自动化学科概论.pptx
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自动化概论PPT课件(38页)精选全文
自动控制理论的经典著作
控制系统的一种自然模型
控制器(计算机) 大脑 控制理论 思想、智能 传感器 感觉器官 执行器 肌肉 能量 食物
更好的执行器 提供更好的体能
更好的传感器 提供更好的视觉
更好的控制 使传感器和执行器的组合以更智能的方式提供更灵巧 的作用
自然模型
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
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） 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） 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
工业化 信息化 知识化
社 会 总 发 展
嫦娥一号 中国自主研制、发射的第一个月球探测器
北京现代汽车车身车间焊接机器人
清华大学提出的电力系统的混成控制
离散逻辑控制指令～连续动态
底层（动态电力系统） 电厂、变电站&FACTS设备
电力 系统 混成 控制
中间处理与操作层 Processing & Operating
最高决策与指挥层 Decision–making & Commanding
小结
自动化是一个发展充分、工程概念强、内容丰富、应用领域广泛的技术学科，是人类文明进步和社会现代化的标志。 自动化是信息化的必然，是智能化的基础，是人类体能和智力扩展的关键技术，是从信息社会迈向知识社会的必经之路。 自动化专业培育高素质的控制、管理、决策人才，要求：理论与实践（抽象思维与动手，数学方程与物理概念）、硬件与软件、强电与弱电并重
中间层信息
控制指令 (事件驱动)
Data
底层设备的反馈控制
操作命令
底层信息
自动化概论(PPT35页)
对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳态值 之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间，就认为控 制过程已经结束。即 t≥ts 时 y（t）－ y（∞）≤ ±5%y（∞）或±2%y（∞）
哈尔滨电力职业技术学院
3．最大动态偏差ym或超调量
在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡 量被调量偏离给定值的程度。
哈尔滨电力职业技术学院
2. 比例积分(PI)调节器
PI 调节器的阶跃响应曲线
e
e0
0
t
比例调节 + 积分调节 粗调 + 细调
e0
0
Ti
e0
t
哈尔滨电力职业技术学院
3. 比例微分(PD)调节器
动态方程为
：
Kpe
Kd
de dt
K p (e
Kd Kp
de ) dt
1
(e Td
de ) dt
传递函数为:
例：典型的自动化元件
差压变送器
调节器 气动调节阀
显示操作器
2.1.3 自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。
一、按工作原理分类
1．前馈控制系统 2．反馈控制系统 3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统）
二、按给定值特点分类
1. 定值控制系统 2. 随动控制系统 3．程序控制系统
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
哈尔滨电力职业技术学院
3．最大动态偏差ym或超调量
在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym这个指标来衡 量被调量偏离给定值的程度。
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2. 比例积分(PI)调节器
PI 调节器的阶跃响应曲线
e
e0
0
t
比例调节 + 积分调节 粗调 + 细调
e0
0
Ti
e0
t
哈尔滨电力职业技术学院
3. 比例微分(PD)调节器
动态方程为
：
Kpe
Kd
de dt
K p (e
Kd Kp
de ) dt
1
(e Td
de ) dt
传递函数为:
例：典型的自动化元件
差压变送器
调节器 气动调节阀
显示操作器
2.1.3 自动调节中的一些常用术语
1．被调量（被控制量） 表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量。
2．给定值 按生产要求被调量必须维持的希望值。
3．控制对象（被控对象） 被调节的生产过程或设备称为控制对象。
4．调节机构 可用来改变进入控制对象的物质或能量的装置称为调节机构。
一、按工作原理分类
1．前馈控制系统 2．反馈控制系统 3．前馈 ─ 反馈控制系统（复合控制系统）
二、按给定值特点分类
1. 定值控制系统 2. 随动控制系统 3．程序控制系统
前馈控制系统/反馈控制系统/复合控制系统
λ 扰动通道
《自动化学科概论》课件
发展
自动化学科起源于工业革命，经历了机械自动化、电气自动化、计算机控制和智能化的发展 阶段。
Hale Waihona Puke 关键里程碑关键里程碑包括第一台可编程数字计算机、第一个工业机器人等。
自动化学科的主要内容
控制理论
研究控制系统的设计、分析 和优化方法。
传感器与执行器
研究感知和执行装置的设计 和应用。
自动化系统
研究自动化系统的建模、仿 真和调控。
3 认识自动化学科的
重要性和应用范围
探索自动化学科的未来 发展趋势和挑战
