自动化概论报告Word格式文档下载.docx

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人的视觉和手无法完成精确的动作，因而集成电路的制作必须采用高精尖的自动化设备；

人的躯体“庞大”，无法在窄小空间中作业，因而各种管道（油管、水管）内的检修需要各种管道机器人老完成；

人无法承受高温、高压、深水、核等环境下的工作，因此必须采用各种自动化设备或机器人来完成。

关于自动化的发展历史，自动化的概念起源于最早的自动控制，而最早的自动控制可以追溯到公元前。

应用自动控制的方法代替人工控制各种机械设备是人类发展史中的一大创举。

由于自动控制的引入，使得各种机械设备更有效、更安全地运行，生产出的产品质量明显提高。

对自动化的大量需求始于工业革命时期。

世纪年代，电子管反馈放大区正式诞生。

世纪年代，《控制论》，《工程控制论》先后问世，基于状态空间法的现代控制理论对人类征服太空起了不可磨灭的作用，并成功地应用航空、航天和其他领域。

从世纪年代开始，随着计算机技术的不断发展与逐步普及，以计算机控制为代表的自动化技术、加工中心与工业机器人被广泛应用，并逐步形成柔性自动化、计算机集成制造系统、计算机集成过程控制系统等一系列先进自动化模式与理念，并再次成为发达国家工业生产追求的模式。

数字计算机、网络的普遍应用和系统管理理念的引入可算是自动化发展中的第三个里程碑。

随着时代的发展，自动化在工业化建设中的作用和地位越来越高。

数字化、网络化和系统化实际上都是自动化的组成部分。

其中数字化、网络化是先进自动化的基础、手段与工具（对应着信息技术中的信息传输与信息处理），而系统化或集成化是先进自动化的内涵与目的。

因此可以说，先进自动化是制造业“信息化”的最重要标志之一。

此外，更有不少学者在许多年前就提出将自动化作为现代的代名词。

实施自动化需要强有力地的科学与技术的支撑，自动化科学与技术是自动化取得巨大成功与成效的源泉与基础；

要大力发展自动化，首先要大力发展自动化科学与技术。

自动化科学与技术是自动化的起源与基础，其物化是自动化设备与系统（硬件和软件），其应用包括自动化设计、自动化制造、自动化工程、自动化管理、自动化决策、自动化运行等待。

自动化的核心是控制与系统。

控制与系统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。

信息、控制与系统是自动化科学与技术的核心概念。

，

（二）自动化的基本原理

实际上，“自动化”可以理解为：

一个设备，一个系统或者一个过程，采用一系列特定的技术，在没有人参与或尽量少人参与的情况下实现预期目标的运行过程或运行状态。

其中所采用的技术就是自动控制技术，而这一技术的理论基础是自动控制理论，进一步可追溯到工程控制论、控制论。

首先，自动化作为一种行为和一种状态哦，它是通过自动控制系统实现的。

系统是一个广义的概念，它无处不在，无时不有。

大到一个宇宙，小到一个原子都可以看做一个系统。

系统可以是自然的，如天体系统、生态系统，也可以是人造的，如机器、航天器、经济系统等。

一个典型的自动控制系统由下列不同功能的基本部分组成：

被控对象;

给定环节；

测量环节；

比较环节；

控制环节；

执行环节。

按照各环节的功能，可以组成典型的自动控制系统，与自动控制系统各环节之间相互联系的是表示一定信息的信号，系统原理图中用带箭头的线段来表示环节间的联系及信息流向。

实际上，可以把一个自动控制系统看成是一个将输入信号加工活变换为所期望的输出信号的装备，系统的控制过程就是信号的加工、处理过程。

可见，自动控制系统处理的主要是信息或信号。

为了实现自动控制的目的，控制器所要遵循的控制规律就是自动控制理论所研究和阐述的内容，它是自动控制技术的理论基础。

但是值得指出的是，它所包含的基本概念、基本原理、基本方法不仅适用于工程技术领域的自动控制系统，也适用于诸如生物系统、生态系统、经济系统、甚至社会系统等领域的控制或管理。

