自動化的起源和發(fā)展第1頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化的誕生

人類自開始進行勞動以來，就一直夢想著制造出能夠無需人的參與就可以自己完成任務的勞動工具。從刀耕火種的年代起，人們就夢想著省時省力地生產出更多的東西，來滿足人們生活的需要。人們在幾千年的生產過程中，發(fā)明了很多節(jié)省力氣的工具，如在河流上建造的水車。可以通過水的沖擊帶動輪子轉動，實現灌溉、淘米等工作。

工業(yè)革命的到來(1788年)，為自動化的發(fā)展帶來了巨大的動力。此后的一百多年中，人們一直在探索，特別是，經過從1934年到1947年的十幾年研究(二戰(zhàn)期間),最終提出了自動化的理論基礎著作——控制論。標志著自動化技術的正式誕生。

從誕生到現在，自動化技術在各個領域大顯身手，飛機導航、交通運輸、導彈控制中到處都是自動化技術的應用。第2頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化在炮火中發(fā)展

自動化技術從產生到現在，它的發(fā)展始終沒有離開武器裝備的需要。

在第二次世界大戰(zhàn)中，同盟國軍隊的主要作戰(zhàn)武器是火炮。當時的火炮威力大、射程遠，但是命中精度比較差。如果沒有二戰(zhàn)這個巨大的實驗場，自動化技術也不會有如此大的發(fā)展?？梢赃@樣說“軍事裝備是自動化之父，二戰(zhàn)是自動化誕生的產房”。

如果說軍事設備是自動化之父，那么工業(yè)生產就是自動化之母。自動化生產是人們夢寐以求的事情。

福特發(fā)明的汽車生產線是最成功的早期生產線，1913年福特創(chuàng)建了由專用機床組成的“運動中的組裝線”在這種生產線上，要組裝的部件由傳送帶運到一個個工人面前，每一個工人只完成一種操作。

自動化技術為生產力的發(fā)展起了巨大作用，實現了人們擺脫繁重的勞動的愿望。同時自動化技術也在應用中得到不斷發(fā)展和完善。第3頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化原理下面我們以一個簡單的例子，來說明自動化的原理。自動化設備和機器的關鍵就在于反饋的存在，正是有了他的存在，才使自動化成為可能。反饋就是自動化的奧妙所在。所以自動控自原理也叫反饋控制原理。一個自動化系統(tǒng)無論結構多么復雜都是由下面幾部分組成：第一，檢測比較裝置。第二，控制器。第三，執(zhí)行機構。第四，控制量。第4頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六

控制器——系統(tǒng)的大腦

傳感器——系統(tǒng)的耳目

執(zhí)行器——系統(tǒng)的手腳

受控對象——溫柔的羔羊

穩(wěn)定性——不可或缺

魯棒性——健康的系統(tǒng)

極點——控制系統(tǒng)的精靈

第5頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化的前沿技術模糊控制——其實我很清楚最優(yōu)控制---“沒有更好只有最好”自適應控制——以變制變魯棒控制——以靜制動線性控制理論縱橫非線性控制理論的發(fā)展PID控制——簡而優(yōu)秀預測控制——未卜先知故障診斷——神醫(yī)妙手人工智能——智慧之巔專家系統(tǒng)——身邊的專家推理控制——經驗的作用集散控制系統(tǒng)（DCS）

第6頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六模糊控制

模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。自從這門科學誕生以來，它產生了許多探索性甚至是突破性的研究與應用成果，同時，這一方法也逐步成為了人們思考問題的重要方法論。

1965年美國的控制論專家L.A.Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合論，從而為描述，研究和處理模糊性現象提供了一種新的工具。一種利用模糊集合的理論來建立系統(tǒng)模型，設計控制器的新型方法——模糊控制也隨之問世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數學模型的被控對象進行有效的控制。

模糊控制作為智能領域中最具有實際意義的一種控制方法，已經在工業(yè)控制領域，家用電器自動化領域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效。第7頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六最優(yōu)控制

最優(yōu)控制問題研究的主要內容是：怎樣選擇控制規(guī)律才能使控制系統(tǒng)的性能和品質在某種意義下為最優(yōu)，求解最優(yōu)控制問題的方法，目前主要的就是上述的兩種方法，另外可能還會用到一些數值解法。用這些方法已經成功的解決了許多動態(tài)控制問題，如最小時間控制，最少燃料控制和最佳調節(jié)器等。最優(yōu)控制已經在航天，航海，導彈，電力系統(tǒng)，控制裝置，生產設備和生產過程中得到了比較成功的應用，而且在經濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。