课程概述
本课程旨在介绍自动化学科的基本概念和理论，并深入探讨其在工业、交通、医疗等领域中的应用。通 过学习本课程，您将获得对自动化技术与系统的全面了解。
自动化学科的定义和发展
定义
自动化学科是研究如何使用机械、电子和计算机等技术，实现工业和日常生活中的智能化、 自动化过程的学科。
3
未来发展
自动化学科将继续与其他领域交叉，推动技术的进一步创新和应用。
结论和总结
通过学习《自动化学科概论》，您将拥有对自动化学科原理和应用的全面认 识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。
自动化学科的应用领域
工业自动化 交通自动化 医疗自动化 家庭自动化
汽车生产、电子制造等 交通信号控制、智能交通系统等 手术机器人、医疗设备等 智能家居、智能家电等
自动化学科的前景和挑战
1
前景
自动化技术的不断发展将推动工业生产效率的提升，改善生活质量。
2
挑战
面临的挑战包括人工智能、数据安全和人机协作等方面的问题。
《自动化学科概论》PPT 课件
欢迎来到《自动化学科概论》PPT课件。在这个课程中，我们将介绍自动化 学科的基本概念、发展历程，以及它在各个应用领域中的重要性和前景。
自动化学科起源于工业革命，经历了机械自动化、电气自动化、计算机控制和智能化的发展 阶段。
Hale Waihona Puke 关键里程碑关键里程碑包括第一台可编程数字计算机、第一个工业机器人等。
自动化学科的主要内容
控制理论
研究控制系统的设计、分析 和优化方法。
传感器与执行器
研究感知和执行装置的设计 和应用。
自动化系统
研究自动化系统的建模、仿 真和调控。
3 认识自动化学科的
重要性和应用范围
探索自动化学科的未来 发展趋势和挑战
课程概述
本课程旨在介绍自动化学科的基本概念和理论，并深入探讨其在工业、交通、医疗等领域中的应用。通 过学习本课程，您将获得对自动化技术与系统的全面了解。
自动化学科的定义和发展
定义
自动化学科是研究如何使用机械、电子和计算机等技术，实现工业和日常生活中的智能化、 自动化过程的学科。
3
未来发展
自动化学科将继续与其他领域交叉，推动技术的进一步创新和应用。
结论和总结
通过学习《自动化学科概论》，您将拥有对自动化学科原理和应用的全面认 识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。
自动化学科的应用领域
工业自动化 交通自动化 医疗自动化 家庭自动化
汽车生产、电子制造等 交通信号控制、智能交通系统等 手术机器人、医疗设备等 智能家居、智能家电等
自动化学科的前景和挑战
1
前景
自动化技术的不断发展将推动工业生产效率的提升，改善生活质量。
2
挑战
面临的挑战包括人工智能、数据安全和人机协作等方面的问题。
《自动化学科概论》PPT 课件
欢迎来到《自动化学科概论》PPT课件。在这个课程中，我们将介绍自动化 学科的基本概念、发展历程，以及它在各个应用领域中的重要性和前景。
自动化学科概论-第1章
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自动化学科概论 第１ 章 绪 论 自动化学科概论 第１ 章 绪 论 １．１ 课程的目的 １．２ 课程的性质 １．３ 教与学的方式 １．４ 课程安排 第１ 章 １．１ 绪论 课程的目的——为什么要开设这门课 读一本书——书名 内容提要 前言 目录 感兴趣部分。
做一件事——目的、问题、方法、步骤 学习的方法论 如果把整个科学技术比作茂密的树林，各 个学科（专业）比作树林中的一棵棵不同种类 的参天大树，那么构成自动化学科的知识就是 自动化参天大树的枝和叶。
统揽全局。
不能“只见叶，不见树。
” 不能“只见树，不见林。
” 要了解 “自动化”树全貌及枝、叶、花之间关 系 “自动化”树与其它树之间的关系 课程定位——主要目的： 通过本课程学习，自动化专业学生能较 深入地理解： ⑴自动化的内涵、外延与定位； ⑵自动化科学与技术的基本原理与核心概念； ⑶自动化学科的知识体系， 需要掌握的知识及其相互关系； ⑷自动化专业的课程体系， 需要学习的主要课程及其相互关系； ⑸自动化科学与技术、自动化专业 与相关科学技术、专业之间的联系与区别 并对现代自动化科学与技术有一个大概的了解。
教科书定位——主要目的： 不仅是学生学习“自动化专业”的入门书，而且 可作为“自动化专业”学生４年学习期间的参考书。
每当学习一门新课（尤其是主要课程）时，都能 通过本书对所学课程、该课程与其他课程之间的关系 有一个大概的了解。
更进一步，当学生：①进入专业课学习阶段（三年 级），可以（如果可能）选择选修课时；②进入毕业 设计（四年级）阶段，可以（如果可能）选择毕业设 计课题时；③准备报考研究生（三、四年级），选择 研究方向时，能从书中获得做出自己独立 “决策”的 依据。
１．２ 课程的性质——这是一门什么样的课 高级科普？ 高级科普？ 是：通俗易懂、深入浅出地了解基本原理，学 习 新知识，激发兴趣、爱好。
自动化学科概论(第二版)
自动化学科概论（第二版）一、引言自动化学科是一门研究如何使用机械、电子和计算机技术来实现自动控制的学科。
它涉及到多个领域，包括机械工程、电子工程、计算机科学和控制理论等。
自动化技术的发展和应用广泛应用于各个行业和领域，为现代社会的发展做出了重要贡献。
二、自动化的基本概念1. 自动化的定义自动化是指利用现代科学技术，通过对被控对象的监测、计算、判断和操作，实现对被控对象的控制，从而使其在规定的条件下完成一定的任务。
2. 自动化系统的组成自动化系统通常包括输入、处理和输出三个基本部分。
输入部分负责采集被控对象的信息，处理部分负责对输入的数据进行处理和判断，输出部分负责根据处理结果对被控对象进行控制。