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：

系统的模型，系统的分析，控制系统的综合。

其次，自动控制理论诞生以来，已经走过了多个里程碑。

不同时期针对不同的世纪问题，提出了不同的解决控制问题的方法，从而形成了不同特色的理论和技术体系。

如经典控制理论、现代控制理论、大系统理论和智能控制技术。

对于自动化专业人员，自动控制理论是必须掌握的理论基础；

自动控制系统是研究的对象，也是必须掌握的核心内容；

自动控制工程涉及具体工程问题，了解基本内容有利于今后开展这方面的工作。

（三）现代自动化科学与技术

随着现代科学和技术的发展，自动化科学与技术在过去的几十年中也发生了翻天覆地的变化，控制技术和控制设备日新月异，控制理论也有长足的发展。

面向复杂系统的控制是自动化科学与技术发展的动力，计算机及其网络技术的快速进步是自动化科学与技术发展的强大支持。

为了解决越来越复杂的系统控制问题，系统科学和控制工程的研究者们通过不懈努力，不断地丰富了自动控制理论和自动化技术，形成了现代自动化科学与技术，形成了现代自动化科学与技术的许多不同分支。

大规模工业自动化的要求，使自动化系统从局部自动化走向综合自动化，自动控制问题不在局限于研究一个明确的被控对象以及单回路的控制，而延伸至一个设备、一个工段、一个车间甚至一个工厂的全盘自动化问题，因此自动化科学和技术所面对的是一个复杂的系统，其复杂性具体表现为：

系统结构的复杂性（系统模型的不确定性、强烈的非线性、变量过大、维数太大）；

系统任务的复杂性；

系统环境的复杂性。

传统的控制理论通常把对象视为孤立的、自由的，实际上一个控制系统是开放的，总要收到外部环境的制约。

例如自动车的自动驾驶系统要时时关注复杂的道路，各种各样的障碍物以及其他行驶中的车辆，作出正确的决策和控制。

面对具有以上特征的复杂系统，经典控制理论和现代控制理论都显得无能为力，不能解决或者只能部分解决它们的控制问题。

从上世纪七十年代以来，一些先进的控制策略和控制技术得以产生和发展。

先进控制技术分为自适应控制，鲁棒控制，容错控制。

自适应控制：

实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。

自校正控制系统是一种随机自适应控制系统，它由两个环路组成，内环由被控对象和一个控制器构成，外环则由被控对象的参数估计器、控制器参数计算单元组成。

内环是典型的反馈控制系统。

模型参考自适应控制系统则是解决自适应控制问题的主要方法。

鲁棒控制：

是针对被控对象不确定性的一种控制方法。

与自适应控制去修正控制器的参数的方式不一样，鲁棒控制是研究如何设计一个固定的控制器，使得相应的闭环系统在强度确定的不确定性扰动作用下扔能保持预期的性能，形成了以不确定性描述、鲁棒稳定性及鲁棒镇定、鲁棒控制器设计为基础的鲁棒控制理论和技术。

容错控制：

它是指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。

容错控制当前主要有硬件冗余和解析冗余两种方法。

硬件冗余方法基于硬件结构上的考虑，对重要部件或易发生故障的部件采用双重或多重备份，从而建立起冗余的信号通道，实现对硬件环节失效的控制。

解析冗余是一种“软件冗余”，它通过控制器的设计提高整个控制系统的冗余度。

智能控制是一种拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。

它建立在如下的事实基础上：

由于被控对象本身及所处环境的复杂性，特别是各种不确定性因素的存在，虽使得基于数学模型的控制方法显得无能为力，但熟练的操作工、技术人员或者专家凭借他们的经验操作却仍能获得满意的控制效果。

并且，智能控制一经出现就表现出了强大的生命力。

智能控制又可分为模糊逻辑控制，人工神经网络控制和专家控制。

模糊逻辑控制：

模糊逻辑是模糊逻辑控制的基础，其中模糊集合论是描述象温度的高低、偏差的大小、阀门开度的大小等这类不具有明确边界的事物的数学工具，它利用隶属度函数将这类事物进行合理的表述。

人工神经网络控制:

它是模拟大脑神经元之间的链接，实现信息处理、存储等功能。

人工神经网络是由大量人工神经元互联而成的网络，每个神经元是网络的一个节点，它接受多个节点输出的信号，并将自己的输出链接至其他节点。

另外，人工神经网络还具有以下特点：

具有学习和记忆功能对非线性函数的逼近能力；

具有数据并行除了人和泛化（数据的正确内插和外推）能力。

另外，神经网络监督控制盒神经网络内膜控制是两种应用于控制的神经网络控制系统。

专家控制：

专家控制是将专家系统与控制理论方法相结合，应用专家的智能指导工程控制的控制技术，是智能控制的重要分支。

专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。

专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。

将专家系统应用到自动控制领域，就是专家控制，有两种形式，即专家控制系统和专家控制器。

在这里还需要提及的是大系统控制。

大系统是指规模宏大、结构复杂、变量数目多的系统。

实际上，大系统涉及的领域很广，可以是自然界的，社会领域的，甚至包括工程技术领域的。

通常，一个大系统应该具有如下基本特征：

由一些子系统组成，规模庞大；

子系统间纵横交错，关系复杂；

整个系统目标多样，功能综合；

系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往数量较大；

具有非线性特征和繁殖、扩展能力；

往往是有人参与的系统，人为因素影响大。

大系统的特点是规模大、结构复杂，给控制带来了困难。

解决的思路就是“化大为小，化整为零”，把高维的大系统，分解为若干个低维的便于控制的子系统，各子系统可以独立的实现有效的控制。

根据大系统结构和控制方式，可以归纳为三种类型的控制。

分别为集中控制，分散控制和分解协调。

另外，关于系统工程，它是一门关于组织管理的技术。

一个计划的实施，一个工程的完成，一个战役的展开，等等，都可以看做是一个被控制的过程，当然这里的“控制”有别于前面对物理量的控制，主要包括组织、管理、指挥等意思。

对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统广义化。

虽然对系统工程下一个确切的定义尚有一定困难，但可以认为它包含了如下几个方面的意思：

它面对的是一个庞大而复杂的对象；

它要达到的目标是系统的综合最优；

它涉及的不仅仅是工程技术问题，它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等有机结合起来，应用于人们的科研、生产、经济和社会活动；

它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与。

当然，要建造一个系统，通常要经过以下五个阶段：

系统规划—系统分析—系统设计—系统构建—系统运行。

在系统规划阶段，主要是提出问题、定义系统、设定目标。

在系统分析阶段，主要是系统目标分析、收集信息、制定各种方案、模型化和最优化、评价和决策。

在此基础上，确定系统方案，然后进入具体的系统设计、系统构建和系统运行个阶段。

在系统建立过程中，系统分析的工作特别重要，它的任务是在设定的目标下，从多个备选方案中选出其中的最优方案。

为此，在系统分析阶段，要对系统的目的、功能、环境、费用、效益等进行充分的调查研究，收集、处理大量的数据、资料，建立各个备选方案及其相应的模型，进行仿真实验和优化分析，并与原定目标和计划进行比较，作出评价，整理出完整、准确的综合资料，提供给决策者，作为决策者选择最优方案的依据。

在系统分析过程中，善于运用逻辑思维和逻辑推理很重要，并往往利用计算机这一现代化的信息分析、处理工具。

所以，凡是要解决比较庞大、比较复杂的问题而要人为建造一个“系统”的地方都是系统工程的用武之地，它渗透到各行各业，各个领域，例如：

（）工程系统工程指工程体系的设计、组织和管理。

例如建造一个联合企业，建造一台复杂的机器（如飞机），建立一套大规模的自动控制系统等。

上面所说的美国“阿波罗登月计划”是工程系统工程的典范。

（）软件工程指对一个庞大计算机软件（系统软件或应用软件等）的设计、开发、调试的组织和管理。

（）军事系统工程指军事领域行为的组织和管理。

例如一个战役的组织和指挥。

（）社会系统工程指以社会活动为对象的系统工程。

例如国民经济建设的组织和管理，社会治安系统等。

（）环境系统工程例如区域生态系统，流域水污染治理系统等。

（）交通系统工程例如城市智能交通管理系统等。

（）企业系统工程涉及一个企业的结构调整、新产品研发、市场预测、全面质量管理、成本核算、材料供应等的企业管理系统。

接下来，简洁介绍自动化与自动化科学技术的最新发展。

首先，自动化是基于网络环境的计算机控制系统，如、、等。

在这些系统中所建立的网络都是小范围的控制专用网络—局域网，具有优良的实时性和可靠性。

基于网络环境的自动化控制系统称为网络控制系统，它们具有如下的特点：

（1）网络控制系统具有网络化体系结构，支持如总线型、星型、树型等拓扑结构，与等递阶结构相比，显得更加扁平和稳定。

所谓扁平式指纵向层次减少，横向联系增加，这种趋势简化了传统的计算机网络体系结构，优化了网络协议。

（2）通过网络互联技术、动态数据交换技术、开放式数据连接技术等实现网络水平上的集成。

（3）网络控制系统通过公关网络传递测量测量信息和控制信号，从而构成闭合回路，这样，在每一个信息传递环节都会由于通信延迟而带来控制系统的时间延迟，而且这个时间延迟具有随机性。

