,自動化專業(yè)概論,Introduction to Automation,主 講：黃從智 辦 公 室：主樓E0521 電 話：61772820 Email：hcz190,課程目標,解答如下問題： 1，自動化的歷史 、現(xiàn)在和未來 ？ 2，自動化的研究內容、應用領域？ 3，自動化專業(yè)的學習內容、就業(yè)前景？ 4，如何學好自動化專業(yè)？,基礎課和專業(yè)課之間的橋梁。,主要內容-Content,緒 論 自動化發(fā)展簡史 自動控制系統(tǒng)專題 自動化專題 工業(yè)自動化專題 火電廠自動化專題 自動化專業(yè)專題 自動化展望及復習,第二講 自動化發(fā)展簡史,黃從智,自動化專業(yè)概論,hcz190,第二講 自動化發(fā)展簡史,自動化發(fā)展簡史,自動化教育、科研機構、學術團體,古代自動化裝置,自動化期刊、國際會議,一些重要術語,古代自動化裝置,自動控制思想及其實踐可以說歷史悠久。它是人類在認識世界和改造世界的過程中產生的，并隨著社會的發(fā)展和科學水平的進步而不斷發(fā)展。 早在公元前300年，古希臘就運用反饋控制原理設計了浮子調節(jié)器，并應用于水鐘中。,古希臘水鐘,上水箱,中水箱,下水箱,提供水源,穩(wěn)定液位,用于計時,浮子,古希臘水鐘原理,1，由上中下三個水箱構成；2，上水箱提供水源；3，中水箱穩(wěn)定液位；4，下水箱用于計時；5，中水箱上面的浮子是個調節(jié)機構，形成了反饋控制；6，當中水箱液位升高時，浮子上升，上水箱流出的水量減少，導致液位下降；7，當中水箱液位降低時，浮子下降，上水箱流出的水量增加，導致液位上升；8，最終中水箱液位穩(wěn)定在某一穩(wěn)定值附近；9，由于中水箱液位比較穩(wěn)定，流出中水箱的水量基本恒定，下水箱的液位會隨時間成比例地增加，從而可通過刻度指示時間。,同樣早在1000多年前，我國古代先人們也發(fā)明了銅壺滴漏計時器、主要由幾個銅水壺組成，又叫“漏壺”。除了最底下的那個，每個壺的底部都有一個小眼。水從最高的壺里，經過下面的各個壺滴到最低的壺里，滴得又細又均勻。最低的壺里有一個銅人，手里捧著一支能夠浮動的木箭，壺里水多了，木箭浮起來，根據它上面的刻度，就可以知道時間。,銅壺滴漏-中國古代自動計時裝置,銅壺滴漏,指南車-自動指示方向,自報行車里程,計里鼓車,V合適時,吸入飲酒者中的酒,V變大時,V變小時,V繼續(xù)變小,V變大,V恢復為合適速度,酒杯中的酒,飲酒管,保持均勻飲酒速度,公元2世紀，中國東漢的天文學家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動的水運渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實現(xiàn)天體運行的自動仿真。,張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖,漏水轉渾天儀,檢測地震信號的大小和方向,候風地動儀-世界上第一臺測定地震方位的儀器,公元1088年，中國蘇頌等人把渾儀（天文觀測儀器）、渾象（天文表演儀器）和自動計時裝置結合在一起建成了水運儀象臺。,水運儀象臺,一些重要術語,系統(tǒng)與控制,反饋、調節(jié)與決策,科學、技術與工程,數據、信息、知識與智能,科學、技術與工程,科學(Science)：對各種事實和現(xiàn)象進行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計算和實驗，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并對各種定量規(guī)律予以驗證和公式化的知識體系。,科學的任務：揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律，探求真理，作為人們改造世界的指南。,科學家(Scientist):專門從事科學研究的專家。,科學、技術與工程,科學,自然科學,社會科學,研究物質世界,研究精神世界,基礎科學,技術科學,(數理化、天文學、生物學等),(電工電子、固體力學、流體力學、機械學等),自動化學科屬于技術科學。,科學、技術與工程,技術(Technology)：人類根據生產實踐經驗和自然科學原理改變或控制其環(huán)境的手段和活動，是人類活動的一個專門領域。,技術的任務：利用和改造世界，以其生產的產品為人類服務。,技術家(Technologist):專門從事技術工作的 專家。如工程師、農藝師、醫(yī)師等。,科學、技術與工程,技術,工程技術,農業(yè)技術,醫(yī)療技術,(機械、電氣、能源、動力、化工、土木、計算機等),(種植、畜牧、造林、園藝等),自動化學科屬于工程技術。,(中醫(yī)、西醫(yī)、臨床等),科學、技術與工程,工程(Engineering)：應用科學知識使自然資源最好地為人類服務的一項活動。,工程也指具體的科研或建設項目，如三峽工程、發(fā)電廠工程等。,工程師(Engineer):專門從事工程活動的 專家，也是一種技術家。