3. 自动化的特点自动化具有以下几个特点：•自动化可以提高生产效率和质量，降低成本。
通过自动化技术，可以实现对生产过程的精确控制，减少人为因素对生产质量的影响，提高产品的合格率和一致性。
•自动化可以提高安全性和稳定性。
自动化系统可以对危险和复杂的工作进行替代，减少人员的伤害风险，提高工作的稳定性和可靠性。
•自动化可以实现对大规模和复杂系统的管理。
自动化系统可以对大量的数据进行监测和处理，实现对系统的全面管理和控制。
•自动化可以提高人的工作环境和工作负担。
通过自动化系统可以对一些重复性和繁琐的工作进行自动化处理，减轻人员的工作压力，提高工作的舒适性和效率。
三、自动化学科的发展历程1. 自动化学科的起源自动化学科的起源可以追溯到工业革命时期。
当时，人们开始使用机器来替代人力进行生产，从而提高生产效率。
这标志着自动化技术的开始。
2. 自动化学科的发展阶段自动化学科的发展可以分为以下几个阶段：•机械自动化阶段：在这个阶段，机械设备被广泛应用于工业生产，并实现了一定程度的自动化。
•电气自动化阶段：随着电气技术的发展，人们开始使用电气设备来实现自动化控制，提高了控制的精度和可靠性。
•电子自动化阶段：随着电子技术的发展，人们开始使用电子设备来实现自动化控制，同时引入了数字计算技术，提高了控制系统的灵活性和可编程性。
自动化学科概论公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
基础知识层 知识域： 数理基础
机电基础、计算机基础
第16页
知识体系由三层知识构成，包括十个知识领域： 基础知识层：三个知识领域，
数理基础、机电基础、计算机基础
控制知识层：含六个知识领域，分别为 传感与检测（或信息获取）、 网络与通信（或信息传播）、 计算与处理（或信息处理）、 控制与智能（或信息控制）、 执行与驱动（或信息应用）、 对象与建模；
知识域： 控制与智能
知识元： 控制理论 可靠性与容错 人工智能 人机控制等等
+
控制器
-
知识域： 执行与驱动
知识元： 机电汽液驱动 自动化仪表 光机电一体化 电力电子等等
知识域： 对象与建模
知识元： 建模、系统辨识 电机原理与传动 机械原理与结构 机器人原理等等
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
① 长远目的：使每一位学生未来都能成为自动 化工程师或科学家；
② 近期目的：通过四年自动化专业教育培养， 使每一位学生都具备自动化工程师或科学 家基本素质、基本能力和基本完整知识结 构。
第32页
总要求
具 体 要求
知识要 工具性知识、人文社会科学基础知识、 求 自然科学基础知识、工程技术基础知
识、自动化专业知识。
物质、能量层
信息应用
物质对象
信息获取
第9页
⑶ 从数字量与模拟量角度 看负反馈闭环控制结构
计算机（控制）
+
控制器
D/A
-
信号处理 A/D
数字量
广义的被控对象
执行器 对 象
传感器
模拟量
第10页
⑷ 从子系统角度 来看基本负反馈闭环控制结构
及其等效图 广义控制器（广义执行器）
自动化概论PPT课件(38页)
“Present Developments in Control Applications”， 德国
课程基本情况
学时：27 作业：（无） 成绩评定：
平时（考勤）30% 期末考查（开卷笔试）70%
专业的前身
工业企业电气化及自动化专业 （简称工企专业 ）
工业电气自动化专业 工业自动化专业
生产过程自动化 仪表自动化
自动化概论
本课程的主要内容
1.自动化的概念和发展简史 2.自动控制系统的类型和组成 3.基本的控制方法 4.控制和自动化的应用范畴 5.控制和自动化的展望 6.自动化专业概览
教材与参考书
[1] 西安交大万百五主编《自动化（专业）概论》（第二版），武 汉理工大学出版社，2005年。
[2] 电子书《信息爆炸时代的控制》——关于控制、动力学和系统 未来方向的专家小组报告，2003年。
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
自动化与工业化、信息化、知识化的关系社 会来自机械化（应用机器系统）
电气化（加入电机、网络）
工业化
自动化（加入自动控制器）
总
数字化（应用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）
信息化
发 先进自动化（系统、管理）
展 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志
（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）
（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
课程基本情况
学时：27 作业：（无） 成绩评定：
平时（考勤）30% 期末考查（开卷笔试）70%
专业的前身
工业企业电气化及自动化专业 （简称工企专业 ）
工业电气自动化专业 工业自动化专业
生产过程自动化 仪表自动化
自动化概论
本课程的主要内容
1.自动化的概念和发展简史 2.自动控制系统的类型和组成 3.基本的控制方法 4.控制和自动化的应用范畴 5.控制和自动化的展望 6.自动化专业概览
教材与参考书
[1] 西安交大万百五主编《自动化（专业）概论》（第二版），武 汉理工大学出版社，2005年。
[2] 电子书《信息爆炸时代的控制》——关于控制、动力学和系统 未来方向的专家小组报告，2003年。
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
自动化与工业化、信息化、知识化的关系社 会来自机械化（应用机器系统）
电气化（加入电机、网络）
工业化
