《自动化发展史》PPT课件.ppt

自动化专业概论自动化专业概论 Introduction to Automation 主主 讲：黄从智讲：黄从智 办办 公公 室：主楼室：主楼E0521 电电 话：话：61772820 Email：课程目标课程目标解答如下问题：1，自动化的历史、现在和未来？2，自动化的研究内容、应用领域？3，自动化专业的学习内容、就业前景？4，如何学好自动化专业？基础课和专业课之间的桥梁。基础课和专业课之间的桥梁。主要内容主要内容-Content1绪绪 论论2自动化发展简史自动化发展简史3自动控制系统专题自动控制系统专题4自动化专题自动化专题5工业自动化专题工业自动化专题6火电厂自动化专题火电厂自动化专题7自动化专业专题自动化专业专题8自动化展望及复习自动化展望及复习第二讲第二讲 自动化发展简史自动化发展简史 黄从智黄从智自动化专业概论自动化专业概论第二讲第二讲 自动化发展简史自动化发展简史 自动化发展简史 自动化教育、科研机构、学术团体 古代自动化装置 自动化期刊、国际会议 一些重要术语古代自动化装置古代自动化装置 自自动动控控制制思思想想及及其其实实践践可可以以说说历历史史悠悠久久。它它是是人人类类在在认认识识世世界界和和改改造造世世界界的的过过程程中中产产生生的的，并并随随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。早早在在公公元元前前300年年，古古希希腊腊就就运运用用反反馈馈控控制制原原理设计了浮子调节器，并应用于水钟中。理设计了浮子调节器，并应用于水钟中。古希腊水钟古希腊水钟上水箱上水箱中水箱中水箱下水箱下水箱提供水源提供水源稳定液位稳定液位用于计时用于计时 浮子浮子古希腊水钟原理古希腊水钟原理 1，由由上上中中下下三三个个水水箱箱构构成成；2，上上水水箱箱提提供供水水源源；3，中中水水箱箱稳稳定定液液位位；4，下下水水箱箱用用于于计计时时；5，中中水水箱箱上上面面的的浮浮子子是是个个调调节节机机构构，形形成成了了反反馈馈控控制制；6，当当中中水水箱箱液液位位升升高高时时，浮浮子子上上升升，上上水水箱箱流流出出的的水水量量减减少少，导导致致液液位位下下降降；7，当当中中水水箱箱液液位位降降低低时时，浮浮子子下下降降，上上水水箱箱流流出出的的水水量量增增加加，导导致致液液位位上上升升；8，最最终终中中水水箱箱液液位位稳稳定定在在某某一一稳稳定定值值附附近近；9，由由于于中中水水箱箱液液位位比比较较稳稳定定，流流出出中中水水箱箱的的水水量量基基本本恒恒定定，下下水水箱箱的的液液位位会会随随时时间间成成比比例地增加，从而可通过刻度指示时间。例地增加，从而可通过刻度指示时间。同同样样早早在在1000多多年年前前，我我国国古古代代先先人人们们也也发发明明了了铜铜壶壶滴滴漏漏计计时时器器、主主要要由由几几个个铜铜水水壶壶组组成成，又又叫叫“漏漏壶壶”。除除了了最最底底下下的的那那个个，每每个个壶壶的的底底部部都都有有一一个个小小眼眼。水水从从最最高高的的壶壶里里，经经过过下下面面的的各各个个壶壶滴滴到到最最低低的的壶壶里里，滴滴得得又又细细又又均均匀匀。最最低低的的壶壶里里有有一一个个铜铜人人，手手里里捧捧着着一一支支能能够够浮浮动动的的木木箭箭，壶壶里里水水多多了了，木木箭箭浮浮起起来来，根根据据它它上上面面的的刻刻度度，就可以知道时间。就可以知道时间。铜壶滴漏铜壶滴漏-中国古代自动计时装置中国古代自动计时装置铜壶滴漏铜壶滴漏指南车指南车-自动指示方向自动指示方向 自报行车里程自报行车里程 计里鼓车计里鼓车V合适时吸入饮酒者中的酒V变大时V变小时V继续变小V变大V恢复为合适速度酒杯中的酒饮酒管饮酒管保持均匀饮酒速度保持均匀饮酒速度 公公元元2世世纪纪，中中国国东东汉汉的的天天文文学学家家张张衡衡创创制制的的一一种种天天文文表表演演仪仪器器。它它是是一一种种用用漏漏水水推推动动的的水水运运浑浑象象，和和现现在在的的天天球球仪仪相相似似，可可以以用用来来实实现现天天体体运运行行的的自自动动仿真仿真。张衡水力天文仪器中齿轮系推想图张衡水力天文仪器中齿轮系推想图 漏水转浑天仪漏水转浑天仪 检测地震信号的大小和方向检测地震信号的大小和方向候风地动仪候风地动仪-世界上第一台测定地震方位的仪器世界上第一台测定地震方位的仪器 公元公元1088年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象年，中国苏颂等人把浑仪（天文观测仪器）、浑象（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪（天文表演仪器）和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。象台。水运仪象台水运仪象台一些重要术语一些重要术语 系统与控制 反馈、调节与决策 科学、技术与工程 数据、信息、知识与智能科学科学、技术与工程、技术与工程 科科学学(Science)：对对各各种种事事实实和和现现象象进进行行观观察察、分分类类、归归纳纳、演演绎绎、分分析析、推推理理、计计算算和和实实验验，从从而而发发现现规规律律，并并对对各各种种定定量量规规律予以验证和公式化的知识体系。