自动化学科概论 东南大学 戴先中.

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1 自动化学科概论 东南大学 戴先中

2 一、序 言 设这样一门课的目的： （1）了解自动化专业（课程）的整体框架。 各基础课、专业课设置 各专业方向内涵与设置
一、序 言 设这样一门课的目的： （1）了解自动化专业（课程）的整体框架。 各基础课、专业课设置 各专业方向内涵与设置 各专业课与各专业方向之间的关系 重要的基础、专业课 （2）了解本专业（课程） 与其它专业（课程）的关系

3 一、序 言 课程内容安排 一、序言 二、自动化专业简介 三、自动控制基本原理 四、数字化与计算机控制 五、自动化基本设备 六、现代自动化技术
一、序 言 课程内容安排 一、序言 二、自动化专业简介 三、自动控制基本原理 四、数字化与计算机控制 五、自动化基本设备 六、现代自动化技术 七、控制科学与自动化技术的发展

4 一、序 言 课程具体安排 课程的特点与难度——矛盾 从需求考虑：开的越早越好； 但从效果考虑：开的晚一些为好，
一、序 言 课程具体安排 课程的特点与难度——矛盾 从需求考虑：开的越早越好； 但从效果考虑：开的晚一些为好， 因为需要有一定的高等数学基础。 具体安排 总共16学时，单周上课，第3周开始 分5次讲课，每次3学时 1次自动化实验室参观

5 二、 自动化专业简介 1、学科、专业划分 2、自动化的研究内容 3、自动化的作用与重要性 4、自动化专业、学科的特点
5、自动化专业与其它专业的关系 6、我校自动化专业 7、自动化专业本科课程设置 8、自动化专业有关实验室介绍

6 二、自动化专业简介 1、学科、专业划分 专业、学科的含义和划分有多种，不同层面（层次）有不同理解与划分。一般分为：
研究生层面—— 研究生教育 本科生层面—— 一般意义上的大学教育 社会层面 —— 中学教育 采用能理解又基本符合 研究生教育层面内涵的学科专业划分方法

7 研究生层面（硕士博士） 中学层面 本科层面（学士） 物理专业 控制理论与控制工程（二级学科） 理学类 数学专业
模式识别与智能系统（二级学科） 检测技术与自动化仪表（二级学科） 导航与制导(二级学科） 研究生层面（硕士博士） 理科（理工类） 文科 中学层面 理学类 物理专业 数学专业 工学类 自动化专业（一级学科） 计算机专业 通信专业 机械专业 电工专业 建筑专业 。。。 本科层面（学士）

8 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容 (1) 自动化的内涵与外延 日常生活中，较少听到”自动化”这个名词 更多听到的是：
这个设备(器具)是自动的、 自动控制的 或全自动的

9 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容（续） 日常生活中常见的： *家庭： 全自动照相机、洗衣机、电饭煲 *银行： 自动取款机ATM
*家庭： 全自动照相机、洗衣机、电饭煲 *银行： 自动取款机ATM *交通： 自动控制的红绿灯、 火车上的自动烧开水机 *高档楼宇： 自动门、自动自来水开关

10 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容(续) 自动化设备的特点： 工作时不需要（或很少需要）人参与，
却能按照人的要求“自动”完成其承担的任务。 充分理解： 各种自动的（或自动控制的）设备 仅是一项大的自动化工程中的一个细胞。 而以上例举的自动的设备 仅为整个自动化大家庭中的一个个小细胞

11 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容(续) 自动化的应用举例： 工业自动化——自动机、自动生产线、 无人车间、无人工厂

12 机器人系统结构的例子 Local Controller PMAC Linux
Servo Controller Motion Controller Motion Planning Local Controller Intelligence and human-machine interface Scanner Internet Microphone Robot Camera 机器人系统结构的例子

13 以机器人为单元的无人化工厂

14 控制与管理一体化 制造业顶层信息化 制造业底层自动化 现代集成制造系统 机器人与自动化装备 企业间层 企业层 工程层 单元层 控制节点层
设备装置层

15 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容(续) 楼宇（管理）自动化—— 能量管理系统：电、气、水全自动管理
空气质量系统：温度、湿度、空气质量管理 安全消防系统：安检、消防自动报警、 救护系统 办公自动化 ：

16 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容(续) 军事自动化——无人飞机、导弹 交通自动化 机器人

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20 壁面清洗机器人 擦玻璃机器人

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22 采摘机器人

23 医用机器人

24 二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容(续) 自动化的研究内容宽广， 并且越来越宽广 自动化是一门名副其实的多学科交叉学科