最優(yōu)控制問題有四個關鍵點：（1）受控對象為動態(tài)系統(tǒng)。（2）初始與終端條件（時間和狀態(tài)）。（3）性能指標。（4）容許控制。而最優(yōu)控制問題的實質就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，使動態(tài)系統(tǒng)（受控對象）從初始狀態(tài)轉移到某種要求的終端狀態(tài)，并且保證某種要求的性能指標達到最小值或者是最大值。

時至今日，最優(yōu)控制理論的研究，無論在深度或是廣度上，都有了較大的進展。然而，隨著人們對客觀世界認識的不斷深化，又提出了一系列有待解決的新問題?？梢院敛豢鋸埖卣f，最優(yōu)控制理論依舊是極其活躍的科學領域之一。第8頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自適應控制

在日常生活中，所謂自適應是指生物能改變自己的習性以適應新的環(huán)境的一種特征。因此，直觀地講，自適應控制器應當是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應對象和擾動的動態(tài)特性的變化。

自適應控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數學模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。

任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現在系統(tǒng)內部，有時表現在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內部來講，描述被控對象的數學模型的結構和參數，設計者事先并不一定能準確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預測的。此外，還有一些測量時產生的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設計適當的控制作用，使得某一指定的性能指標達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應控制所要研究解決的問題。第9頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六魯棒控制

魯棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世紀50年代。在過去的50年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結構，大?。┑膮禂z動下，維持某些性能的特性。根據對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標設計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。

魯棒控制方法，是對時間域或頻率域來說，一般要假設過程動態(tài)特性的信息和它的變化范圍。一些算法不需要精確的過程模型，但需要一些離線辨識。

一般魯棒控制系統(tǒng)的設計是以一些最差的情況為基礎，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。常用的設計方法有：INA方法，同時

鎮(zhèn)定，完整性控制器設計，魯棒控制，

魯棒PID控制以及魯棒極點配置，魯棒觀測器等。

魯棒控制方法適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標的應用，同時過程的動態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預估。飛機和空間飛行器的控制是這類系統(tǒng)的例子。第10頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六線性控制理論

線性控制理論是系統(tǒng)與控制理論中最為成熟和最為基礎的一個組成分支，是現代控制理論的基石。系統(tǒng)與控制理論的其他分支，都不同程度地受到線性控制理論的概念、方法和結果的影響和推動。

嚴格地說，一切實際的系統(tǒng)都是非線性的，真正的線性系統(tǒng)在現實世界是不存在的。但是，很大一部分實際系統(tǒng)，它們的某些主要關系特性，在一定的范圍內，可以充分精確地用線性系統(tǒng)來加以近似地代表。并且，實際系統(tǒng)與理想化了的線性系統(tǒng)間的差別，對于所研究的問題而言已經小到無關緊要的程度而可予以忽略不計。因此，從這個意義上說，線性系統(tǒng)或者可線性化的系統(tǒng)又是大量存在的，而這正是研究線性系統(tǒng)的實際背景。

簡單說，線性系統(tǒng)理論主要研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性方法，建立和揭示系統(tǒng)結構、參數、行為和性能間的確定的和定量的關系。在對系統(tǒng)進行研究的過程中，建立合理的系統(tǒng)數學模型是首要的前提，對于線性系統(tǒng)，常用的模型有時間域模型和頻率域模型，時間域模型比較直觀，而頻率域模型則是一個更強大的工具，而者建立的基本途徑一般都通過解析法和實驗法。

第11頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六非線性控制理論

對非線性控制系統(tǒng)的研究，到上個世紀四十年代，已取得一些明顯的進展。主要的分析方法有：相平面法、李亞普諾夫法和描述函數法等。這些方法都已經被廣泛用來解決實際的非線性系統(tǒng)問題。但是這些方法都有一定的局限性，都不能成為分析非線性系統(tǒng)的通用方法。例如，用相平面法雖然能夠獲得系統(tǒng)的全部特征，如穩(wěn)定性、過渡過程等，但大于三階的系統(tǒng)無法應用。李亞普諾夫法則僅限于分析系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性問題，而且要求非線性元件的特性滿足一定條件。雖然這些年來，國內外有不少學者一直在這方面進行研究，也研究出一些新的方法，如頻率域的波波夫判據，廣義圓判據，輸入輸出穩(wěn)定性理論等。但總的來說，非線性控制系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展階段，遠非完善，很多問題都還有待研究解決，領域十分寬。