自动化（加入自动控制器）
总
数字化（应用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）
信息化
发 先进自动化（系统、管理）
展 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志
（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）
（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
自动化专业介绍ppt课件(18页)
薪资水平
自动化专业人才在就业市 场上具有较高的竞争力， 薪资水平相对较高。
主要就业方向介绍
工业控制方向
从事工业生产过程中的 自动化控制、工艺流程 设计、设备维护等工作
。
智能家居方向
从事智能家居系统设计 、开发、调试和维护等
工作。
机器人方向
从事机器人研发、设计 、应用和推广等工作。
电力系统方向
从事电力系统自动化、 继电保护、电气传动等
控制系统的设计方法
03
包括PID控制、模糊控制等。
03
自动化专业核心课程
自动控制原理
1 2
自动控制系统的基本概念
介绍自动控制系统的组成、工作原理、性能指标 等。
线性控制系统分析
讲解线性控制系统的时域分析、频域分析方法。
3
控制系统设计
介绍控制系统设计的基本原则、方法，以及优化 控制策略。
现代控制工程
工作。
职业规划与发展建议
明确职业目标
根据自己的兴趣和特长，选择适合自己的职业方 向，并制定相应的职业目标。
积累实践经验
积极参加实践活动和项目经验，积累实践经验和 项目经验，为未来的职业发展打下基础。
ABCD
提升技能水平
不断学习和掌握新技术、新方法，提高自己的技 能水平和综合素质。
加强团队协作
在工作中注重团队协作和沟通，与同事保持良好 的合作关系，共同推动项目的进展和成果。
随着人们对智能家居的需求增加，家 居自动化市场将逐渐扩大，相关的自 动化专业人才需求也将增加。
技术挑战与创新方向
人工智能技术
人工智能技术将在自动化领域发挥越来越重要的作用，如何将人工智能技术与自动化专业 相结合，将是未来的一个重要研究方向。
自动化学科概论-第2章
仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞
自动化学科概论-第2章
“自动化”的定义： 自动化是指机器设备（扩展到生产、管理过程）
在没有人直接参与的情况下，
经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制 实现预期的目标
自动化的核心是“控制” 进一步扩展到经济系统、生态系统等
自动化学科概论-第2章
自动化技术的两方面：
展
智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
知识化
自动化学科概论-第2章
工业化与信息化的关系图
工业化
（工业化基础）机械化
物
质
•
（能量流）电气化
能
量
自动化
（基础自动化）
信息化
计算机化（信息化基础）
信 网络化（信息流）
息 系统化 （先进自动化）
自动化学科概论-第2章
自动化的重要性
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化学科概论-第2章
自动化工厂
自动化学科概论-第2章
(3) 自动化的作用与重要性
※基本作用（传统观念）
——比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品， 质量越来越好，价格越来越低。
——把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）
自动化学科概论-第2章
2.1.4 自动化在信息化建设中的作用与地位
自动化与信息化的关系
信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业
仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：
一定要在工业化的基础上 数字化（大规模使用数字计算机）
网络化（实现计算机网络） 先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成了（工业）信息化
自动化学科概论-第2章
“自动化”的定义： 自动化是指机器设备（扩展到生产、管理过程）
在没有人直接参与的情况下，
经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制 实现预期的目标
自动化的核心是“控制” 进一步扩展到经济系统、生态系统等
自动化学科概论-第2章
自动化技术的两方面：
展
智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
知识化
自动化学科概论-第2章
工业化与信息化的关系图
工业化
（工业化基础）机械化
物
质
•
（能量流）电气化
能
量
自动化
（基础自动化）
信息化
计算机化（信息化基础）
信 网络化（信息流）
息 系统化 （先进自动化）
自动化学科概论-第2章
自动化的重要性
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化学科概论-第2章
自动化工厂
自动化学科概论-第2章
(3) 自动化的作用与重要性
※基本作用（传统观念）
——比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品， 质量越来越好，价格越来越低。