律予以验证和公式化的知识体系。科科学学的的任任务务：揭揭示示事事物物发发展展的的客客观观规规律律，探求真理，作为人们改造世界的指南。探求真理，作为人们改造世界的指南。科学家(Scientist):专门从事科学研究的专家。科学科学、技术与工程、技术与工程科学自然科学社会科学研究物质世界研究精神世界基础科学技术科学(数理化、天文学、生物学等)(电工电子、固体力学、流体力学、机械学等)自动化学科属于技术科学。科学、科学、技术技术与工程与工程 技技术术(Technology)：人人类类根根据据生生产产实实践践经经验验和和自自然然科科学学原原理理改改变变或或控控制制其其环环境境的的手手段和活动，是人类活动的一个专门领域。段和活动，是人类活动的一个专门领域。技技术术的的任任务务：利利用用和和改改造造世世界界，以以其其生生产的产品为人类服务。产的产品为人类服务。技术家(Technologist):专门从事技术工作的 专家。如工程师、农艺师、医师等。科学、科学、技术技术与工程与工程技术工程技术农业技术医疗技术(机械、电气、能源、动力、化工、土木、计算机等)(种植、畜牧、造林、园艺等)自动化学科属于工程技术。(中医、西医、临床等)科学、技术与科学、技术与工程工程 工工程程(Engineering)：应应用用科科学学知知识识使使自自然资源最好地为人类服务的一项活动。然资源最好地为人类服务的一项活动。工工程程也也指指具具体体的的科科研研或或建建设设项项目目，如如三三峡工程、发电厂工程等。峡工程、发电厂工程等。工程师(Engineer):专门从事工程活动的 专家，也是一种技术家。工工程程不不等等同同于于技技术术，还还受受到到政政治治、经经济济、法法律律、美美学学等等非非技技术术方方面面的的影影响响。技技术术存存在在于工程之中。于工程之中。科学、技术与科学、技术与工程工程u 科学家的任务是如何认识，因而可选择自己感兴趣的研究课题。u 工程师的任务是如何实现，必须解决面临的实际问题。u 工程问题受到多方面因素的制约，工程师须在多种可能方案中作出选择，谋求最可靠、最经济的解决方法。三峡水电站工程三峡水电站工程系统系统与控制与控制 系系统统(System)：由由相相互互关关联联、相相互互制制约约、相相互互影影响响的的一一些些部部分分组组成成的的具具有有某某种种功功能能的的有机整体。有机整体。如如构构成成系系统统的的组组成成部部分分本本身身也也是是系系统统，则称之为子系统。则称之为子系统。对于一个具体的系统，对于一个具体的系统，u系统环境：系统以外的部分。系统环境：系统以外的部分。u系统边界：系统与系统环境的分界。系统边界：系统与系统环境的分界。系统系统与控制与控制 u系统输入：系统环境对系统的作用。系统输入：系统环境对系统的作用。u系统输出：系统对系统环境的作用。系统输出：系统对系统环境的作用。系统输入系统输出系统环境系统边界u系统工程：研究大系统和复杂系统。系统工程：研究大系统和复杂系统。系统与系统与控制控制 控控制制(Control)：为为了了改改善善系系统统的的性性能能或或达达到到特特定定的的目目的的，通通过过信信息息的的采采集集和和加加工工而而施加到系统的作用。施加到系统的作用。所所有有系系统统分分为为可可控控系系统统和和不不可可控控系系统统。不不可可控控系系统统无无法法进进行行人人工工控控制制、干干预预；可可控控系系统可进行人工控制、干预。统可进行人工控制、干预。反馈反馈、调节与决策、调节与决策 反反馈馈(Feedback)：将将系系统统的的实实际际输输出出与与期期望望输输出出进进行行比比较较，形形成成误误差差，从从而而为为确确定定下下一步的控制行为提供依据。一步的控制行为提供依据。反馈正反馈 Positive Feedback负反馈 Negative Feedback(反馈信息使系统输出的误差逐渐增大)(反馈信息使系统输出的误差逐渐减少)反馈、反馈、调节调节与决策与决策 调调节节(Regulation)：通通过过系系统统的的反反馈馈信信息息自自动动校校正正系系统统的的误误差差，使使诸诸如如温温度度、速速度度、压压力力或或位位置置等等参参量量保保持持恒恒定定或或在在给给定定范范围围之之内的过程。内的过程。调节：以反馈为基础。控制闭环控制：以反馈为基础。开环控制：无反馈。反馈、调节与反馈、调节与决策决策 决决策策(Decision Making)：为为最最优优地地达达到到目标，对若干准备行动的方案进行选择。目标，对若干准备行动的方案进行选择。如何科学地进行决策是各项工作顺利开展的重要保证，也是本学科近年来研究和发展的新领域之一。