,工程不等同于技術，還受到政治、經濟、法律、美學等非技術方面的影響。技術存在于工程之中。,科學、技術與工程,科學家的任務是如何認識，因而可選擇自己感興趣的研究課題。,工程師的任務是如何實現(xiàn)，必須解決面臨的實際問題。,工程問題受到多方面因素的制約，工程師須在多種可能方案中作出選擇，謀求最可靠、最經濟的解決方法。,三峽水電站工程,系統(tǒng)與控制,系統(tǒng)(System)：由相互關聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。,如構成系統(tǒng)的組成部分本身也是系統(tǒng)，則稱之為子系統(tǒng)。,對于一個具體的系統(tǒng)，,系統(tǒng)環(huán)境：系統(tǒng)以外的部分。,系統(tǒng)邊界：系統(tǒng)與系統(tǒng)環(huán)境的分界。,系統(tǒng)與控制,系統(tǒng)輸入：系統(tǒng)環(huán)境對系統(tǒng)的作用。,系統(tǒng)輸出：系統(tǒng)對系統(tǒng)環(huán)境的作用。,系統(tǒng)輸入,系統(tǒng)輸出,系統(tǒng),環(huán)境,系統(tǒng)邊界,系統(tǒng)工程：研究大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)。,系統(tǒng)與控制,控制(Control)：為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。,所有系統(tǒng)分為可控系統(tǒng)和不可控系統(tǒng)。不可控系統(tǒng)無法進行人工控制、干預；可控系統(tǒng)可進行人工控制、干預。,反饋、調節(jié)與決策,反饋(Feedback)：將系統(tǒng)的實際輸出與期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據。,反饋,正反饋 Positive Feedback,負反饋 Negative Feedback,(反饋信息使系統(tǒng)輸出的誤差逐漸增大),(反饋信息使系統(tǒng)輸出的誤差逐漸減少),反饋、調節(jié)與決策,調節(jié)(Regulation)：通過系統(tǒng)的反饋信息自動校正系統(tǒng)的誤差，使諸如溫度、速度、壓力或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內的過程。,調節(jié)：以反饋為基礎。,控制,閉環(huán)控制：以反饋為基礎。,開環(huán)控制：無反饋。,反饋、調節(jié)與決策,決策(Decision Making)：為最優(yōu)地達到目標，對若干準備行動的方案進行選擇。,如何科學地進行決策是各項工作順利開展的重要保證，也是本學科近年來研究和發(fā)展的新領域之一。,Data, Information, Knowledge, Intelligence,Data, Information, Knowledge, Intelligence,Knowledge,Information,Data,房間溫度 32,理想溫度 23,房間溫度高,通風量不足,溫度高原因,Intelligence,解決溫度 高的辦法,增大通風量,Data,Information,Knowledge,Intelligence,Data, Information, Knowledge, Intelligence,公元1788年 J. Watt發(fā)明離心式調速器，并將其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)。,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）。這迫使一些數學家從理論上來加以研究，提出多種穩(wěn)定性判據。,1868 年英國物理學家J.Maxwell用微分方程描述并總結了調節(jié)器的理論。 1877年英國數學家Routh提出Routh判據； 1895年德國數學家A.Hurwitz提出Hurwitz判據； 1892年俄國數學家A.Lyapunov提出穩(wěn)定性的嚴格數學定義并發(fā)表專著，至今他的穩(wěn)定性理論仍是研究分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法。,控制理論發(fā)展簡史,第一階段是四十年代末到五十年代的經典控制論時期，著重研究單機自動化，解決單輸入單輸出（SISO-Single Input Single Output）系統(tǒng)的控制問題； 主要數學工具是微分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數； 主要研究方法是時域法、頻域法和根軌跡法； 主要問題是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。