——把人从繁重、危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查、消防救火、 无人侦察机、导弹（无人）
自动化学科概论-第2章
2.1.4 自动化在信息化建设中的作用与地位
自动化与信息化的关系
信息化特点：不单指工业，包含第一、三产业
仅从工业的角度，信息化发展也可分三阶段：
一定要在工业化的基础上 数字化（大规模使用数字计算机）
网络化（实现计算机网络） 先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成了（工业）信息化
自动化专业概论开篇课件-PPT
➢ 随动(Servo,伺服） 给定信号是预先未知、随时间变化 火炮打飞机、天文望远镜
➢ 程序控制 按照预定的程序（时间顺序）来控制 可编程控制器（Program Logic Controller，PLC）
➢ 控制系统的组成 被控对象、执行机构、控制器、 给定、反馈、比较、
自动化仪表 ➢ 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动
➢ 自适应控制（Adaptive Control） 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反馈控制器的特性，以保持良 好的工作品质。 解决控制对象未知、变化的问题 系统辨识＋在线控制器设计
返回
➢遥测、遥控和遥感
遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就 是对被控对象进行远距离控制。遥感就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。
➢ 控制（Control）
指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到 系统的作用。 宏观：经济发展，人口控制。微观：日常生活中。
➢ 自动化与控制的区别 自动化：指设备、过程或系统等具体物理对象的“自动”运行。 控制：指为达到目标而采用的方法与手段，应用范围比自动化广，自动化 的核心是信息、控制和系统。 属性：自动化属技术科学，控制属基础科学
➢智能控制（Intelligent Control)
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。按照这些思路已经研究出一 些智能控制的理论和技术：
东北大学 自动化专业概论PPT课件 2
1945年，美国数学家、控制理 论专家N.维纳把反馈的概念推广到 生物等一些控制系统。 1948年他出版了名著《控制论》一 书，为控制理论的发展奠定了基础。
1954年，中国科学家钱学森全面地 总结和提高了经典控制理论，在美 国出版了用英语撰写的、在世界上 很有影响的《工程控制论》 (Engineering Cybernetics)一书。
2.2 我国古代自动装置
⑴ 指南车
齿轮系
车辆 转弯 车身 木人 方向
图2.3
指南车方向自动装置框图
⑵ 铜壶滴漏 ⑶ 饮酒速度的自动调节 ⑷ 计里鼓车 ⑸ 漏水转浑天仪 ⑹ 候风地动仪
⑺ 水运仪象台
2.3 控制和自动化技术发展简史
控制和自动化技术的发展经历 了四个历史时期。
2.3.1 自动装置的出现和应用(18世 纪以前)
进汽 蒸汽源
+
转速 蒸汽 负荷 测 量
-
离心式 调速器
图2.4
对象和调节器形成调节系统
⑶ 反馈控制和频率法
输入变量 + 误差 调节器 控制量 输出变量 （控制器） 前向通道 被控对象 （给定规律） 反馈通道
图2.5
反馈调节（控制）系统
2.3.3 局部自动化时期(20世纪40～50年代) 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。
⑹ 模式识别和人工知能 使用 电子数字计算机并使它能直接接受 和处理各种自然的模式 消息，如语 言、文字、图像、景物等，称为 “模式识别”，如对汽车牌照的识 别以控制和管理交通，对指印的识 别以甄别罪犯，对汉字的识别以实 现办公自动化等。
自动化学科概论-第4章
机遇
同时，自动化学科也迎来了前所未有的发展机遇，如人工智能、物联网、大数据 等技术的融合应用为自动化学科的发展提供了广阔的空间和无限的可能。
THANKS
感谢观看
自动化学科的发展
自动化学科起源于20世纪初的控制论和系统工程，随着计算机技术的发展和普 及，自动化学科在20世纪后半叶得到了迅速的发展。目前，自动化学科已经成 为工程领域中最重要、最活跃的学科之一。
自动化学科的研究领域
控制理论与控制工程
研究控制系统的建模、分析、设计 和优化，包括线性系统、非线性系
信息的基本概念
包括信息的定义、度量和性质等。
信道编码理论
研究信息在信道中传输时如何进行有效的 编码和解码，以提高信息传输的可靠性和 效率。
信息论在控制系统中的应用
信息论与其他学科的交叉
探讨信息论在控制系统设计和分析中的应 用，如最优控制、鲁棒控制等。
介绍信息论与计算机科学、通信科学等其 他学科的交叉融合和应用前景。
家庭安防系统
应用自动化技术对家庭安全进行实时监控和报警，保障家庭安全。
智能家居服务机器人
提供家务助理、娱乐陪伴等智能化服务，提高家居生活的便利性和 舒适性。
05
自动化学科的未来发展
人工智能与自动化学科的融合
1 2
深度学习在自动化控制中的应用
通过深度学习算法，实现对复杂系统的建模与控 制，提高自动化系统的智能化水平。
重要贡献。
02
自动化学科的核心理论
控制理论
控制系统的基本概念
包括开环控制和闭环控制，以及控制系统的 组成要素。
控制系统的稳定性分析
研究系统稳定性的判据和方法，如劳斯判据、 奈奎斯特判据等。
控制系统的数学模型
同时，自动化学科也迎来了前所未有的发展机遇，如人工智能、物联网、大数据 等技术的融合应用为自动化学科的发展提供了广阔的空间和无限的可能。
