自動化專業概論自動化教研室

唐耀武1學生關心的問題？

進入“自動化”專業的每個學生，都渴望了解自己所學的專業：

（4）在大學接受高等教育和在中學接受中等教育有何區別，怎樣適應大學的學習生活，怎樣最大限度地調動自己的學習潛力，發揮自己學習上的主動性，發展自己的特長和才華，創造性地進行學習？（3）自己在學校環境里將學到哪些知識，獲得哪些技能，培養哪些能力？（2）學校將通過哪些途徑把自己培養成有什么樣素質的自動化技術人才？（1）自動化專業的性質，它在我國社會主義建設中的作用和地位，自動化技術的當前概貌和它的未來發展；2什么是自動化？

(a)手動控制漫畫(b)自動控制

圖2.1水溫的手動控制和自動控制的示意圖3圖中水溫的操作員要用手（通過感覺）來測試水的溫度，并將此溫度與他要求的值（給定值）相比較（通過大腦）。同時他要決定（通過大腦）：他的手應該朝哪個方向旋轉加溫用的蒸汽閥門和旋轉多大的角度。采用自動控制時上述功能都有各種的元件和儀表來代替。例如，溫度測量元件、控制記錄儀表和調節閥等。4防空導彈制導1-目標跟蹤雷達2-導彈導引雷達3-計算機雷達4-導彈發射架5

各種現代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的，特別用雙雷達控制的防空導彈可以自動跟蹤高空的飛行目標進行命中爆炸（圖2.2）。6

現代社會和現代生活離不開對一些物理量的控制，包括實現對這種控制的自動化。例如公共電網上的電壓是50周、220伏的交流電。為此，在發電廠就要設法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動調壓和自動調頻裝置。在工業生產中，如在化肥廠控制反應釜（塔）內溫度和壓力為恒值，使化學反應速度加快。在機械加工廠金屬切削機床上，經常是控制工件或刀具的轉速為恒值，使產品的質量、產量能提高。而各種現代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的。現代生活中，空調器保持室內溫度為恒值、衛生潔具水箱的水位也保持為恒值。其它如冰箱、洗衣機無不進行一些物理量的控制為恒值，而洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。7自動化的作用加速社會的產業結構的變革和社會信息化的進程1.提高社會生產率和工作效率，2.節約能源和原材料消耗，3.保證產品質量，4.改善勞動條件，減輕體力、腦力勞動，5.改進生產工藝和管理體制。8自動化的研究內容有自動控制和信號處理兩個方面，包括理論、方法、應用硬件和軟件等。從應用觀點來看，研究內容有過程自動化、機械制造自動化、武器及軍事自動化、辦公室自動化和家庭自動化等。9以信息化帶動工業化

以工業化促進信息化中國共產黨十六次代表大會報告

自動化是一個國家或社會現代化水平的重要標志

10本課內容1.專業培養目標和人才素質要求

2.自動化的概念和發展簡史

3.自動控制系統的類型和組成

4.基本的控制方法

5.控制和自動化的應用范疇

6.控制和自動化的展望

7.自動化類專業的教學安排

8.學習原理與學習方法

111自動化專業培養目標和人才素質要求1.1自動化和自動化類專業12

控制科學與工程學科

圖1.1學科組成示意圖自動化自動控制控制理論電氣工程與自動化工業自動化機械制造自動化電力系統自動化

教育部2010年專業目錄131.2

高等院校自動化類專業的培養目標

培養適合社會主義現代化建設需要，德智體全面發展，在控制理論、控制系統、生產過程自動化、人工智能與機器人控制等領域具有寬廣理論基礎和相關專門知識，具有創新和開拓精神的高級工程技術人才。畢業生能在國民經濟及國防各部門和行業從事信息及控制系統的研究、設計、集成、開發、制造和應用等工作。