,控制論發(fā)展三階段,控制論的奠基人,1945年，美國數學家諾伯特維納(Norbert Wiener)把反饋的概念推廣到生物等一切控制系統(tǒng)。1948年，維納出版名著 (CYBERNETICS)一書，標志著控制論正式誕生。,錢學森 (Tsue Shen Tsian),工程控制論，1954 (Engineering Cybernetics),中國自動控制的學術泰斗,第二階段是六十年代的現(xiàn)代控制理論時期，著重解決機組自動化和生物系統(tǒng)的多輸入多輸出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系統(tǒng)的控制問題； 主要數學工具是一次微分方程組、矩陣論、狀態(tài)空間法等等； 主要方法是變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃理論等； 重點是最優(yōu)控制、隨機控制和自適應控制； 核心控制裝置是電子計算機。,控制論發(fā)展三階段,電子計算機,1992年我國自行研制的銀河II巨型機。,1946年2月15日，世界上第一臺通用電子數字計算機“埃尼阿克 ”面世。,第三階段是七十年代的大系統(tǒng)理論時期，著重解決生物系統(tǒng)、社會系統(tǒng)這樣一些眾多變量的大系統(tǒng)的綜合自動化問題； 方法是時域法為主； 重點是大系統(tǒng)多級遞階控制； 核心裝置是網絡化的電子計算機。,控制論發(fā)展三階段,從控制論的觀點看，人是最巧妙，最靈活的控制系統(tǒng)。它善于根據條件的變化而作出正確的處理。如何將人的智能應用于實際的自動控制系統(tǒng)中，這是個有重要意義的問題。 七十年代開始，人們不僅解決社會、經濟、管理、生態(tài)環(huán)境等系統(tǒng)問題，而且為解決模擬人腦功能，形成了新的學科-人工智能科學，這是控制論的發(fā)展前沿。,計算機技術的發(fā)展為人工智能的發(fā)展提供了堅實的基礎。人們通過計算機的強大的信息處理能力來開發(fā)人工智能，并用它來模仿人腦。在沒有人的干預下，人工智能系統(tǒng)能夠進行自我調節(jié)、自我學習和自我組織，以適應外界環(huán)境的變化，并作出相應的決策和控制。,智能控制 (Intelligent Control),將人工智能引入到自動控制系統(tǒng)中，形成智能控制系統(tǒng)。 特點：具有智能，能解決一些以往的自動控制技術解決不好或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、模糊邏輯控制和人工神經網絡等分別與自動控制和系統(tǒng)工程的一些方法結合，形成一些新的、具有獨特性能的智能自動控制系統(tǒng)。,經典控制、現(xiàn)代控制與智能控制,經典控制主要用于分析線性定常單入單出系統(tǒng)，其分析工具是微分方程或傳遞函數。 現(xiàn)代控制還可以分析非線性時變多入多出系統(tǒng)，其分析工具是狀態(tài)方程和輸出方程。 智能控制是模仿人類智能所構成的一類控制系統(tǒng)，它可以處理各種復雜系統(tǒng)，其求解過程主要依靠搜索、自學習、模擬進化。,經典控制、現(xiàn)代控制與智能控制,應用對象不同：SISO，SISO和MIMO，各種復雜系統(tǒng)。 數學方法不同：微分方程或傳遞函數，狀態(tài)方程和輸出方程，搜索、自學習和模擬進化等； 對被控對象數學模型的要求不同：經典控制和現(xiàn)代控制均需要了解被控對象的數學模型，而智能控制則不需要詳細了解被控對象的數學模型。 控制算法的不同：經典控制和現(xiàn)代控制基于精確的控制算法，而智能控制算法具有隨機性和模糊性。,自動化教育機構,西安、上海、北京交通大學,中國石油大學/北化工/華東理工,東北大學清華大學浙江大學中科大,華北電力大學、東北電力大學、上海電力學院,哈工大、西北工大、北理工,自動化科研機構,中科院自動化所 中科院沈陽自動化所 冶金自動化研究所 機械工業(yè)自動化研究所 天津電氣傳動設計研究所 上海工業(yè)自動化儀表研究所 重慶工業(yè)自動化儀表研究所,自動化學術團體-IFAC,IFAC，全稱International Federation of Automatic Control，國際自動控制聯(lián)合會。網址是： http:/www.ifac-control.org/,1957年9月成立于巴黎，自動控制領域國際性、非政府、非贏利、非政治性的組織，每個國家只能有一個代表組織。中國自動化學會是IFAC創(chuàng)始會員國之一。