25 二、自动化专业简介 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。例： 5 元数字计算机 ——把人从繁重的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）

26 二、自动化专业简介 3、自动化的作用与重要性(续) ——完成人无法完成的工作 管道机器人（各种油管、水管）、 水下6000米机器人
※扩展作用 ——管理、经济、金融过程智能化

27 二、自动化专业简介 3、自动化的作用与重要性(续)   自动化在国民经济、国家综合实力中起着举足轻重的作用，并且其作用越来越重要。 自动化在人民日常生活中亦将起着举足轻重的作用。

28 二、自动化专业简介 3、自动化的作用与重要性(续) 国家863高科技发展计划 （有所为，有所不为） 分6个领域 自动化、能源、信息、
新材料、生物与农业、资源环境（海洋） 就有一个自动化领域 分CIMS主题、机器人主题

29 所以讲： 自动化是当代高科技的集中体现与应用。 智能机器人是当代高科技的结晶。 ——宋键
二、自动化专业简介 3、自动化的作用与重要性(续) 所以讲： 自动化是当代高科技的集中体现与应用。 智能机器人是当代高科技的结晶。 ——宋键

30 二、自动化专业简介 4、自动化专业、学科的特点 （I）学科特点 自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科。
自动化学科是当代高技术的集中体现与应用。 —— 目前，离开计算机，自动化一事无成。 但光有计算机，能改变周围的一切吗？

31 二、自动化专业简介 4、自动化专业、学科的特点(续) （II） 研究、应用特点 宽、广，几乎无所不包， 并且，伴随其它技术发展，越来越广。

32 二、自动化专业简介 4、自动化专业、学科的特点(续) （III） 学自动化的特点 自动化专业基础面宽， 需要学的知识多，并要求扎实。
因此我们一直说： 在所有学工的学生中，学自动化需要的数学知 识最多。 在所有学工的学生中，学自动化学习的计算机 仅次于计算机专业。

33 二、自动化专业简介 4、自动化专业、学科的特点(续) 从而： 学自动化专业的适应面宽、分配好，且工作易成功。
这符合大学改革的方向——宽基础、宽专业面

34 二、自动化专业简介 5、自动化专业与其它专业的关系 l交叉学科的集中体现 如前介绍：计算机、电子电气等等 l其它专业向自动化扩展
机械工程及其自动化 电气工程及其自动化 动力工程及其自动化 甚至：农业工程及其自动化 交通运输自动化

35 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业 （I）自控系＋自动化所 合办一个本科专业——自动化专业 （对应一级学科，控制科学与工程）
三个研究生学位点 （对应三个二级学科）

36 （II）围绕研究生教育，系、所划分 自控系 自动化所 研究生学位点 （80）检测与仪表教研室 检测技术与 自动化仪表 （81）控制理论教研室
信息室 控制理论与 控制工程 （82）工业自动化教研室 系统室 仿真室 （83）模式识别教研室 智能室 模式识别与 智能系统

37 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) （III）自动化专业水平 四方面评价： •师资 •办学条件 •成绩 •毕业生质量
（统计数字较少，比较困难）

38 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) 下作比较（与国内一流自动化专业比） l师资 一位（科学院）院士
（国内仅清华有两位，上交大0个， 浙大1个，我校共有7位） 有较多的教授、博导、博士。

39 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) l办学条件 在自动化一级学科下全部二级学科均有博士（硕士）授予权 国家级重点学科
（全国只有13所 / 东大只有10个国家重点学科）

40 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) l 取得成绩 一批国际高水平论文（在国内享有盛誉） 获全国首届百篇优秀博士论文之一
一批国家级奖励 一项国际大奖

41 首次全国十二个一级学科 整体水平排名(试点)
二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) 2002年国务院学位委员会 首次全国十二个一级学科 整体水平排名(试点)    0701 数学 控制科学与工程  0702 物理学 计算机科学与技术  0703 化学 生物医学工程  0901 作物学 机械工程  0904 植物保护 电子科学与技术  1201 管理科学 信息与通信工程 与工程 

42 二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) 6个一级学科 整体水平按学校排名 0810 信息与通信工程 ——第5 ——无线电系
与我校有关工科（08） 6个一级学科 整体水平按学校排名  0831 生物医学工程  ——第2 ——生医系  0811 控制科学与工程  ——第5 ——自动控制系 0810 信息与通信工程 ——第5 ——无线电系 0809 电子科学与技术  ——第8 ——电子系 0812 计算机科学与技术  —第17 ——计算机系 0802 机械工程  — 第21 ——机械系 1201 管理科学与工程  — 第16 ——管理学院