THANKS
感谢观看
自动化学科的发展
自动化学科起源于20世纪初的控制论和系统工程，随着计算机技术的发展和普 及，自动化学科在20世纪后半叶得到了迅速的发展。目前，自动化学科已经成 为工程领域中最重要、最活跃的学科之一。
自动化学科的研究领域
控制理论与控制工程
研究控制系统的建模、分析、设计 和优化，包括线性系统、非线性系
信息的基本概念
包括信息的定义、度量和性质等。
信道编码理论
研究信息在信道中传输时如何进行有效的 编码和解码，以提高信息传输的可靠性和 效率。
信息论在控制系统中的应用
信息论与其他学科的交叉
探讨信息论在控制系统设计和分析中的应 用，如最优控制、鲁棒控制等。
介绍信息论与计算机科学、通信科学等其 他学科的交叉融合和应用前景。
家庭安防系统
应用自动化技术对家庭安全进行实时监控和报警，保障家庭安全。
智能家居服务机器人
提供家务助理、娱乐陪伴等智能化服务，提高家居生活的便利性和 舒适性。
05
自动化学科的未来发展
人工智能与自动化学科的融合
1 2
深度学习在自动化控制中的应用
通过深度学习算法，实现对复杂系统的建模与控 制，提高自动化系统的智能化水平。
重要贡献。
02
自动化学科的核心理论
控制理论
控制系统的基本概念
包括开环控制和闭环控制，以及控制系统的 组成要素。
控制系统的稳定性分析
研究系统稳定性的判据和方法，如劳斯判据、 奈奎斯特判据等。
控制系统的数学模型
自动化专业概论第5章
实际柔性制造生产线
5.2.3 计算机集成制造系（CIMS）
计 算 机 集 成 制 造 系 统 是 (Computer Integrated Manufacturing Systems)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，把各种分散的自动 化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的 生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品 开发制造周期、提高产品质量、提高生产率、提 高企业的应变能力和竞争能力。
⑵ 在机床和装卡工位之间运送零件和刀具 的传送系统；
⑶ 发布指令，协调机床、工件和刀具传送 装置的监控系统；
⑷ 中央刀具库及其管理系统；
⑸ 自动化仓库及其管理系统。
工厂主计算机
夹具站
中央管理和控制 计算机
物流控制装置
信息传输
网
中 央
CNC 机床
机器人
制 CNC 造 机床
机器人
单
刀
元
具
自 动 化 仓 库
售后服务信息
市场信息
计算机辅助 质量保障系统
原材料
管理与决策 支持系统
自动化设计系统 （CAD/CAM等）
自动化制造系统 （加工中心、FMS等）
产品
技术信息
数据传输网络系统
分布式数据库系统
图5.3 计算机集成制造系统组成框图
⑴ 设计功能
包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助 制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)、计算 机辅助工艺过程设计(CAPP)等。
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自动控制系统动态过程常见形式：
⑴单调收敛过程 ⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程 ⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
自动控制系统的基本性能
⑴ 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 准确性
对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就 是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行 的。
单变量控制系统——只有一个输入量和一个输 出量的控制系统
多变量控制系统——有多于一个输入量或多于 一个输出量的控制系统
混合槽液位控制系统
多变量控制系统用状态空间方法描述 解耦控制对解决多变量控制系统控制问 题最具价值
非线性系统是指含有非线性元件的系统， 需用非线性微分方程或状态方程描述。
典型非线性特性
实验法--把需建模的对象看成为一个“黑箱”
复杂系统的建模，会存在更多的困难：
⑴ 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象， 不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达 式去描述。
⑵ 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微 分方程或大维数的状态方程。
⑶ 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统 的模型应为变参数微分方程。
电动机的控制是多回路控制的典型例子。
1. 速度闭环控制调速系统 2. 双闭环控制调速系统
3. 位置随动系统
控制规则的确定是控制器设计的核心
⑴ 比例控制 ⑵ 比例+积分控制 ⑶ 比例+微分控制
在实际的自动控制系统中，为保持系统具 有良好的动态特性和静态特性，往往使控制 器同时具有比例、微分、积分控制作用，构 成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I （积分）D（微分）控制。
“开环传递函数”。