141.3對自動化類專業人才的素質要求

（1）認知和技能方面（2）思想和情感方面（3）意識和意志方面（4）其他方面15（1）

認知和技能方面①掌握數理等基礎理論的原理和方法；

②了解機械、力學、電器、化工等相關學科的原理和方法；③掌握計算機、通信、電子等關聯學科的基本原理、方法和應用以及相應的實驗儀器和技能；④掌握控制系統分析和綜合（設計）等專業知識和方法；⑤掌握系統仿真、科學計算、軟硬件開發等科學實驗方法和技術；⑥有哲學、方法論、經濟學、歷史、法律、倫理、社會學、文學、藝術等人文社會科學方面以及軍事方面的基本知識；⑦具有良好的資料收集、文獻檢索以及口頭表達和書面寫作等技巧和能力，并形成很強的自主學習能力；⑧具有辨證的、邏輯的、形象的和創造的科學思維方式和對事物進行統計、分析、綜合、歸納的技能，并形成較強的發現問題、分析問題和解決問題能力；⑨具有一定的適應、協調、合作、組織和管理能力。16思想和情感方面

②思想品質

樹立了積極向上的人生觀、正確的價值觀和辨證唯物主義世界觀，對我國自動化事業有情感、有信念、有責任心；①政治品質

熱愛祖國、關心集體、尊敬師長、愛護同志和家人，關心國家大事、時事政治，有較強的法制、法規觀念；③道德品質

有良好的品德修養和文明的行為準則，具有敬業精神和職業道德，誠實守信。17

（3）意識和意志方面

①實踐意識堅持一切從實際出發，不迷信書本、不迷信權威。②質量意識認認真真做好每一件事，在研制和開發的每一個環節都堅持質量至上的思想。③協作意識現代科學研究和現代工程已經很少是一個人可以獨立完成的了，所以要能與同事協同工作、協調配合。不會和他人協作的工程師，一定不會是一個合格的工程師。④創新與競爭意識現代社會是充滿挑戰和競爭的社會，只有那些不斷追求新意境、新見解、敢于競爭的人才能把握機遇、走向成功。⑤堅毅意志人生路漫漫，每個人在生活、學習和工作中都可能遇到這樣或那樣的困難和挫折，要敢于面對困難、善于克服困難。18

（4）其他方面

①學風上勤奮、嚴謹、求實、進取；②作風上謙虛、謹慎、樸實、守信；③具有健康的心理、務實的心態；④具有健全的體質、良好的體能；⑤擁有旺盛的精力、敏捷的思路。19一些術語（1）科學（Science）是指對各種事實和現象進行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計算和實驗，從而發現規律，并對各種定量規律予以驗證和公式化的知識體系。科學的任務是揭示事物發展的客觀規律，探求真理，作為人們改造世界的指南。技術（Technology）是指人類根據生產實踐經驗和自然科學原理改變或控制其環境的手段和活動，是人類活動的一個專門領域。技術的任務是利用和改造自然，以其生產的產品為人類服務。工程（Engineering）是指應用科學知識使自然資源最好地為人類服務的專門技術。20一些術語（2）

系統（System）是指由相互關聯、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。(線性和非線性系統)1、線性系統同時滿足疊加原理和齊次性條件；2、非線性系統不同時滿足疊加原理和齊次性條件21一些術語（3）信息（Information）是指符號、信號或消息所包含的內容，用來消除對客觀事物認識的不確定性。控制（Control）是指為了改善系統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的作用。反饋（Feedback）是指將系統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。22一些術語（4）調節（Regulation）是指通過系統的反饋信息自動校正系統的誤差，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。管理（Management）是指為了充分利用各種資源來達到一定的目標而對社會或其組成部分施加的一種控制。決策（DecisionMaking）是指為最優地達到目標，對若干準備行動的方案進行選擇。23

2自動化概念和發展簡史24

自動化，是指機器或裝置在無人干預的情況下按規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的分析、設計和運行的理論和技術。兩者既有聯系，但也有一定的區別。自動化主要研究的是人造系統的控制問題，自動控制則除了上述研究外，還研究社會、經濟、生物、環境等非人造系統的控制問題。例如生物控制、經濟控制、社會控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動化的研究領域的。不過人們提到自動控制，通常是指工程系統的控制，在這個意義上自動化和自動控制是相近的。

2.1控制和自動化的概念252.2我國古代自動裝置

中國古代能工巧匠發明許多原始的自動裝置，以滿足生產、生活和作戰的需要。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(5)計里鼓車(6)漏水轉渾天儀(7)候風地動儀(8)水運儀象臺26

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。

指南車是一種馬拉的雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的木人。車箱內裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉動，恰好抵消車子轉彎產生的影響（圖2.3）齒輪系車身木人方向車輛轉彎（1）27指南車復原模型28指南車原理29

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。

這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）（圖2.6之右）。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關鍵。這個問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的。