43 与我校“控制科学与工程”(自动化专业)有关
二、自动化专业简介 6、 我校自动化专业(续) 与我校“控制科学与工程”(自动化专业)有关 整体水平按学校排名情况    东北大学1, 浙江大学2, 清华大学3 上海交通大学4, 东南大学5 西安交通大学6, 哈尔滨工业大学7 国防科学技术大学8, 北京理工大学9 北京航空航天大学10, 华中科技大学11 南京理工大学15, 南京航空航天大学23

44 我校自动化学科（专业） 在国内是一流的， 在校内也是一流的。 我们应当自豪! 我们还需努力 ! 二、自动化专业简介
6、 我校自动化专业(续) 总之 我校自动化学科（专业） 在国内是一流的， 在校内也是一流的。 我们应当自豪! 我们还需努力 !

45 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置 自动化研究内容、应用领域极其广阔 办自动化专业不可能面面俱到，只能有所侧重
因此，我校自动化专业围绕 研究生3个学位点(二级学科)设置专业方向课 学自动化专业更不可能面面俱到，必须有所侧重 因此，各人会涉及到选专业方向课

46 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) 面向全校各专业(公共课) 工科专业（自然科学基础课） 必修课 一级学科基础课 课程设置
一级学科实践课 自动化专业 一级学科主干课 二级学科（方向）训练课 选修课 二级学科选修课

47 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) （I）必修课 政治与德育课 面向全校各专业 公共基础课（体育、英语、语文等） 工科专业
自然科学基础课 数学、物理、化学 自动化概论 计算机基础

48 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置 (续) 电路分析、信号与系统 电子线路、电磁场与波 一级学科基础课
计算机结构与逻辑、微机系统与接口 网络通信 自控原理（I）

49 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) 电路实验 电子实验 一级学科实践课 微机实验 综合课程设计

50 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) 自动控制原理（II） 电机原理与拖动 一级学科主干课 计算机控制技术 管理信息系统

51 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) （II）选修课 检测技术 检测技术与自动化仪表（二级学科） A组： 自动化仪表设计
二级学科（方向） 训练课（任选两组） 系统辨识与仿真 控制理论与工程（二级学科） B组： 智能控制 数字信号处理 模式识别与智能系统（二级学科） C组： 图象处理 电力电子技术 D组： 自动控制系统

52 二、自动化专业简介 7、自动化专业本科课程设置(续) 数据结构、通信原理 二选一 FOXPRO、C语言 二级学科选修课
数据结构、通信原理 二选一 FOXPRO、C语言 五选三 二级学科选修课 多媒体、自动化工具软件 电子电路CAD 计算机软件、仪表抗干扰 四选二 机器人及控制、过程控制

53 二、自动化专业简介 8、自动化专业有关实验室介绍 实验室：工业自动化实验室 自动控制原理实验室 计算机硬件实验中心(校级)
研究室：机器人研究室 运动控制研究室 过程控制研究室

54 三、自动控制基本原理 控制科学——严密——严格的数学（深厚的 数学基础） 应用于控制工程——合理的近似
控制科学——严密——严格的数学（深厚的 数学基础） 应用于控制工程——合理的近似 因为：控制对象——绝大多数非常复杂， 非线性 / 相互耦合

55 机器人系统结构的例子 Local Controller PMAC Linux
Servo Controller Motion Controller Motion Planning Local Controller Intelligence and human-machine interface Scanner Internet Microphone Robot Camera 机器人系统结构的例子

56 三、自动控制基本原理 1、自动控制系统的两大基本类型 （1）开环控制（非反馈控制） （2）闭环控制（反馈或负反馈控制） 人工闭环控制
自动闭环控制

57 三、自动控制基本原理 如直流电机转速开环控制 功率 放大器 机 械 设 备 电动机 +V 控制器 对 象 转速给定 控制量 转速

58 三、自动控制基本原理  开环： 简单 不准确（希望1000r/min，实际 r/min）

59 三、自动控制基本原理 ※人工闭环 +V 功率 放大器 转速表

60 三、自动控制基本原理 ※自动闭环控制 +V ＋ 功率 放大器 － 测速发电机

61 三、自动控制基本原理 参考输入 偏差 输出 ＋ 控制器 对象 － 反馈 （测量）

62 三、自动控制基本原理   开环： 简单 不准确（希望1000r/min，实际 r/min） 闭环： 准确 复杂、设备多

63 三、自动控制基本原理 2、自动控制包含的基本内容 包含的内容 自动控制原理 自动控制系统包含的内容 自动控制工程包含的内容
（1）对象数学模型的建立与分析 控制器设计----控制的核心 （2） 执行器设计 测量器设计 控制器、执行器、测量器选型 安装、（现场）调试 （3）