复合控制 复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)
能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利 影响，而反馈控制能保证系统的高精度。 这是一种得到广泛应用的控制形式。
单回路控制——具有一个闭合环路的控制
多回路控制——具有多个控制器、多个反馈闭 合环路
用简单的一个闭合环路控制往往不能得到 好的控制系统特性，必须采用具有多个控制器、 多个反馈闭合环路的多回路控制。
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)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 (5)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 (6)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
饱和特性
死区特性
带滞环的继电特性
非线性控制系统与线性系统相比的特点：
⑴线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参 数，与系统的初始条件以及外加输入无关。
⑵ 对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振 幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称 为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。
自动控制理论从三个方面对自动控制系统 进行研究和阐述：
⑴ 系统的模型
⑵ 系统的分析
⑶ 控制系统的综合
不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术
第3章 自动化的基本原理
3.2.1 被控对象的类型 3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法 3.2.3 复杂系统建模的困难
⑷ 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏
微分方程描述。
第3章 自动化的基本原理
3.3.1 自动控制系统的基本性能要求 3.3.2 开环控制与闭环控制 3.3.3 单回路控制与多回路控制 3.3.4 基本控制规则 3.3.5 单变量控制与多变量控制 3.3.6 非线性系统控制及其困难
一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到 一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过 程称为动态，处于平衡状态时称为静态。
工程技术领域的被控对象不同的分类法
（1）按被控对象的特性可分为线性和非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常和时变 （3）按系统传输信号的性质可分为连续系统和 离散系统
（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为 恒值控制系统和随动控制系统
建立被控对象数学模型的方法主要有解析法 和实验法两种。
解析法--建立起输制是按信号的传递路 径来区分的两种不同的控制形式。
1. 开环控制
扰动补偿控制，也称为“前馈控制”
2. 闭环系统
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。
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真 正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控 制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕 反馈控制来研究自动控制系统的。
自动化学科概论 第3章 自动化的基本原理
自动化学科概论
3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论 3.2 被控对象及其数学模型的建立 3.3 自动控制基本原理 3.4 数字控制及计算机控制系统 3.5 自动化基本设备 3.6 小结
第3章 自动化的基本原理
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。
液位自动控制系统
y yr y
y 即为液位偏差信号，假设
H(s)=1,则系统输出y为 y G(s) Gk (s) y
最后可得：
y G(s) Gk (s) (s)
yr 1 G(s) Gk (s)
(s) 表示了整个系统输出与输入之间
的传递关系，称为系统的“闭环传递函
数”，而把G(s) Gk (s) 称为系统的
“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。
简单的水箱液位控制
水箱液位自动控制系统
一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：
非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法
在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法
各种智能控制方法
第3章 自动化的基本原理
⑴单调收敛过程 ⑵单调发散过程
⑶衰减振荡过程 ⑷等幅振荡过程
