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1、自动化概论自动化概论 目目 录录1.11.1自动化的基本概念自动化的基本概念 （1 1）自动化自动化（Automation or automatization） 机器或装置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机器或装置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的过程。控制的过程。 中国大百科全书中国大百科全书 是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。 自动化（专业）概论自动化
2、（专业）概论 The automatic operation or control of equipment，a process，or a system The techniques and equipment used to achieve automatic operation or control The condition of being automatically controlled or operated Automation or automatization广义科学技术体系结构广义科学技术体系结构1.2 1.2 自动化发展简史自动化发展简史自动化装置自动化装置 自动化技术自
3、动化技术 自动化理论自动化理论 自动化科学自动化科学 n从刀耕火种的年代起，人们就梦想着省时省从刀耕火种的年代起，人们就梦想着省时省力地生产出更多的东西，来满足人们生活的力地生产出更多的东西，来满足人们生活的需要。人们在几千年的生产过程中，发明了需要。人们在几千年的生产过程中，发明了很多节省力气的工具，如在河流上建造的水很多节省力气的工具，如在河流上建造的水车。可以通过水的冲击带动轮子转动，实现车。可以通过水的冲击带动轮子转动，实现灌溉、舂米等工作。灌溉、舂米等工作。1.2.1 自动装置的出现和应用自动装置的出现和应用最早的自动控制可追溯到公元前发明的指南车最早的自动控制可追溯到公元前发明的指
4、南车指南车复原模型指南车复原模型1.2.2 自动化技术形成时期自动化技术形成时期(18世纪末世纪末20世纪世纪30 年代年代) （Watt）动力机速度自动控制是自动化应用的第一个里程碑！动力机速度自动控制是自动化应用的第一个里程碑！（1）自动调节器的广泛应用）自动调节器的广泛应用 第一次工业革命的需要第一次工业革命的需要人们开始采用自动调节人们开始采用自动调节器或装置器或装置来使一些物理量保持在给定值附近。自动来使一些物理量保持在给定值附近。自动调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。 18541854年俄国机械学家和电工学家年俄国机械学家和电工
5、学家康斯坦康斯坦丁诺夫发明丁诺夫发明电磁调速器电磁调速器。 18681868年法国工程师年法国工程师J.J.法尔科（法尔科（FarcotFarcot）发明）发明反馈反馈调节器调节器应用于操纵蒸汽船的舵。并称为伺服机构。应用于操纵蒸汽船的舵。并称为伺服机构。 2020世纪世纪20203030年代年代美国开始采用美国开始采用PIDPID调节器调节器。（2 2）自动调节器的稳定性问题）自动调节器的稳定性问题 18681868年，英国物理学家年，英国物理学家J.C.J.C.麦克斯韦（麦克斯韦（MaxwellMaxwell）应用）应用线性微分方程研究蒸汽机转速调节不稳定问题。是线性微分方程研究蒸汽机转速
6、调节不稳定问题。是人类第一人类第一次将自动化技术出现的不稳定问题转换成数学问题来研究。次将自动化技术出现的不稳定问题转换成数学问题来研究。 18771877年英国数学家年英国数学家E.J.E.J.劳思提出劳思提出代数稳定判据代数稳定判据（劳思稳劳思稳定判据）。定判据）。 18951895年德国数学家年德国数学家A.A.胡尔维茨提出代数稳定判据的另一胡尔维茨提出代数稳定判据的另一种形式（胡尔维茨稳定判据）。种形式（胡尔维茨稳定判据）。 18921892年俄国数学家年俄国数学家.李雅普诺夫李雅普诺夫提出提出稳定性的严格数稳定性的严格数学定义，并发表专著。学定义，并发表专著。 李雅普诺夫稳定性理论至
7、今仍是分析系统稳定李雅普诺夫稳定性理论至今仍是分析系统稳定性的重要方法性的重要方法。 （3 3）反馈控制和频率法）反馈控制和频率法 1927 1927年美国贝尔电话实验室电气工程师年美国贝尔电话实验室电气工程师H.S.H.S.布莱克在布莱克在解决电子管放大器失真问题时首先引入解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈反馈的概念。的概念。 1932 1932年美国电信工程师年美国电信工程师奈奎斯特奈奎斯特H.H.提出著名的提出著名的奈奎斯奈奎斯特稳定判据特稳定判据可以直接根据系统的传递函数来判定反馈系统可以直接根据系统的传递函数来判定反馈系统的稳定性。的稳定性。 1.2.31.2.3局部自动化时期局
8、部自动化时期(20世纪世纪4050年代年代) （1 1）经典控制理论的形成和发展）经典控制理论的形成和发展 二战期间二战期间德国的空军优势和英国的防御地位德国的空军优势和英国的防御地位迫使迫使美美英和西欧等国集中精力解决了防空火力控制系统和飞英和西欧等国集中精力解决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。在解决这些问题的过程机自动导航系统等军事技术问题。在解决这些问题的过程中形成了中形成了经典控制理论经典控制理论。 经典控制理论经典控制理论主要是解决单变量的控制问题。这一新主要是解决单变量的控制问题。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论的学科当时在美国称为伺服机构理论在苏联称为自