64 三、自动控制基本原理 3、对象建模与分析 基础：数学、物理 例：SISO系统 H Qo Qi 控制阀 节流阀

65 三、自动控制基本原理 （1）建立微分方程式 **输入流量Qi；输出流量Qo； 液面高度H——要求控制在一定值内；
**建立微分方程式 a、根据物质守恒定律

66 三、自动控制基本原理 b、消去中间变量 这是标准的一阶非线性微分方程——非线性系统 注：*该系统已经作了简化与近似， 完整的系统还要复杂。
*即使这样的简化、近似式，处理亦很困难， 需要较深的数学。

67 三、自动控制基本原理 （2）简化微分方程式——线性化——常用方法 基础：数学中的在某点的泰勒级数展开， 并取一阶近似 。

68 三、自动控制基本原理

69 三、自动控制基本原理 这是标准的一阶线性微分方程——线性系统 可写成： 对 象 r(t) y(t)

70 三、自动控制基本原理 （3）用传递函数表示 对线性系统两边同求拉普拉斯变换 微分方程 线性系统 R(S) Y(S)

71 SISO系统 H Qo Qi 控制阀 节流阀 对 象 r(t) y(t) R(S) Y(S)

72 三、自动控制基本原理 4、控制器设计 （如上例：液位系统） ※开环控制是不行的，溢出或流干 ※必须闭环控制，如下图

73 三、自动控制基本原理 Qi 浮子——测量元件 H Qo 执行阀 控制器 液面给定

74 三、自动控制基本原理 yo=ΔHo r=ΔQi Δy 控制K G(S) 测量1 输出y ＋ － 控制框图——方框图——如上 原理：偏差调节
（1）为何闭环控制能满足要求 ——直观上应能满足 控制K G(S) 测量1 Δy 输出y ＋ － yo=ΔHo r=ΔQi 控制框图——方框图——如上 原理：偏差调节

75 三、自动控制基本原理 闭环传递函数

76 三、自动控制基本原理

77 三、自动控制基本原理 （2）设计控制器的几大要点 ※稳定性 什么是不稳定：如水溢出、流干 稳定性是压倒一切的。
对线性系统，有成熟的稳定性分析方法。 对非线性复杂系统，很难，需要高深的数学 ——是自动控制重要研究 内容

78 三、自动控制基本原理 ※稳态误差 ※动态特性 t Yo=ΔHo Ho y 稳态误差

79 三、自动控制基本原理 （3）控制器的发展 ※线性非线性 ※简单复杂 ※常规智能 ※模拟模拟数字混合式
全数字式  计算机（软件实现）

80 微小型机器人系统

81

82 二自由度机器人平台 二自由度机电控制平台 特点： SCARA结构 直流伺服驱动 可重构

83 伺服控制系统方框图 位置 控制 速度 控制 电流 控制 滤波 电机 负载 微分 位置指令 速度指令 速度指令 位置指令 速度指令 速度指令
位置环 位置 检测器 速度环 微分 位置环 位置指令 速度指令 速度指令 位置指令 速度指令 速度指令

84 直流伺服驱动器 RS232/ RS485 嵌入式 控制器 电流检测 PWM DSP 门极驱动 H Bridge 电机 码盘信号

85

86 嵌入式机器人控制系统

87 嵌入式控制器硬件结构框图

88 四、数字化与计算机控制 1、数字化 （1）模拟量到数字量 （2）微分方程到差分方程 两边积分 （区间t=(KT)~(K+1)T） ※矩形近似
※梯形近似 （2）微分方程到差分方程 （区间t=(KT)~(K+1)T） 两边积分

89 四、数字化与计算机控制

90 四、数字化与计算机控制

91 四、数字化与计算机控制 （3）实际处理（实现） 采样 模拟/数字转换 数字/模拟转换

92 四、数字化与计算机控制 输出 ＋ － 计算机 数字化 测量、控制设备 模拟量 对 象 数字 控制器 数/模 转换 测量 模/数转换 执行 器
数字给定

93 四、数字化与计算机控制 （1）计算机硬件 计算机本身＋接口（A/D、D/A等） （2）计算机软件 各种控制（智能） 分时控制/集散控制

94 四、数字化与计算机控制 （3）测量、控制设备——同模拟控制 （4）计算机系统控制 ※简单系统——包含以上部分（硬件＋ 软件＋对象）
※简单系统——包含以上部分（硬件＋ 软件＋对象） ※复杂系统——许多对象，下位机＋网 络上位 机