根據宋朝楊軍的《六經圖》（公元1155）轉述：蓮華漏（圖2.6之左）由4個壺組成。天地壺、平水壺逐級向平水小壺供水。平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水壺的出水小孔，切斷水滴（見圖2.6上平水壺前的一個小鳥式裝置）。

（2）30銅壺滴漏31（3）飲酒速度自動調節，（4）計里鼓車

圖2.8飲酒速度自動調節

圖2.9、2.10計里鼓車(復原模型)及原理

32（5）漏水轉渾天儀

公元2世紀，中國東漢的天文學家張衡創制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動的水運渾象，和現在的天球儀相似，可以用來實現天體運行的自動仿真。

圖2.11張衡水力天文儀器中齒輪系推想圖33（6）候風地動儀圖圖2.12候風地動儀圖(復原模型)及剖面圖34（7）水運儀象臺公元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。

35水運儀象臺樞輪和天衡裝置示意圖362.3控制和自動化發展簡史

自動裝置的出現和應用（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)372.3.1自動裝置的出現和應用

（18世紀以前）

中國和巴比倫出現了自動計時裝置—刻漏、指南車、水運儀象臺等。公元1世紀古埃及和希臘的發明家也創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）曾經發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

38(2)近代自動裝置

17世紀以來，隨著生產的發展，在歐洲的一些國家相繼出現了多種自動裝置，其中比較典型的有：法國物理學家B.帕斯卡（Pascal）在公元1642年發明的加法器；荷蘭機械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發明鐘表；英國機械師E.李（Lee）在公元1745年發明帶有風向控制的風磨；俄國機械師И.И.波爾祖諾夫（Ползунов）于公元1765年發明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調節器。

392.3.2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自動調速系統（圖2.16）40

(1)自動調節的廣泛應用

由于第一次工業革命的需要，人們開始采用自動調節器（Regulator）或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J.法爾科（Farcot）發明反饋調節器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機構（Servo-mechanism）。20世紀20-30年代，美國開始采用PID模擬式調節器（比例-積分-微分調節器）。現在還在許多工廠中采用。(2)自動調節系統的穩定性問題自調自動調節器和被控制對象（蒸汽機或船舵）組成自動調節系統（AutomaticRegulationSystem）。當時人們發現蒸汽機轉速會忽高忽低，即系統會發生振蕩（不穩定）。41

對象和調節器形成調節系統蒸汽源蒸汽機(對象)負荷離心式調速器(調節器)進汽閥轉速測量42反饋和自動調節系統的穩定性穩定性是自動控制中極重要的概念

反饋（Feedback）是指將系統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。

人們發現蒸汽機轉速會忽高忽低，即系統會發生振蕩（不穩定）。這迫使一些數學家從理論上來加以研究，創造多種穩定判劇。43(3)反饋控制和頻率法

穩定判據加上公元1922年N.米諾爾斯基《關于船舶自動操舵的穩定性》和1934年美國H.L.黑曾（Hazen）發表的《關于伺服機構理論》的論文標志著經典控制理論的誕生。

進入20世紀以后，工業生產中廣泛應用各種自動調節裝置，促進了對調節系統的分析和綜合的研究。

44圖2.18反饋調節（控制）系統

穩定判據加上公元1922年N.米諾爾斯基《關于船舶自動操舵的穩定性》和1934年美國H.L.黑曾（Hazen）發表的《關于伺服機構理論》的論文標志著經典控制理論的誕生。給定輸入給定環節控制器放大環節執行環節被控對象誤差反饋信號輸出擾動+_反饋環節前向通道45

2.3.3局部自動化時期

(20世紀40-50年代)

2.3.3.1經典控制理論的形成和發展2.3.3.2局部自動化的廣泛應用2.3.3.3電子數字計算機的發明46自動防空火力控制系統

在第二次世界大戰期間，為了防空火力控制系統和飛機自動導航系統等軍事技術問題，各國科學家設計出各種精密的自動調節裝置，開創了防空火力系統和控制這一新的科學領域（圖2.19和圖2.20）。47

在前述代數穩定判據和傳遞函數、依據頻率響應的頻率法判據的基礎上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（RootLocusMethod），奠定了適宜用于單變量控制問題的經典控制理論的基礎。頻率法（或稱頻域法，FrequencyMethod）成為分析和設計線性單變量自動控制系統的主要方法。早期，反饋控制系統通稱為自動調節系統，后稱為自動控制系統（AutomaticControlSystem）。因此，調節器現也稱為控制器。