9、动调在苏联称为自动调整理论整理论经典控制理论经典控制理论这个名称是这个名称是19601960年在第一届全美联年在第一届全美联合自动控制会议上提出来的。合自动控制会议上提出来的。 1945 1945年，美国数学家年，美国数学家维纳（维纳（ WinnerWinner）把反馈的概把反馈的概念推广到生物等一切控制系统念推广到生物等一切控制系统 。19481948年发表年发表控制论控制论奠定了奠定了控制论控制论基础。基础。 1948 1948年，美国电信工程师年，美国电信工程师香农香农C.E.C.E.发表发表通信的通信的数学理论数学理论奠定了奠定了信息论信息论基础。基础。 1954 1954年，中国系统
10、科学家钱学森年，中国系统科学家钱学森在美国出版在美国出版工程控工程控制论制论。该书目的是研究控制论这门科学中能够直接用在工。该书目的是研究控制论这门科学中能够直接用在工程上设计受控系统的那些部分。程上设计受控系统的那些部分。 电子式控制器的应用可算是自动化应用电子式控制器的应用可算是自动化应用的第二个里程碑！的第二个里程碑！2020世纪世纪2020年代，电子管反馈放大器正式诞生年代，电子管反馈放大器正式诞生形成自动化生产线（形成自动化生产线（19261926，美，第一条，美，第一条 汽车底盘自动生产线）汽车底盘自动生产线）4040年代，二次世界大战年代，二次世界大战 经典控制理论经典控制理论（
11、2 2）局部自动化的广泛应用）局部自动化的广泛应用 （3 3）电子数字计算机的发明）电子数字计算机的发明 1943 194319461946年美国宾夕法尼亚大学电气工程师年美国宾夕法尼亚大学电气工程师J.P.J.P.埃克埃克脱和物理学家脱和物理学家J.W.J.W.莫奇利为美国陆军成功研制莫奇利为美国陆军成功研制世界上第一台世界上第一台基于电子管的电子数字计算机基于电子管的电子数字计算机电子数字积分和自动计算电子数字积分和自动计算器器(ENIAC)(ENIAC)。 1950 1950年宾夕法尼亚大学莫尔小组研制成功年宾夕法尼亚大学莫尔小组研制成功第二台存储程序第二台存储程序式电子数字计算机式电子
12、数字计算机离散变量电子自动计算机离散变量电子自动计算机 (EDVAC)(EDVAC)。 电子数字计算机电子数字计算机的发明，不但为现代控制理论的发展提的发明，不但为现代控制理论的发展提供了强有利的工具，而且为复杂控制系统实现先进的控制和供了强有利的工具，而且为复杂控制系统实现先进的控制和算法奠定了基础。算法奠定了基础。1.2.4 1.2.4 综合自动化时期综合自动化时期(20世纪世纪50年代末起至今年代末起至今) 1956 1956年苏联数学家年苏联数学家庞特里亚金庞特里亚金.提出提出极大值原理极大值原理。 19561956年美国数学家年美国数学家贝尔曼贝尔曼R.R.创立创立动态规划动态规划。
13、 极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。极大值原理和动态规划为最优控制提供了理论工具。 1959 1959年美国数学家年美国数学家卡尔曼卡尔曼R.E.R.E.提出著名的卡尔曼滤波器。提出著名的卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器适合于用电子计算机来实现卡尔曼滤波器适合于用电子计算机来实现可用来解决随机最优可用来解决随机最优控制问题。控制问题。 19601960年卡尔曼提出年卡尔曼提出能控性能控性和和能观测性能观测性两个结构概念两个结构概念揭示了揭示了线性系统线性系统许多属性间的内在联系。卡尔曼还引入许多属性间的内在联系。卡尔曼还引入状态空间法状态空间法提提出具有二次型性能指标线性状态反馈律出具有
14、二次型性能指标线性状态反馈律给出最优调节器概念。给出最优调节器概念。 上述新概念和新方法的出现标志着现代控制理上述新概念和新方法的出现标志着现代控制理论的诞生。论的诞生。 (1)现代控制理论形成现代控制理论形成 (2) (2) 现代控制理论的发展与应用现代控制理论的发展与应用 建模和系统辨识建模和系统辨识 建模建模( ( Modelling系统辨识系统辨识( (System Identification) )。 最优控制理论最优控制理论 最优控制（最优控制（Optimal Control）是在给定限制条件和）是在给定限制条件和性能指标下，寻找使系统性能在一定意义下为最优的性能指标下，寻找使系统
15、性能在一定意义下为最优的控制规律。控制规律。 用于综合最优控制系统的主要方法是用于综合最优控制系统的主要方法是极大值原理极大值原理和和动态规划动态规划。 最优控制理论的出现是古典控制理论发展到现代最优控制理论的出现是古典控制理论发展到现代控制理论的重要标志。控制理论的重要标志。自适应控制理论自适应控制理论 随被控对象动态特性变化而改变其控制器自身特随被控对象动态特性变化而改变其控制器自身特性的控制系统称为性的控制系统称为自适应控制系统自适应控制系统，而关于自适应，而关于自适应控制系统的分析与设计的理论，称为控制系统的分析与设计的理论，称为自适应控制理自适应控制理论论（Self-adaptive
16、 Control Theory）。）。 研究的基本问题：研究的基本问题： a. 认识被控对象的动态特性（辨识）；认识被控对象的动态特性（辨识）； b. 构造适应这种特性的控制器构造适应这种特性的控制器 c. 用算法实现这种控制器用算法实现这种控制器遥感、遥测和遥控遥感、遥测和遥控 20世纪世纪20年代，遥测、遥控技术开始得到实际应用。年代，遥测、遥控技术开始得到实际应用。 遥测（遥测（Telemetry）是对被测对象的某些参数进行）是对被测对象的某些参数进行远距远距离测量离测量。 遥控（遥控（Remote Control）是对被测对象的某些参数进）是对被测对象的某些参数进行行远距离控制。远距离控制。 20世纪世纪60年代，遥感技术得到迅速发展。年代，遥感技术得到迅速发展。 遥感（遥感（Remote Sensing）是利用装载在飞机或人造卫）是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标反射或发射出星等运载工具上的传感器，收集由地面目标反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据获得关于目标物（如矿藏、来的电磁波，再根据这些数据获得关于目标物（如矿藏、森林、作物产量等）的信息。
