自動化的概念和發(fā)展簡史

1、1,2 自動化的概念和發(fā)展簡史,2,基本概念,自動化，是指機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進行操作或運行。 自動控制是關于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術。 自動化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題，控制則除了上述研究外，還研究社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經(jīng)濟控制、社會控制及人口控制等。,3,我國古代自動裝置,中國古代能工巧匠發(fā)明許多原始的自動裝置，以滿足生產、生活和作戰(zhàn)的需要。其中比較著名有下述的幾種：,(1) 指南車,(2) 銅壺滴漏,(3) 浮子式閥門,(4) 飲酒速度的自動調節(jié),(5) 計里鼓車,(6) 漏水轉渾天儀,(7) 候風地

2、動儀,(8) 水運儀象臺,4,指南車,指南車是中國古代用來指示方向的一種具有能自動離合的齒輪系裝置的車輛。,5,指南車 原理,6,銅壺滴漏中國古代的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。,7,飲酒速度自動調節(jié)器,8,計里鼓車,9,候風地動儀圖,候風地動儀圖,10,自動化技術發(fā)展簡史,自動裝置的出現(xiàn)和應用（18世紀以前） 自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代） 局部自動化時期 (20世紀40-50年代) 綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今),11,自動裝置的出現(xiàn)和應用（18世紀以前）,“自動控制”作為一種技術掌握在發(fā)明家的手中,中國和巴比倫出現(xiàn)了自動計時裝置刻漏、指南車 、

3、水運儀象臺等。公元1世紀古埃及和希臘的發(fā)明家也創(chuàng)造了教堂廟門自動開啟、銅祭司自動灑圣水、投幣式圣水箱等自動裝置。,中國天文學家張衡（公元78-139）曾經(jīng)發(fā)明了對天體運行情況自動仿真的漏水轉渾天儀和自動檢測地震的候風地動儀。公元1088年，中國蘇頌等人把渾儀（天文觀測儀器）、渾象（天文表現(xiàn)儀器）和自動計時裝置結合在一起建成了水運儀象臺。,(1) 古代自動裝置,12,(2) 近代自動裝置,法國物理學家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年發(fā)明的加法器 荷蘭機械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表 英國機械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風向控制的風磨 俄國機械師.

4、波爾祖諾夫于公元1765年發(fā)明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調節(jié)器。,13,自動化技術形成時期（18世紀末至20世紀30年代）,公元1788年 J.瓦特將離心式調速器與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉速的閉環(huán)自動調速系統(tǒng)（圖2.16）,14,反饋和自動調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是自動控制中極重要的概念,反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。 人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機轉速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使一些數(shù)學家從理論上來加以研究，創(chuàng)造多種穩(wěn)定判據(jù)。,15,經(jīng)典控制理論,穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基

5、關于船舶自動操舵的穩(wěn)定性和1934年美國H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的關于伺服機構理論的論文標志著經(jīng)典控制理論的誕生。,進入20世紀以后，工業(yè)生產中廣泛應用各種自動調節(jié)裝置，促進了對調節(jié)系統(tǒng)的分析和綜合的研究。,16,反饋控制系統(tǒng)框圖,給定輸入,給定環(huán)節(jié),控制器,放大環(huán)節(jié),執(zhí)行環(huán)節(jié),被控對象,誤差,反饋信號,輸出,擾動,+,_,反饋環(huán)節(jié),前向通道,反饋通道,17,局部自動化時期 (20世紀40-50年代),經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,局部自動化的廣泛應用,電子數(shù)字計算機的發(fā)明,18,自動防空火力控制系統(tǒng),在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術問題，各國科學家設計

6、出各種精密的自動調節(jié)裝置，開創(chuàng)了防空火力系統(tǒng)和控制這一新的科學領域。,19,經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,代數(shù)穩(wěn)定判據(jù) 傳遞函數(shù) 根軌跡法(W.埃文斯（Evans）1948年) 頻率法,20,局部自動化的廣泛應用,模擬計算機 氣動單元組合儀表 智能化的儀表和控制器,21,電子數(shù)字計算機,電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路 數(shù)字計算機直接控制生產過程 數(shù)字計算機是現(xiàn)在自動控制系統(tǒng)的一個重要組成部分,22,國產巨型“銀河”電子數(shù)字計算機,國產巨型“銀河”電子數(shù)字計算機,23,綜合自動化時期（20世紀50年代末起至今）,.龐特里亞金提出極大值原理 R.貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃 R.卡爾曼提出狀態(tài)空間法

7、(可控性、可觀性、最優(yōu)狀態(tài)估計等),現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展,24,現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,系統(tǒng)辯識、建模與仿真 自適應控制 遙測、遙控和遙感 大系統(tǒng)理論 模式識別和人工智能 智能控制,25,（1）系統(tǒng)辯識、建模與仿真,系統(tǒng)辯識是根據(jù)系統(tǒng)輸入、輸出數(shù)據(jù)為系統(tǒng)建立數(shù)學模型的理論和方法。此外建立數(shù)學模型還可以采用解析法和實驗方法。通常有必要在仿真設備上試驗系統(tǒng)，包括建立、修改、復現(xiàn)系統(tǒng)的模型，這稱為系統(tǒng)仿真。,自適應控制能在對象數(shù)學模型變動和系統(tǒng)外界信息不完備的情況下改變反饋控制器的特性，以保持良好的工作品質。,(2) 自適應控制,(3) 遙測、遙控和遙感,遙測就是對被測對象的某些參數(shù)進行遠距離測量。

8、遙控就是對被控對象進行遠距離控制。遙感就是利用裝載在飛機或人造衛(wèi)星等運載工具上的傳感器，收集由地面目標物反射或發(fā)射出來的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲得關于目標物（如礦藏、森林、作物產量等）的信息。,26,開始對出現(xiàn)的大系統(tǒng)如大電力系統(tǒng)、化工聯(lián)合企業(yè)、鋼鐵聯(lián)合企業(yè)及社會經(jīng)濟大系統(tǒng)等開始進行了研究。特別是高速大型計算機的出現(xiàn)為大系統(tǒng)的研究和大量計算提供了前提條件。,大系統(tǒng)理論的重要作用在于對大系統(tǒng)進行調度優(yōu)化和控制優(yōu)化，通過分解-協(xié)調以較短時間計算出優(yōu)化結果。,(5) 模式識別和人工智能,使用電子數(shù)字計算機直接接受和處理各種自然的模式消息，如語言、文字、圖象、景物等。人工智能學者已研制出用于醫(yī)療診斷、地質勘探、金融決策、軍事指揮、大規(guī)模集成電路設計等各種專家系統(tǒng)；研制出智能機器人，如有視覺和觸覺的機器人和能與人對答的機器人等等。,(4) 大系統(tǒng)理論的誕生,27,(6) 智能控制的誕生,將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)，形成智能控制系統(tǒng)。這是新一代的自動控制系統(tǒng)。它的特點是具有智能，能解決一些以往的自動控制解決得不好或者不能解決的控制問題。,它將人工智能中的專家系統(tǒng)、學習控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經(jīng)網(wǎng)絡等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法相結合，形成一些新的、具有獨特性能的智能自動控制系統(tǒng)，如智能機器人。,28,智能和水下機器人,29,綜合自動化,20