⑸发散振荡过程
自动控制系统的基本性能
⑴ 稳定性 与稳定性相关，还可以用平稳性来衡量一个
控制系统过渡过程的好坏。 ⑵ 快速性 ⑶ 准确性
对自动控制系统的研究(包括分析、综合)就 是从动态、静态两方面围绕上面三个特性进行 的。
单变量控制系统——只有一个输入量和一个输 出量的控制系统
多变量控制系统——有多于一个输入量或多于 一个输出量的控制系统
混合槽液位控制系统
多变量控制系统用状态空间方法描述 解耦控制对解决多变量控制系统控制问 题最具价值
非线性系统是指含有非线性元件的系统， 需用非线性微分方程或状态方程描述。
典型非线性特性
实验法--把需建模的对象看成为一个“黑箱”
复杂系统的建模，会存在更多的困难：
⑴ 对于大范围变化或非线性特性强烈的对象， 不能进行线性近似，必须用精确非线性的数字表达 式去描述。
⑵ 对于变量多的系统，其数学模型将是高阶微 分方程或大维数的状态方程。
⑶ 实际系统的参数经常不是固定不变的，系统 的模型应为变参数微分方程。
电动机的控制是多回路控制的典型例子。
1. 速度闭环控制调速系统 2. 双闭环控制调速系统
3. 位置随动系统
控制规则的确定是控制器设计的核心
⑴ 比例控制 ⑵ 比例+积分控制 ⑶ 比例+微分控制
在实际的自动控制系统中，为保持系统具 有良好的动态特性和静态特性，往往使控制 器同时具有比例、微分、积分控制作用，构 成比例+积分+微分控制，或称为P（比例）I （积分）D（微分）控制。
“开环传递函数”。
复合控制 复合控制系统中的补偿控制(前馈控制)
能及时地抵消可测扰动量对被控量的不利 影响，而反馈控制能保证系统的高精度。 这是一种得到广泛应用的控制形式。
单回路控制——具有一个闭合环路的控制
多回路控制——具有多个控制器、多个反馈闭 合环路
用简单的一个闭合环路控制往往不能得到 好的控制系统特性，必须采用具有多个控制器、 多个反馈闭合环路的多回路控制。
(1)被控对象 控制系统所要控制的设备或过程 (2)给定环节 产生给定输入信号的环节 (3)测量环节 随时将被控制量检测出来的装置 (4)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 (5)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 (6)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
饱和特性
死区特性
带滞环的继电特性
非线性控制系统与线性系统相比的特点：
⑴线性系统的稳定性完全取决于系统的结构及其参 数，与系统的初始条件以及外加输入无关。
⑵ 对于非线性系统而言，发生并维持一定频率和振 幅的稳定的周期运动完全是可能的，通常把这种运动称 为自激振荡，并在信号发生器等场合得以有效应用。
自动控制理论从三个方面对自动控制系统 进行研究和阐述：
⑴ 系统的模型
⑵ 系统的分析
⑶ 控制系统的综合
不同特色的理论和技术体系 (1)经典控制理论 (2)现代控制理论 (3)大系统理论和智能控制技术
第3章 自动化的基本原理
3.2.1 被控对象的类型 3.2.2 建立被控对象数学模型的基本方法 3.2.3 复杂系统建模的困难
⑷ 实际系统的参数往往是分布的，这时要用偏
微分方程描述。
第3章 自动化的基本原理
3.3.1 自动控制系统的基本性能要求 3.3.2 开环控制与闭环控制 3.3.3 单回路控制与多回路控制 3.3.4 基本控制规则 3.3.5 单变量控制与多变量控制 3.3.6 非线性系统控制及其困难
一个自动控制系统从原来的平衡状态过渡到 一个新的平衡状态，两个平衡状态之间的过渡过 程称为动态，处于平衡状态时称为静态。
工程技术领域的被控对象不同的分类法
（1）按被控对象的特性可分为线性和非线性 （2）按被控对象结构参数可分为定常和时变 （3）按系统传输信号的性质可分为连续系统和 离散系统
（4）按系统期望输出信号的变化规律还可分为 恒值控制系统和随动控制系统
建立被控对象数学模型的方法主要有解析法 和实验法两种。
解析法--建立起输制是按信号的传递路 径来区分的两种不同的控制形式。
1. 开环控制
扰动补偿控制，也称为“前馈控制”
2. 闭环系统
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。
按负反馈原理组成的闭环控制系统才是真 正意义上的自动控制系统，反馈控制是自动控 制最基本的形式，自动控制理论主要就是围绕 反馈控制来研究自动控制系统的。
自动化学科概论 第3章 自动化的基本原理
自动化学科概论
3.1 自动化、自动控制系统与自动控制理论 3.2 被控对象及其数学模型的建立 3.3 自动控制基本原理 3.4 数字控制及计算机控制系统 3.5 自动化基本设备 3.6 小结
第3章 自动化的基本原理
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。
液位自动控制系统
y yr y
y 即为液位偏差信号，假设
H(s)=1,则系统输出y为 y G(s) Gk (s) y
最后可得：
y G(s) Gk (s) (s)
yr 1 G(s) Gk (s)
(s) 表示了整个系统输出与输入之间
的传递关系，称为系统的“闭环传递函
数”，而把G(s) Gk (s) 称为系统的
“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。
简单的水箱液位控制
水箱液位自动控制系统
一个典型的自动控制系统由下列基本部分组成：
非线性控制系统的分析方面 相平面法 描述函数法
在非线性系统的综合方面 基于几何方法的反馈线性化方法 基于微分代数的代数方法
各种智能控制方法
第3章 自动化的基本原理