,IFACs AIMS,Promote control science and technology Advance international collaboration Stimulate research, development and application of automatic control and systems engineering Promote dissemination and exchange of information Stimulate improvement and extension of education,IFAC,Founded September 1957 IFAC Members: National Member Organizations The NMOs represent control engineers from each of the following:,AFRICA,South Africa,AMERICA,Canada USA Argentina Brazil Chile Cuba Mexico Venezuela,AUSTRALIA,Australia,ASIA,China Hong Kong Indonesia Israel Japan Korea Rep. Singapore Vietnam,EUROPE,Austria Belgium Bulgaria Croatia Czech Rep. Denmark Estonia Finland France Germany Greece Hungary Italy Ireland Kosovo,Lithuania Macedonia Netherlands Norway Poland Portugal Romania Russia Slovak Rep. Slovenia Spain Sweden Switzerland Turkey Ukraine United Kingdom,IFAC EVENTS,World Congresses Symposia (the Technical Board defines the Masterplan) Conferences Workshops,Approximately 30 events per year,IFAC Awards,Presented at each Triennial World Congress,THE GIORGIO QUAZZA MEDAL,1981 Prof. John F. Coales 1984 Prof. Iakov Z. Tsypkin 1987 Prof. Karl J. Astrm 1990 Prof. Petar Kokotovic 1993 Prof. Edward J. Davison 1996 Prof. Alberto Isidori Prof. Brian D.O. Anderson 2002 Prof. Lennart Ljung 2005 Prof. Tamer Basar 2008 Prof. Graham Goodwin,THE NATHANIEL NICHOLS MEDAL,1996 Prof. Jrgen Ackermann Prof. Gunter Stein 2002 Dr. Carl Nett 2005 Dr. William F. Powers 2008 Prof. Gerd Hirzinger,IFAC Young Author Prize IFAC Applications Paper Prize IFAC Harold Chestnut Control Engineering Textbook Prize IFAC Poster Paper Prize,AUTOMATICA Paper Prize CONTROL ENGINEERING PRACTICE Paper Prize Journal of PROCESS CONTROL Paper Prize EAAI Paper Prize Mechatronics Journal Paper Prize,INDUSTRIAL ACHIEVEMENT AWARD,2002 Yasuo Ichii, Shoji Murayama and Takahiro Yamasaki Development and Establishment Team for Hot Rolling Technology Kawasaki Steel Corporation 2005 Serge Boverie 2008 Not awarded,IFAC Fellows,The IFAC Fellow Award is given annually to persons who have made outstanding and extra-ordinary contributions in the field of interest of IFAC, in the role as an Engineer/Scientist, Technical Leader, or Educator. The first Fellows were elected at the IFAC World Congress in Prague in July 2005.,IFAC Fellows,The persons distinguished in 2005 were