隨著高速飛行、核反應堆、大電力網和大化工廠提出的新控制問題：非線性系統、時滯系統、脈沖及采樣控制系統、時變系統、分布參數系統和有隨機輸入的系統的控制問題等的深入研究，經典控制理論在20世紀50年代有新的發展。

2.3.3.1經典控制理論的形成和發展482.3.3.2局部自動化的廣泛應用

二次大戰后，在工業上已廣泛應用PID調節器，并用電子模擬計算機（ElectronicAnalogComputer）來設計自動控制系統。當時在工業上實現局部自動化，即單個過程或單個機器的自動化。

在20世紀30-40年代出現了統一信號的、通用的、標準的氣動單元組合儀表。20世紀50年代研制出了電動單元組合儀表。這些為工業自動化提供了必不可少的技術工具，并使得構成和設計自動控制系統更簡便、更工程化了。

智能化的儀表和控制器是當前流行的產品。49智能化的儀表YS-80及所屬的可編程序智能控制器SLPC

502.3.3.3電子數字計算機的發明

目前小型電子數字計算機或單片計算機已成為復雜自動控制系統的一個組成部分，以實現復雜的控制和算法。

電子數字計算機內部元件和結構，經歷了電子管、晶體管、集成電路和大規模集成電路的四個發展階段。電子數字計算機的發明，為60-70年代開始的在控制系統廣泛應用程序控制和邏輯控制以及應用數字計算機直接控制生產過程，奠定了基礎。51圖2.22國產巨型“銀河Ⅱ”電子數字計算機

封里彩圖為國產巨型“銀河Ⅲ”電子數字計算機

522.3.4綜合自動化時期

（20世紀50年代末起至今）

復雜工業、復雜工業過程和航天技術的自動控制問題，都是多變量控制系統的分析和綜合問題，迫切需要加以解決。2.3.4.1現代控制理論的形成和發展

1956年前蘇聯數學家Л.龐特里亞金提出極大值原理。同年美國數學家R.貝爾曼創立動態規劃。兩者為解決最優控制問題提供了理論工具。1960年美國數學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統的內在屬性。卡爾曼還引入狀態空間法，提出具有二次型性能指標的線性狀態反饋律，為線性自動控制系統給出了最優調節器的概念。以上這些新概念和新方法標志著現代控制理論的誕生。53現代控制理論的迅速發展(1)系統辯識、建模與仿真(2)自適應控制和自校正控制器

(3)遙測、遙控和遙感

(4)綜合自動化

(5)大系統理論的誕生

(6)模式識別和人工智能

(7)智能控制的誕生現代控制理論的迅速發展，形成了多個重要分支：54系統辯識、建模與仿真

系統辯識是根據系統輸入、輸出數據為系統建立數學模型的理論和方法。此外建立數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，包括建立、修改、復現系統的模型，這稱為系統仿真。

自適應控制能在對象數學模型變動和系統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)自適應控制和自校正控制器(3)遙測、遙控和遙感

遙測就是對被測對象的某些參數進行遠距離測量。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星等運載工具上的傳感器，收集由地面目標物反射或發射出來的電磁波，再根據這些數據來獲得關于目標物（如礦藏、森林、作物產量等）的信息。

55(4)綜合自動化

20世紀50年代末到60年代初，開始出現電子數字計算機控制的化工廠，60年代末在制造工業中出現了許多自動生產線，工業生產開始由局部自動化向綜合（全盤）自動化方向發展。70年代出現用專用機床組成的無人工廠，80年代初才出現用柔性制造系統組成的無人工廠（圖2.25和圖2.26）。

無人加工車間

圖2.2556無人組裝車間圖2.2457

開始對出現的大系統如大電力系統、化工聯合企業、鋼鐵聯合企業及社會經濟大系統等開始進行了研究。特別是高速大型計算機的出現為大系統的研究和大量計算提供了前提條件。

大系統理論的重要作用在于對大系統進行調度優化和控制優化，通過分解-協調以較短時間計算出優化結果。

(6)模式識別和人工智能

使用電子數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療診斷、地質勘探、金融決策、軍事指揮、大規模集成電路設計等各種專家系統；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。