时延是控制系统的一大难题，它严重降低控制系统的性能，甚至使系统部稳定。

随机时延条件下，如何设计稳定的优化的控制系统是网络控制系统必须要解决的首要问题。

（4）网路传输通常可视为可靠性不高的数据传输，当将需要传输的数据信息以“包”的形式交付给网络传送时，会产生可能的“丢包”概率条件下如何设计具有一定性能指标的控制系统，同样是自动化科技工作者面临的新问题。

自上个世纪年代以来，智能控制技术得以广泛的研究和快速发展，在解决复杂系统控制问题方面起到较大的作用。

但是正如前面所述，它尚处于发展的初期，还未形成完整的理论、方法体系。

而人活着生物界的智能活动极其复杂，仅从一个或几个侧面去表述它、模拟它是远远不够的。

因此以仿生学为基础的人工智能还有广泛的领域等着去开发，人工智能在自动化系统的应用前景广阔。

（四）自动化学科、专业的知识体系与课程体系

这章这要讲的是构筑自动化学科知识大厦中各部分知识之间的联系，即给出自动化学科的完整知识体系和自动化专业的完整课程体系。

在之前，我们已经了解到自动化学科与其他学科、与应用领域之间的紧密联系，并勾画出自动化科学与技术学科的结构框架，即自动化学科是在众多基础与交叉学科的支撑下、在众多技术与工具的支持下、在与众多应用领域的相互推动下发展起来的。

据此可以看出：

自动化的理论、方法与技术正是自动化学科的主要研究内容；

自动化技术的应用领域及其广阔，学科与应用的互动特别明显；

作为一门综合交叉性的学科，在自动化学科的主要研究内容中，必然会包含与其相互交叉联系的其他学科的一些分支。

构筑一个学科的知识大厦中的各部分知识之间应该是有联系的，而分析一个学科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的人员都能清晰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。

首先，将为自动化学科的知识大厦建立了这样的核心概念框架—自动化的核心是控制与系统，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。

其次，介绍自动化学科的知识体系。

知识体系由知识层、知识域、知识元和知识点四个层次组成。

每个知识层由若干个知识域组成，一个知识域包括若干个知识元，而知识元又可进一步分解成若干个知识点。

一般来说，知识元又是知识体系中的基本单位，知识元又分为核心知识元和一般（非核心）知识元。

核心知识元是组成了知识体系的最小集合。

由此，我们得出了自动化学科的三层知识结构框架：

系统知识层，控制知识层和基础知识层。

1．基础知识层：

含三个知识域，分别为数理基础、机电基础、计算机基础；

2．控制知识层：

含六个知识域，分别为传感与检测（或信息获取）、网络与通信（或信息传输）、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、信息能量转换）、对象与建模；

.系统知识层：

含系统与工程一个知识域。

在以上知识域中，反映自动化学科特点的是控制与智能、传感与检测、执行与驱动、对象与建模系统与工程等五个知识域；

而控制与智能、对象与建模、系统与工程等三个知识域则可视为自动化学科知识体系的核心知识域，也是自动化学科与其他学科的最大区别。

面向整个科学技术研究与科学工程教育的自动化学科的知识结构与知识体系，对仅面向高等教育的自动化专业来说，显然其知识结构式一样的，知识体系是类似的，但各个知识域包含的知识元将有很大的区别，即使知识元的名称相同，包含的知识内容（知识元）也要少得多、基础得多。

另一方面，自动化专业人员的知识结构与知识体系将直接联系着自动化专业的课程体系、直接影响着课程的设置。

而我国目前设置自动化专业的高等院校已有所，覆盖了工科类、综合类、师范类、农林类的“研究性”大学、“教学研究型”大学和“教学型”大学，涉及到部位属院校、地方院校和民办院校。

