.3 自动化的过去、现在和将来,45,46,指南车,指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合的齿轮系装置的车辆。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。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。,47,指南车复原模型,48,饮酒速度的自动调节,49,18世纪末发明蒸汽机及离心调速器 第一次工业革命 大规模使用机器系统,瓦特1788年发明蒸汽机及其反馈控制系统,50,蒸汽机时代的工厂,51,19世纪下半叶发明电、发电机及电动机 第二次工业革命（电气化） 大量采用电气控制装置,52,自动调节的广泛应用,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。,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。,53,自动调节系统的稳定性问题,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（Automatic Regulation System）。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，创造多种稳定判剧。(英国的Routh;德国的Hurwitz；俄国的Lyapunov),稳定性是自动控制中极重要的概念!,54,20世纪上半叶的“二战”、工业化及经典控制理论的成熟推动了自动化系统的广泛应用,55,反馈控制和频率法,进入上世纪20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动控制装置，促进了对控制系统的分析和综合的研究。,传递函数、Nyquist稳定判据加上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. 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。,56,Pioneer,Norbert Wiener (Cybernetics: or control and communication in the animal and the machine)让人干真正适合人干的的事情,57,Pioneer,控制论，是一个不同学科互相交流的产物。(1)牛顿时间和柏森格时间；(2)群和统计力学；(3)时间序列，信息和通讯(4)反馈和振荡；(5)计算机和神经系统；(6)完形和普遍观念；(7)控制论和精神病理学；(8)信息、语言和社会,58,Pioneer,钱学森, 1954，Engineering Cybernetics(工程控制论)。Wiener是控制论的哲学先驱，而钱学森则是将其作为一个学科体系化的第一人，工程控制论奠定了目前工程上最常用的控制理论的基础。,59,工程控制论,一位美国专栏作家这样评论工程控制论：“工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两个优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径” 在工程控制论的第18章阐述了一个很重要的观点“通过工程控制协调的方法，即使用不太可靠的元器件也可以组成一个可靠的系统。”,60,20世纪中叶发明计算机 在自动化系统中大量采用计算机计算机化,古董计算机,现代工业控制计算机主板,61,综合自动化时期（20世纪50年代末起至今）,需求牵引：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。,62,现代控制理论的形成和发展,1956年前苏联数学家.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.卡尔曼提出可控性和可观性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈律，为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。,以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。,63,20世纪80年代在自动化系统中大规模实现计算机联网网络化,64,20世纪90年代通过计算机网络将管理系统与控制系统一体化，实现全系统的综合最优,65,21世纪的自动化数字化、网络化、综合集成化、信息化、智能化、绿色化等,人机一体化：自动化不应单纯追求完全的“无人化”，而应充分发挥人的智能优势，将人作为自动化系统的一部分。,绿色化：自动化系统应当从设计、运行、维护到报废整个过程考虑对环境的影响和可持续发展问题，实现最有效地利用资源，最大限度地减少对人类的损害和对环境的污染。,66,自动化发展历程中的几个特征,人类总是在寻求把今天的事情交给明天的机器设备去完成，并尽可能地通过机器设备来延伸自己的聪明才智和扩展自身的器官功能。自动化的发展始终是和社会需求紧密联系在一起的，几次大的发展阶段更是如此，而且都是由重大社会需求驱动的。新技术、新发明、新创造往往给自动化带来新的机遇、新的挑战和新的发展，并可能从根本上改变自动化的存在形式和实现方式。,67,自动化涉及多学科的交叉融合，其发展过程充分体现了科学技术的综合作用，既离不开机械、电气、自动控制及其他信息技术，同时也紧密依托于数学、系统科学等理论学科，而且还需要结合相关应用领域的专门知识。自动化具有很强的渗透性和普遍适用性，其应用从工业领域扩展到了非工业和非工程领域，如办公自动化、楼宇自动化、交通自动化、医疗自动化、农业自动化、家庭自动化、商业自动化、管理自动化、社会与经济控制等。,68,1.4 自动化与信息技术,69,什么是信息技术?,信息技术（Information Technology，简称IT）是指对信息的获取、传输、存储、处理和应用的技术。信息技术的基础是微电子技术，核心是检测技术（信息的获取）、通信技术（信息的传输）、计算机技术（信息的存储和处理）、自动控制技术（信息的应用）等，此外还有图形图像的处理和识别技术、对各种信号进行分解、变换及滤波的技术等。,70,自动化技术与信息技术的关系,自动化系统一般包含信号检测、传输、处理和控制环节，现代自动化系统大多采用计算机，因此自动化技术涉及到了信息技术的全部，信息技术的发展会直接推动自动化技术。自动化技术在很大程度上属于信息技术，但又拥有鲜明的个性和特色，其重点在于信息的应用，即如何利用信息去实现有目的的行为，其核心是分析、决策和控制，而信息的获取、传输和处理则只是实现目标的手段。,71,就信息技术本身而言，其各个环节都涉及自动化技术，例如计算机的运算过程、其内部多种硬件的控制、计算机通信网络的建模与调控、网络流量的控制、网络服务的质量控制、通信卫星的控制、各种仪器仪表的控制等。信息技术离不开自动化技术的支持，自动化技术的发展同样会推动信息技术；自动化技术与信息技术的关系是“你中有我”，“我中有你”，相辅相成，相互推动，同时又有各自的特色、要达成的目标以及要完成的任务。,72,1.5 自动化与信息化,73,什么是信息化?,“信息化” 是在社会各领域普遍采用现代信息技术，更有效地开发和利用信息资源，从而大幅度提高社会的工作效率、生产力和生活质量，推动经济发展和社会进步。信息化的基础是信息技术和信息资源，核心是信息资源的开发和利用；信息化的发展也经历了计算机化或数字化、网络化、智能化和集成化几个阶段。,74,自动化与信息化的关系,“自动化”与“信息化”都紧密依托于计算机、通信、控制、检测等信息技术，都广泛应用于各行各业，但两者的出发点和目的不同。自动化的基础是信息，核心是控制，立足在系统。自动化主要针对机器设备的自动运行，重在如何运用“信息”来进行“控制”与“优化”；信息化则主要针对信息本身的获取、传输和处理，重点是信息资源的开发利用、信息科技的推广普及和产业化等。,75,21世纪是数字化、信息化的时代，而自动化是信息化的重要组成部分，也是实现信息化必不可少的载体；信息化同时也是实现自动化的基础，信息化同样会促进自动化。两者交叉融合、互为依托、相互促进；当今的信息家电、智能家居、智能建筑、智能交通、电子商务、数字电力、数字城市、数字地球等都是信息化与自动化的有机结合。 没有自动化，就没有信息化，也没有现代化。,End of Chapter 1,