ItemDefinitionDataIndividual measurements from sensorsInformationRelationship among the correlated dataKnowledgeConnection among the structured informationIntelligenceCapability of utilizing knowledgeData,Information,Knowledge,IntelligenceData,Information,Knowledge,IntelligenceKnowledgeInformationData房间温度房间温度32理想温度理想温度23房间温度高房间温度高通风量不足通风量不足温度高原因温度高原因Intelligence解决温度解决温度高的办法高的办法增大通风量增大通风量DataInformationKnowledgeIntelligenceData,Information,Knowledge,Intelligence公元公元1788年年 J.Watt发明离心式调速器，并将其与蒸汽机的阀门连发明离心式调速器，并将其与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统。人人们们发发现现蒸蒸汽汽机机转转速速会会忽忽高高忽忽低低，即即系系统统会会发发生生振振荡荡（不不稳稳定定）。这这迫迫使使一一些些数数学学家家从从理理论论上来加以研究，提出多种上来加以研究，提出多种稳定性判据稳定性判据。p1868 年英国物理学家J.Maxwell用微分方程描述并总结了调节器的理论。p1877年英国数学家Routh提出Routh判据；p1895年德国数学家A.Hurwitz提出Hurwitz判据；p1892年俄国数学家A.Lyapunov提出稳定性的严格数学定义并发表专著，至今他的稳定性理论仍是研究分析系统稳定性的重要方法。控制理论发展简史控制理论发展简史 第第一一阶阶段段是是四四十十年年代代末末到到五五十十年年代代的的经经典典控控制制论论时时期期，着着重重研研究究单单机机自自动动化化，解解决决单单输输入入单单输输出出（SISO-Single Input Single Output）系系统的控制问题；统的控制问题；主主要要数数学学工工具具是是微微分分方方程程、拉拉普普拉拉斯斯变变换换和和传递函数传递函数；主要研究方法是时域法、主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法频域法和根轨迹法；主主要要问问题题是是控控制制系系统统的的稳稳定定性性、快快速速性性和和准准确性。确性。控制论发展三阶段控制论发展三阶段 控制论的奠基人控制论的奠基人 1945年，美 国 数 学 家 诺 伯 特 维 纳(Norbert Wiener)把反馈的概念推广到生物等一切控制系统。1948年，维纳出版名著(CYBERNETICS)一书，标志着控制论正式诞生。钱学森(Tsue Shen Tsian)工程控制论，1954(Engineering Cybernetics)中国自动控制的学术泰斗中国自动控制的学术泰斗 第第二二阶阶段段是是六六十十年年代代的的现现代代控控制制理理论论时时期期，着着重重解解决决机机组组自自动动化化和和生生物物系系统统的的多多输输入入多多输输出出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系系统统的控制问题；的控制问题；主主要要数数学学工工具具是是一一次次微微分分方方程程组组、矩矩阵阵论论、状态空间法等等；状态空间法等等；主主要要方方法法是是变变分分法法、极极大大值值原原理理、动动态态规规划划理论等；理论等；重点是最优控制、随机控制和自适应控制；重点是最优控制、随机控制和自适应控制；核心控制装置是电子计算机。核心控制装置是电子计算机。控制论发展三阶段控制论发展三阶段电子计算机电子计算机1992年我国自行研制年我国自行研制的银河的银河II巨型机。巨型机。1946年年2月月15日，世界上日，世界上第一台通用电子数字计算第一台通用电子数字计算机机“埃尼阿克埃尼阿克”面世。面世。第三阶段是七十年代的大系统理论时期，第三阶段是七十年代的大系统理论时期，着重解决生物系统、社会系统这样一些众多着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题；变量的大系统的综合自动化问题；方法是时域法为主；方法是时域法为主；重点是大系统多级递阶控制；重点是大系统多级递阶控制；核心装置是网络化的电子计算机。核心装置是网络化的电子计算机。控制论发展三阶段控制论发展三阶段 从从控控制制论论的的观观点点看看，人人是是最最巧巧妙妙，最最灵灵活活的的控控制制系系统统。它它善善于于根根据据条条件件的的变变化化而而作作出出正正确确的的处处理理。如如何何将将人人的的智智能能应应用用于于实实际际的的自自动动控控制制系系统统中中，这这是是个个有有重重要要意意义义的的问问题。题。七七十十年年代代开开始始，人人们们不不仅仅解解决决社社会会、经经济济、管管理理、生生态态环环境境等等系系统统问问题题，而而且且为为解解决决模模拟拟人人脑脑功功能能，形形成成了了新新的的学学科科-人人工工智智能科学，这是控制论的发展前沿。能科学，这是控制论的发展前沿。计计算算机机技技术术的的发发展展为为人人工工智智能能的的发发展展提提供供了了坚坚实实的的基基础础。人人们们通通过过计计算算机机的的强强大大的的信信息息处处理理能能力力来来开开发发人人工工智智能能，并并用用它它来来模模仿仿人人脑脑。