对于这些不同类型院校的自动化专业，其培养目标或任务会有很大的差别，其知识结构与知识体系必须体现这些差别。

我们知道，控制是自动化科学与技术的核心概念，也是自动化学科与其他学科最大的不同点。

所谓控制，一定要有被控制的对象。

从最初的机器、设备到今天的大型复杂系统或过程，对自动化科学与技术来说都是被控制的对象。

从工程的观点，自动化离不开具体对象。

具体对象小到日常的家用电器，大到电力系统那样的人造复杂大系统；

可以是非常具体的机器、设备，也可能是相对抽象的虚拟机器、设备。

实体的控制，即工程中具体对象（实际设备）的控制，是自动化科学技术中最基本、也是最实在的控制，最充分地体现了自动化科学技术的作用是如何有效地利用信息来促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用。

因此，要实现实体的控制，不仅要考虑信息，还要考虑能量、热量和效率等因素，因而直接关联到许多其他相关学科（如机械工程、电机工程、航空和航天工程、化学工程等）。

如电力系统自动化涉及到电机工程，制造系统自动化涉及到机械工程，化工生产过程自动化涉及到化工工程，等等。

因此，对实体控制的研究，主要从技术与工程的角度，将自动化科学技术的原理与方法转换为工程应用技术（控制工程设计方法和软件），使其适用于工程实际；

同时将自动化技术应用于具体对象，使其成为自动化设备、自动化系统或自动化工程，并解决工程实际中遇到的各种实际技术问题，如特殊设备软硬件研制。

根据以上所说的自动化专业人才培养目标，规划自动化人才的完整知识结构和对自动化专业人才的能力与素质要求。

自动化这个专业队本科生的培养目标是：

自动化工程师或科学家的“雏形”或“毛坯”。

这包含了两重意思，或者说可分解成近期目标与长远目标两部分：

长远目标：

使每一位学生将来都能成为自动化工程师或科学家；

近期目标：

通过四年自动化专业教育的培养，使每一位学生都具备自动化工程师或科学家的基本素质、基本能力和基本完整的知识结构。

我们知道，知识、能力和素质是进行高科技创新的基础。

只有将三者的教育与培养有机结合起来，并贯穿于教育的全过程，才有可能培养出高水平的人才。

正确理解知识、能力和素质的内涵及其关系很重要。

目前的认识是：

知识是基础，是能力和素质的载体；

能力是知识的综合体现，是在获取知识过程中，经培养训练和实践锻炼而形成的；

素质是人在获取知识、应用知识和创造知识过程中，在社会化过程中形成的相对稳定的各种品质的总和。

知识和能力可以相得益彰，而高的素质可以推动知识和能力的扩展。

讲完课本，最后总结。

我觉得未来自动化的发展：

自动化是新的技术革命的一个重要方面。

自动化技术的研究﹑应用和推广﹐对人类的生产﹑生活等方式将产生深远影响。

生产过程自动化和办公室自动化可极大地提高社会生产率和工作效率﹐节约能源和原材料消耗﹐保证产品质量﹐改善劳动条件﹐改进生产工艺和管理体制﹐加速社会的产业结构的变革和社会信息化的进程。

自动控制行业近几年发展迅猛，市场规模也以平均每年的速度递增，高于国家的增长率。

在各应用领域增长情况有所差异，增长快的行业自动化需求增长也快，其中电力和石油化工需求增长最快，“十五”期间自动化需求的规律也是如此；

自动化主控系统仍将以和工业控制计算机为主和将在相当长的时间内并存大型系统以国外产品为主的状况近期将不会有大的改变及基于的国产和工业控制装置在中小工程应用将占据主导地位市场年需求量将达到万台的规模取代将是一个逐渐的过程,在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构,在中以取代中的某些子系统由于产品技术更新换代快，“十五”期间对自动控制设备的主要产品需求结构也将发生较大改变，但与还是主流系统集成产品国外公司产品长期控制国内自控市场，但国内产品近几年也抢占了越来越多的市场份额，主要集中在中低端市场需求方财务行业平均利润率低，但某些特定行业的自动化产品仍能保持较高利润率上游企业固定成本较高，下游企业可变成本较高高端市场利润率普遍高于低端市场硬件销售利润下降，软件利润上升，纯系统集成商利润停滞不前系统集成环节的现金流普遍较紧张，而且大的集成商紧张程度超过小集成商雇佣目标。

市场进入门槛低，小生产商与集成商众多，低端市场混乱。

系统集成商在各主要客户行业中的两极分化日趋明显，少数有实力的、较大规模的行业系统集成商占据了该行业大部分市场。

人以下集成商大规模集成商承接大金额项目，由此得到了大部分的市场分额自控