B.D.O. Anderson, J. Ackermann, K.J. Astrm, M. Araki, T. Basar, L. Basanez. J. Benes, J. Bernussou, R.Bitmead. E.J. Davison, J. Gertler, G. Goodwin, R. Isermann, A. Isidori, S. Kahne, P. Kokotovic, H. Kwakernaak, L. Ljung, M. Mansour, C. Nett, A. Niemi, W. Powers, J.A. de la Puente, Y. Sawaragi, W. Schaufelberger, G. Stein, M. Thoma, P. Uronen, T. Vamos, F. L. Xiong In 2006, the following persons were elected IFAC Fellows P. Albertos, M. Athans, J. Balchen, H.F. Chen, S. Engell, W. Findeisen, K. Furuta, M. Gevers, G. Guardabassi, D. Hrovat, P. Ioannou, M. Masten, D. Mayne, T. McAvoy, B. Polyak, T. Soederstroem In 2007, the following persons were elected IFAC Fellows F. Allgoewer, J. Cruz, J.M. Dion, C. Georgakis, H. Khalil, H. Kimura, V. Kucera, I. Landau, Lei Guo, W. Marquardt, E. Mosca, R. Tempo, P. van den Hof, F.Y. Wang In 2008, the following persons were elected IFAC Fellows S. Bittanti, R. Braatz, E. Camacho, X.R. Cao, C. Cassandras, T.Y. Chai, T. Edgar, E. Gottzein, A. Haddad, M. Krstic, A. Kurzhanski, F. Lewis, M. Morari, M. Safonov, A. Vicino,自動化學術團體-IEEE,IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程師協(xié)會，網址是：http:/www.ieee.org/ 成立于1963年，是一個國際性的電子技術與信息科學工程師的協(xié)會，是美國規(guī)模最大的專業(yè)學會，擁有來自175個國家的40萬會員(到2011年)。 在太空、計算機、電信、生物醫(yī)學、電力及消費性電子產品等領域中都是主要的權威。在電氣及電子工程、計算機及控制技術領域中，IEEE 發(fā)表的文獻占了全球將近30%。IEEE每年也會主辦或協(xié)辦三百多項技術會議。,自動化學術團體-CAA,中國自動化學會，Chinese Association of Automation ，簡稱CAA，是中國自動化科學技術工作者組成的全國性學術團體。 網址：,成立于1961年，掛靠中科院自動化所，現(xiàn)有29個省級學會，24個專業(yè)委員會，7個工作委員會，會員數量近3萬人，基本覆蓋了我國自動化科學技術領域的各個層面。,自動化學術期刊-IFAC主辦,Automatic,Control Engineering Practice,Annual Reviews in Control,Engineering Applications of Artificial Intelligence,Journal of Process Control,自動化學術期刊-IEEE主辦,IEEE Control System Magazine,IEEE Control System Technology,IEEE Transactions on Automatic Control,IEEE Transactions on Circuits, and Systems,IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics,自動化學術期刊-其它,Systems & Control Letters,International Journal of Control,Asian Journal of Control,European Journal of Control,IET Control Theory & Applications,自動化學術期刊-國內核心期刊,自動化學報,控制與決策,中國電機工程學報,模式識別與人工智能,信息與控制,控制理論與應用,自動化學術期刊-國內核心期刊,電子學報,計算機學報,系統(tǒng)仿真學報,機器人,系統(tǒng)工程學報,軟件學報,自動化學術會議,IFAC Congress 每三年舉行一次,American Control Conference,IEEE 舉辦或協(xié)辦的國際學術會議,中國控制會議CCC,中國控制與決策會議CCDC,中國過程控制會議CPCC,