非線性控制理論作為很有前途的控制理論，將成為二十一世紀的控制理論的主旋律，將為我們人類社會提供更先進的控制系統(tǒng)，使自動化水平有更大的飛越。第12頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六PID控制——簡而優(yōu)秀

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為:

因此它的傳遞函數為：

它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產品，使用中只需設定三個參數（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器第13頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六預測控制

預測控制是近年來發(fā)展起來的一類新型的計算機控制算法。由于它采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，適用于控制不易建立精確數字模型且比較復雜的工業(yè)生產過程，所以它一出現就受到國內外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、冶金、機械等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)得到了成功的應用。

下面以模型算法控制為例子來說明預測控制的基本原理:

由于預測控制具有適應復雜生產過程控制的特點，所以預測控制具有強大的生命力。可以預言，隨著預測控制在理論和應用兩方面的不斷發(fā)展和完善，它必將在工業(yè)生產過程中發(fā)揮出越來越大的作用，展現出廣闊的應用的前景第14頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六故障診斷

現代的機械制造系統(tǒng)具有控制規(guī)模大、自動化程度高和柔性化強的特點。由于制造系統(tǒng)的結構越來越復雜，價格越來越昂貴，因此因為各種故障而導致的停機都是不可忍受的負擔。故障診斷系統(tǒng)就能夠在這個情況下滿足需要，也就是能夠合理制定維修計劃，最大限度減少停機維修的時間，以及在故障發(fā)生之后能夠迅速做出反應。因此，故障診斷系統(tǒng)在現在得到了迅速的發(fā)展。

故障診斷是隨著生產過程的復雜化而產生的一種技術，由于和現代傳感器技術、專家系統(tǒng)技術相結合，已經展現出了很強的生命力，必將為提高企業(yè)的生產效率和穩(wěn)定性提供越來越強大的支持。第15頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六人工智能

人工智能是一門邊緣學科，用來模擬人的思維，已經引起了許多學科的日益重視，并且有越來越多的實用意義，而且許多不同專業(yè)背景的科學家正在人工智能領域內獲得一些新的思維和新的方法。作為一個計算機科學中涉及智能計算機系統(tǒng)的一個分支，這些系統(tǒng)呈現出與人類的智能行為有關的特性。

人工智能的主要領域包括問題求解、語言處理、自動定理證明、智能數據檢索等領域。這些綜合概念在自然語言處理、情報檢索、自動程序設計、數學證明都有重要應用。人工智能的第一個大成就是發(fā)展了能夠求解難題的下棋程序。

人工智能包含的領域非常廣泛，問題的求解只是其中的一個重要方面。其他的方面包括比如謂詞演算、規(guī)則演繹系統(tǒng)、機器人問題以及專家系統(tǒng)等一系列問題。人工智能作為一個復雜的邊緣學科，正在有著越來越廣闊的前景，隨著新的數學理論的完善以及計算機新的硬件的出現，人工智能必將能夠更好地模擬人的思維。第16頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)(ExpertSystem)是一個基于知識的智能推理系統(tǒng)，它涉及到對知識獲取、知識庫、推理控制機制以及智能人機接口的研究，是集人工智能和領域知識于一體的系統(tǒng)。近些年，專家系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應用大大推進了各個應用領域向智能化方向發(fā)展，成為人工智能從實驗室研究進入實用領域的一個里程碑。

在一個成熟的專家系統(tǒng)中，有幾項技術是極為關鍵的。首先，為了便于知識在計算機中的存貯、檢索、使用和修改，并進行推理和搜索，知識表示技術必須具有很高的效率，目前主要有產生式表達法、語義網絡表達法、框架表達法、謂詞邏輯表達法等技術，并且新的技術還在開發(fā)當中；其次，因為要在專家系統(tǒng)中用計算機模擬人的思維，不精確推理方法是必不可少的，針對實際需要，概率算法一度成為最重要的方法，近幾年來，模糊數學的引入為這一領域的發(fā)展開辟了新的前景；最后，和知識表示技術與推理方法相關，作為人的思維搜索過程的模擬，搜索策略的好壞對系統(tǒng)的成敗也是意義重大的，現在人們已經利用的技術有狀態(tài)空間法、問題遞歸法、最佳優(yōu)先法等?？傊?，人工智能系統(tǒng)的特殊性，決定了它是一個跨越多學科、充滿活力、對基礎研究的依賴性很強的一個領域，它的發(fā)展，必將向我們展示科學技術王國的更多魅力，也會令我們的生活更為美好。第17頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六集散控制系統(tǒng)(DCS)

DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實現方法上卻完全不同。

DCS自1975年問世以來，已經經歷了三十多年的發(fā)展歷程。在這三十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結構上沒有發(fā)生重大改變，但是經過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標準化，更加產品化的方向發(fā)展。

進入二十一世紀以來，計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯?，F場總線技術在進入九十年代中期以后發(fā)展十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。第18頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化技術的十八般兵器物理傳感器光纖傳感器仿生傳感器紅外傳感器電磁傳感器磁光效應傳感器壓力傳感器溫度傳感器超聲波傳感器虛擬儀表步進電機變頻器電磁閥液壓裝備繼電器控制設備單片機可編程控制器（PLC）工業(yè)計算機（IPC）第19頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化技術的應用1、自動化技術在工業(yè)中的應用

自動化的制造業(yè)

電力系統(tǒng)自動化

建筑自動化

交通運輸自動化

信息自動化

自動無極限2、自動化技術在軍事中的應用新型自動化武器軍事指揮自動化3、自動化技術在日常生活中的應用自動累計，無需勞神；溫度控制，冷熱不紊；定時控制，歲月有情；定時控制，歲月有情；防災報警，守護生命；自動電器，化繁為簡第20頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化技術在工業(yè)中的應用自動化的制造業(yè)

蒸汽機—新時代的開端設計自動化—CAD和CAPP車間舊貌換新顏

數控機床柔性制造系統(tǒng)（FMS）虛擬機床DNC系統(tǒng)

淺談自動化孤島未來工廠—CIMS

自動化倉庫ABC現場總線技術

21世紀的制造自動化

并行工程敏捷制造精良生產仿生制造智能制造

虛擬制造

第21頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六電力系統(tǒng)自動化電是怎樣生產出來的從蒸汽機到火力發(fā)電站大亞灣里的自動化三峽電站的秘密電的旅途電力調度自動化無人職守變電站故障是怎樣解除的電網上能打電話嗎第22頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六建筑自動化智能大廈簡介智能大廈１智能大廈２智能大廈３什么叫智能建筑樓宇自動化辦公自動化—使你工作效率更高大廈中的網絡智能小區(qū)的防火系統(tǒng)第23頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六交通運輸自動化自動化列車的焦點無人飛機—明日之星自動化公路—偉大的奠基交通自動收費系統(tǒng)汽車的自動導航無軌巷道堆垛機汽車的保護傘―防撞系統(tǒng)自動無人搬運車的發(fā)展無人駕駛汽車介紹第24頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六信息自動化

企業(yè)新形象前景誘人的“三金”工程

WWW快速上手電子會議系統(tǒng)信息科技的發(fā)展信息高速公路生物芯片的異軍突起嶄露頭角的多媒體信息技術的明天信息時代的象征第25頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動無極限農業(yè)新紀元醫(yī)學界新寵讓學習輕松簡單使你的消費準確便利化工生產自動化新世紀的鋼鐵生產圖書管理自動化水庫管理自動化銀行自動化煤礦自動化電視轉播自動化冶金自動化城市供熱自動化石油化工自動化公共場合衛(wèi)生管理自動化細菌鑒定家庭自動化IC卡技術條碼技術信號處理第26頁，共35頁，2023年，2月20日，星期六自動化技術在軍事中的應用精確制導，彈無虛發(fā)制導導彈，長劍倚天陀螺雖小，制導關鍵智能地雷，出其不意機器奇兵，鋼鐵戰(zhàn)士無人戰(zhàn)機，決勝千里隱身部隊，悄無聲息微型電機，神鬼莫測網絡戰(zhàn)爭，黑客縱橫神通雷達，恢恢天網滑翔炸彈，殺手翩翩聲納致命，大洋深處爆破鐵甲，導彈兇猛衛(wèi)星遙感，盡收眼底隱身飛機