自动化知识结构

一、引言

构筑一个学科（专业）的知识大厦中的各部分知识之间肯定是有联系的（绝不是简单的堆垒），而分析一个学科（专业）的知识结构并建立相应的知识体系就是要找出其内在的有机联系，并通过知识之间的关联表述将其清晰地给出，从而使每一位刚接触该学科（专业）的人员都能清晰地和正确地了解，需要掌握哪些知识和为什么要掌握这些知识。

本文从分析自动化学科的基本概念着手，通过深入剖析自动化学科的核心内容及其相互之间的关系，一步一步地尝试勾画自动化学科的完整的知识结构和一目了然的知识体系。

通过本文的分析，还将尝试给出，作为一名自动化专业的本科生，必须具备的基本知识结构和必须掌握的基本知识内容，供参考。

二、自动科学与技术学科的核心内容

自动化始于用机器实现各种自动进行的操作。从最初的控制机器、设备，到控制过程（大到整个化工过程、制药过程、炼钢过程等）、控制系统（大到整个汽车制造系统、交通运输系统、通信系统、经济系统等），自动化科学与技术的发展一方面提高生产力和促进科学技术、社会经济和国防军事的全面发展，另一方面把人从繁重、危险和重复、可程序化的工作中解放出来，以从事更具创造性的劳动。

完成对机器、设备及小型过程、系统的自动操作的控制器，从控制原理上看，最初是开环直接控制的、以后大多数是闭环反馈控制的，最初基于经典控制理论、以后基于现代控制理论，多变量鲁棒控制理论等等；从控制方式（工程实现）上看，最早是机械式的（如瓦特发明的蒸汽机离心式调速器），以后经历了模拟电子式、数字电子式，直到目前的数字计算机式的自动控制器。这样的控制器基本解决了《控制论》中最基本的问题，即如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为。

一个极其简单的自动化电器——烘烤炉的原理如下：把来自温度传感器的信息与控制盘上的信息进行比较，然后接通或断开电源，烘烤炉能使温度自动地保持在合适的范围内。烘烤炉中具备了一个最简单的控制器应包括的检测、执行和计算三部分，它们与工作对象一起构成一个完整的自动化系统——反馈控制系统。反馈控制的原理是，首先检测出实际输出，并与期望输出相比较，然后进行误差补偿，计算出控制量，并用执行器来控制工作对象，使实际输出向期望输出逼近。

前大多使用数字计算机或微处理器构成控制器，来完成控制要求的计算、通讯与各种信息处理，并采用大量的传感器、执行器来获取各种信息和完成各种复杂的操作。一个采用计算机控制的典型自动化系统，除了检测、计算和执行三个

基本部分外，增加了模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换，以便于数字计算机实现控制计算。

而对大型复杂过程、复杂系统的控制（包括优化、管理等），由于其结构、层次的高度复杂性及与人、环境交互的复杂性，除了基本的（反馈）控制以外，需要额外的协调和控制手段。这正是维纳在其《控制论》中明确指出的，控制论是一门新的学科，其研究对象是一个系统的各个不同部分（子系统）之间相互作用的定性性质以及整个系统的总的运动状态。计算机集成制造系（CIMS）的著名递阶控制结构，分成工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层等五层，每一层又可分解为多个部分，构成树状结构，涵盖了从市场预测、计划制订一直到每一个具体设备的控制的全过程。

由上简要分析可知，自动化科学与技术学科的核心研究内容是“如何应用信息（计算机）技术处理各类（复杂）系统的有效控制问题”，其中控制与系统的概念不但是自动化科学与技术与其他科学技术最大的不同点，更是自动化科学对其他许多科学技术发展所作的重要贡献所在。

三、自动化学科的知识结构和知识体系

上面我们为自动化学科的知识大厦首先建立了这样的核心内容框架——控制与系统，并分析了反馈闭环控制是自动控制的最基本形式，（复杂）大系统的协调控制是自动化学科研究的主要问题。

为了加深对这些概念与框架的认识，更为了勾画出自动化学科的知识结构，我们再次分析采用计算机控制的典型自动化系统结构图，实际上也是一个典型的负反馈闭环控制图。为容易看出它的反馈结构，将它画成比较标准的图1。

图1虽然表示的仅仅是一个典型的负反馈闭环控制的结构图，但实际上它深刻地反映了自动化科学与技术学科的许多知识之间的关系与联系。下面将从三方面，对图1表示的负反馈闭环控制结构进行更深入地分析，分析其各部分同自动化学科的知识领域之间的关系，为下一步构筑自动化学科的知识大厦做准备。

图1 负反馈闭环控制结构

1．从反馈与控制的角度看负反馈闭环控制结构正如下面分析的，图1给出的是“反馈”结构，实现的是“控制”功能，通过这样的负反馈闭环控制，能对被控量实行有效的控制。可以说有相当一大部分实际运行的自动化系统（包括大

型复杂系统中的许多子系统）可归纳为图1 所示的典型结构。因此图1 给出的负反馈闭环控制图是自动化控制的本质图、核心图。

2．从信息与物质、能量的角度看负反馈闭环控制结构为了比较容易地看出负反馈闭环控制图反映的信息与物质、能量的关系，对图1 添加上相应的标注使成为图2。在图2 中，左面处理的都是“信息”，而右面则与“物质”、“能量”有关。

图2 从信息与物质、能量的角度来看基本的负反馈闭环控制结构

从信息与物质、能量的角度，整个负反馈闭环控制的过程又可表述为，传感器将反映被控制物质世界对象状态的“物质”与“能量”转换为“信息”（此过程就称为信息获取），经过信息传输、信息处理和信息控制，再经过执行器将“信息”转换为能对被控制对象状态产生作用的“物质”与“能量”，从而改造物质世界。

3．从数字量与模拟量的角度看负反馈闭环控制结构采用数字计算机作为控制器，在任一个负反馈闭环控制中就存在着两种量，在时间轴上连续的“模拟量”与在时间轴上不连续（称为离散）的“数字量”，如图3所示。在图3中，如以模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换为分界线，左面处理的都是数字量，而右面则与模拟量有关。图3虽然只是将负反馈闭环控制划分成了数字量部分与模拟量部分，但实际上反映出了许多深层次的东西，它们是：

图3 从数字量与模拟量的角度来看基本的负反馈闭环控制结构