95 五、自动化基本设备 两大类： 电 测 量：电压、电流、功率 非电量测量：转换成电信号 模/数转换计算机
1、测量——传感器（sensor)、变送器(transducer) 两大类： 电 测 量：电压、电流、功率 非电量测量：转换成电信号 模/数转换计算机 包括：温度 、压力、 流量、 液位、 成分 转速（加速度）、 位置

96 测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、 嗅觉、味觉
五、自动化基本设备 基本结构 对象 变送器 模/数 计算机 传感器 微弱信号 标准电信号 5V/20mA 数字信号 测量的重要性：相当人的眼睛、耳朵、触觉、 嗅觉、味觉 高质量的控制离不开高精度的测量

97 五、自动化基本设备 2、控制器 目前绝大多数为电子控制器 分立元件 IC 计算机 集散控制系统

98 五、自动化基本设备 历史上（及目前一些简单的场合） ——机械式控制器 ※如：飞锤转速调节
※又如：部分洗衣机，拨码式——弹簧计 数，接触控制每一动作。

99 五、自动化基本设备 电子控制器： 两大类： 模拟控制器：目前仍有较广用途—— 如家用电器 数字控制器（计算机）：今后发展趋势
核心：自动控制原理及其实现

100 五、自动化基本设备 3、执行器 （1）电类（电动作式——控制电量） ※继电器、接触器 ※电机 ※电力电子

101 五、自动化基本设备 （2）非电类（气液动作式——控制非电量） ※阀门、开关（气液动作式） （3）混合类（电动作式——控制非电量）
※电机＋（气、液、固体）阀门、开关

102 六、现代自动化技术 （一）控制理论与科学 （1）经典控制理论 传递函数、根轨迹、频率响应 （2）现代控制理论 建立在线性代数等数学基础上
处理多变量系统 最优化、最优控制

103 六、现代自动化技术 两种溶液混合，引入多变量解。

104 （同上图）引入非线性解、自适应解、鲁棒解。
六、现代自动化技术 （3）先进控制理论 ※自适应控制理论 变结构 微分几何 反馈线性化 ※各种非线性控制理论 ※鲁棒控制 ※H∞ 控制 （同上图）引入非线性解、自适应解、鲁棒解。

105 六、现代自动化技术 2、智能控制 ※让控制器具有智能——生物的智能 ※解决难以解决的复杂系统的控制 （1）模糊逻辑控制 （2）人工神经网络
（3）专家系统控制 （4）学习控制 （5）遗传算法

106 六、现代自动化技术 3、介绍：人工神经网络控制 主要介绍： （1）生物神经元结构、特点 （2）简单的人工神经元结构、数学表达式
（3）简单的多层人工神经网络——多层感知器

107 1 yd x y 六、现代自动化技术 逆系统 原系统 （4）人工神经网络对非线性函数y=f(x)的逼近
（5）人工神经网络用于控制的一种方式（原理性） 逆系统 原系统 1 yd x y

108 六、现代自动化技术 （二）自动化技术 计算机的应用产生革命性的意义 管理与人对自动化系统的重要性 强调： 对象＋硬件 ＋软件
强调： 对象＋硬件 ＋软件 进一步 ＋网络＋管理 再进一步 ＋ 人 ＝系统

109 六、现代自动化技术 进 出 1、DCS集散（分散）控制系统 协调、优化并分散危险（故障） 2、CIMS 与CIPS 工厂（企业）多层网络，
从底层↔ 车间↔ 厂调度室↔ 总经理办公室 从生产↔ 仓库↔ ↔ 计划（营销）

110 以机器人为单元的无人化工厂

111 控制与管理一体化 制造业顶层信息化 制造业底层自动化 现代集成制造系统 机器人与自动化装备 企业间层 企业层 工程层 单元层 控制节点层
设备装置层

112 医用机器人

113 本田的Asimo 索尼的SDR-4X

114 Pino 人形机器人

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118 机器人足球

119

120 七、控制科学与自动化技术的发展 （一）控制科学的发展 数学工具的突破 寄希望于 人（生物）大脑研究的突破 国家基础研究——认知科学的研究
国家自然科学重点——复杂控制系统理论

121 七、控制科学与自动化技术的发展 重点：系统、集成技术 （二）自动化技术的发展 计算机发展 依托 生物工程发展 纳米技术发展
国家863高技术——自动化领域 CIMS 机器人