大系統理論的誕生58

(7)智能控制的誕生

將人工智能引入到自動控制系統，形成智能控制系統。這是新一代的自動控制系統。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、學習控制、模糊邏輯控制和具有多層感知器的神經網絡等分別與自動控制和系統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，例如圖2.27的智能機器人。

59

智能和水下機器人

60中國的自動化教育和科研機構自從1950年在上海交通大學為電機系本科生和研究生開設“伺服機構原理”課程以后，1953年在高等院校電機（力）系開始逐步設置了“工業企業電氣化”專業（自動化專業的前身）。該專業的課程設置中有“自動調節理論”課程，即現在的“自動控制理論”課程。當時類似課程在電類其他專業的教學計劃中也都設置了，如在“發電”專業的教學計劃中設置有“電力系統自動化”課程以及“電力系統遠動學”（即遠距離測量和控制學）。這兩個自動化類專業為中國培養了大批專業人才。61中國的自動化教育和科研機構1957年中國科學院成立了自動化研究所，20世紀60年代中葉又成立了中國科學院沈陽自動化研究所。以控制論專家錢學森、張鐘俊、鐘士模、郎世俊和關肇直為代表的老一輩自動控制專家對中國的自動化教育和自動控制理論發展以及在國防上的應用作出了極其重要的貢獻。62控制界名人J.C.Maxwell:控制理論的源頭以反饋控制為其主要研究內容的自動控制理論的歷史,若從目前公認的第一篇理論論文,J.C.Maxwell

在1868年發表的"論調節器"算起,至今不過一百多年.然而控制思想與技術的存在至少已有數千年的歷史了.63

維納:控制學科的鼻祖1894年11月26日維納出生在美國密蘇里州哥倫比亞市的一個猶太人的家庭中.他的父親是哈佛大學的語言教授.維納自幼聰慧,1906年(12歲)便進入土夫茲學院學習,1909年(15歲)時獲數學學士學位.1913年(19歲)以關于數理邏輯的論文獲哈佛大學博土學位.1933年任美國國家科學院院士,1948年他發表了劃時代的著作《控制論》.控制論的基本含義是:現代的自動機器和人都是由感覺裝置(器官),動作裝置(器官),傳遞信息的系統(神經系統)所組成的一種系統.自動機器和人都是在接收,處理,傳遞和存貯信息,并利用信息去完成動作,實現與外界的聯系.在系統工作中,反饋控制給定控制信號使動作裝置(器官)動作.動作結果由感覺裝置(器官)檢測出來,并反饋回去與給定信號相比較.如果比較有偏差,偏差信號會繼續控制動作裝置(器官)動作,直到偏差信號消失為止.更簡單地說:控制論指的是感覺和機器方面的控制和通訊.控制論就是研究動物(包括人類),自動機器和有機體的控制和通訊的理論.64張鐘俊:控制理論自動控制專家.1915年出生,浙江嘉善人.1934年畢業于交通大學,獲學士學位.1938年獲美國麻省理工學院博士學位.上海交通大學教授.一門《伺服機件》課程奠定了他是中國控制學科的第一個"吃螃蟹"的人.在網絡綜合,電力系統,自動控制和系統工程等領域,作出了許多開創性的貢獻._1948年,張鐘俊在交通大學電信研究所講授伺服原理,1950年在長春機電研究研究所又講了這門課程,這是中國歷史最早講授控制理論的記載.中華人民共和國成立初期,在上海建議和參與建立了統一的電力系統,實現了集中管理和調度.1956年參加全國12年科學規劃工作,編寫了電力系統規劃,并作為電力系統組組長,參加了長江三峽水力發電站的規劃論證.1980當選為中國科學院院士(學部委員).65錢學森:控制理論1911年祖籍杭州,生于上海.應用力學,工程控制論,系統工程科學家.1934年畢業于上海交通大學,1939年在加州理工學院獲博士學位.并擔任過加州理工學院航空系副教授,麻省理工學院航空系副教授,空氣動力學教授,1949年至1955年任美國加州理工學院噴氣推進中心主任,教授.中國控制學科最重要的奠基人,中國自動化學會首任理事長.中國力學學會,中國自動化學會,中國宇航學會,中國系統工程學會名譽理事長,中國科學院學部主席團名譽主席,中國科學技術協會名譽主席.曾任國防科學技術委員會副主任和中國科學技術協會主席.在應用力學,工