在在没没有有人人的的干干预预下下，人人工工智智能能系系统统能能够够进进行行自自我我调调节节、自自我我学学习习和和自自我我组组织织，以以适适应应外外界界环环境境的的变变化化，并并作作出相应的决策和控制。出相应的决策和控制。智智 能能 控控 制制 (Intelligent Control)l 将将人人工工智智能能引引入入到到自自动动控控制制系系统统中中，形形成成智智能控制系统。能控制系统。l 特特点点：具具有有智智能能，能能解解决决一一些些以以往往的的自自动动控控制技术解决不好或不能解决的控制问题；制技术解决不好或不能解决的控制问题；l 它它将将人人工工智智能能中中的的专专家家系系统统、学学习习控控制制、模模糊糊逻逻辑辑控控制制和和人人工工神神经经网网络络等等分分别别与与自自动动控控制制和和系系统统工工程程的的一一些些方方法法结结合合，形形成成一一些些新新的的、具有独特性能的智能自动控制系统。具有独特性能的智能自动控制系统。经典控制、现代控制与智能控制经典控制、现代控制与智能控制 l 经经典典控控制制主主要要用用于于分分析析线线性性定定常常单单入入单单出出系系统，其分析工具是微分方程或传递函数。统，其分析工具是微分方程或传递函数。l 现现代代控控制制还还可可以以分分析析非非线线性性时时变变多多入入多多出出系系统，其分析工具是状态方程和输出方程。统，其分析工具是状态方程和输出方程。l 智智能能控控制制是是模模仿仿人人类类智智能能所所构构成成的的一一类类控控制制系系统统，它它可可以以处处理理各各种种复复杂杂系系统统，其其求求解解过过程程主要依靠搜索、自学习、模拟进化。主要依靠搜索、自学习、模拟进化。经典控制、现代控制与智能控制经典控制、现代控制与智能控制 l 应应用用对对象象不不同同：SISO，SISO和和MIMO，各各种种复复杂杂系统。系统。l 数数学学方方法法不不同同：微微分分方方程程或或传传递递函函数数，状状态态方方程程和和输出方程，搜索、自学习和模拟进化等；输出方程，搜索、自学习和模拟进化等；l 对对被被控控对对象象数数学学模模型型的的要要求求不不同同：经经典典控控制制和和现现代代控控制制均均需需要要了了解解被被控控对对象象的的数数学学模模型型，而而智智能能控控制制则则不需要详细了解被控对象的数学模型。不需要详细了解被控对象的数学模型。l 控控制制算算法法的的不不同同：经经典典控控制制和和现现代代控控制制基基于于精精确确的的控制算法，而智能控制算法具有随机性和模糊性。控制算法，而智能控制算法具有随机性和模糊性。自动化教育机构 西安、上海、北京交通大学 中国石油大学/北化工/华东理工 东北大学清华大学浙江大学中科大 华北电力大学、东北电力大学、上海电力学院 哈工大、西北工大、北理工自动化科研机构 中科院自动化所 中科院沈阳自动化所 冶金自动化研究所 机械工业自动化研究所 天津电气传动设计研究所 上海工业自动化仪表研究所 重庆工业自动化仪表研究所自动化学术团体-IFAC IFAC，全称International Federation of Automatic Control，国际自动控制联合会。网址是：1957年9月成立于巴黎，自动控制领域国际性、非政府、非赢利、非政治性的组织，每个国家只能有一个代表组织。中国自动化学会是IFAC创始会员国之一。IFACs AIMSoPromote control science and technologyoAdvance international collaborationoStimulate research,development and application of automatic control and systems engineeringoPromote dissemination and exchange of informationoStimulate improvement and extension of educationIFAC Founded September 1957 IFAC Members:National Member OrganizationsThe NMOs represent control engineers from each of the following:AFRICASouth AfricaAMERICACanadaUSAArgentinaBrazilChileCubaMexicoVenezuelaAUSTRALIAAustraliaASIAChinaHong KongIndonesiaIsraelJapanKorea Rep.SingaporeVietnamEUROPEAustriaBelgiumBulgariaCroatiaCzech Rep.DenmarkEstoniaFinlandFranceGermanyGreeceHungaryItalyIrelandKosovoLithuaniaMacedoniaNetherlandsNorwayPolandPortugalRomaniaRussiaSlovak Rep.SloveniaSpainSwedenSwitzerlandTurkeyUkraineUnited KingdomIFAC EVENTSoWorld CongressesoSymposia(the Technical Board defines the Masterplan)oConferencesoWorkshopsApproximately 30 events per yearIFAC AwardsPresented at each Triennial World Congress THE GIORGIO QUAZZA MEDAL1981 Prof.John F.Coales1984 Prof.Iakov Z.Tsypkin1987 Prof.Karl J.Astrm1990 Prof.Petar Kokotovic1993 Prof.Edward J.Davison1996 Prof.Alberto Isidori1999Prof.Brian D.O.Anderson20002002 Prof.Lennart Ljung20012005 Prof.Tamer Basar20022008 Prof.Graham Goodwin THE NATHANIEL NICHOLS MEDAL1996 Prof.Jrgen Ackermann1999Prof.Gunter Stein20002002 Dr.Carl Nett20012005 Dr.William F.Powers20022008 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 AWARD2002 Yasuo Ichii,Shoji Murayama and Takahiro Yamasaki Development and Establishment Team for Hot Rolling Technology Kawasaki Steel Corporation2005 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 FellowsThe persons distinguished in 2005 wereB.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 FellowsP.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 FellowsF.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 FellowsS.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自动化学术团体-IEEElIEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会，网址是：http:/l 成立于1963年，是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是美国规模最大的专业学会，拥有来自175个国家的40万会员(到2011年)。l在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机及控制技术领域中，IEEE 发表的文献占了全球将近30%。IEEE每年也会主办或协办三百多项技术会议。自动化学术团体-CAA 中国自动化学会，Chinese Association of Automation，简称CAA，是中国自动化科学技术工作者组成的全国性学术团体。网址：http:/成立于1961年，挂靠中科院自动化所，现有29个省级学会，24个专业委员会，7个工作委员会，会员数量近3万人，基本覆盖了我国自动化科学技术领域的各个层面。自动化学术期刊-IFAC主办 Automatic Control Engineering Practice Annual Reviews in Control Engineering Applications of Artificial Intelligence Journal of Process Control自动化学术期刊-IEEE主办 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自动化学术期刊-其它 Systems&Control Letters International Journal of Control Asian Journal of Control European Journal of Control IET Control Theory&Applications自动化学术期刊-国内核心期刊 自动化学报 控制与决策 中国电机工程学报 模式识别与人工智能 信息与控制 控制理论与应用自动化学术期刊-国内核心期刊 电子学报 计算机学报 系统仿真学报 机器人 系统工程学报 软件学报自动化学术会议 IFAC Congress 每三年举行一次 American Control Conference IEEE 举办或协办的国际学术会议 中国控制会议CCC 中国控制与决策会议CCDC 中国过程控制会议CPCC