自动化学科知识体系与课程体系

控制知识层
知识域： 传感与检测、网络与通信 计算与处理、控制与智能 执行与驱动、对象与建模
基础知识层 知识域： 数理基础 机电基础、计算机基础
5.1.3 自动化学科的知识体系
知识体系由三层知识构成，包括十个知识领域： 基础知识层：三个知识领域，
数理基础、机电基础、计算机基础 控制知识层：含六个知识领域，分别为
5.2.1 不同类型的知识结构与体系的划分 5.2.2 “实体控制”类知识结构与体系 5.2.3 “信息控制”类知识结构与体系 5.2.4 “模型控制”类知识结构与体系
5.2.1 不同类型的知识结构与体系的划分
三类不同的知识结构与知识体系 指导思想： 针从不同的人才需求、不同的培 养目标，对同一专业划分三类各有不同（各有侧重 各有特色）的知识结构与知识体系。
自动化学科概论
第5章 自动化学科、专业的 知识体系与课程体系
自动化学科概论
第5章 自动化学科专业的知识体系与课程体系
5.1 自动化学科的知识结构与知识体系 5.2 自动化专业的知识结构与知识体系 5.3 自动化专业人才的知识、素质与能力 5.4 自动化专业的课程结构与课程体系
第5章 自动化学科专业的知识体系与课程体系
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）、 对象与建模；
系统知识层：含一个知识领域，系统与工程
十个知识领域中， 反映自动化学科特点的五个知识领域是：
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；
而控制与智能、对象与建模、系统与工程 等三个知识领域则可视为自动化学科知识体 系的核心知识，也是自动化学科与其它学科 的最大区别。
知识体系中各个知识领域包含的知识单元
列举如下：
1） “传感与检测”知识领域，
包含的知识单元有：理化生等传感器、检 测与诊断、遥测、遥感、抗干扰技术、测量信 号处理、机器人感知等等；
系统的特点。通过“综合”与“集成”的方法， 学习从系统的观点研究信息的控制；
学科分类的特点。很大部分学生将读研究生， 因而在本科阶段的后半期按研究生教育 的学科分开设一些（二级）学科课程 （称之为专业方向课程）是通常的做法。
5.2.4 模型控制类知识结构与体系
“模型控制”类知识结构与体系特点： 突出坚实的数学基础、 坚实的控制理论基础； 突出对典型的控制系统进行抽象、加工、 改造（使具有普适性）和分析的能力。
课程结构
通识教 育课
自然科学 信息基础
专业基 础课
其他组（略） 电工与电子
机械与工程 计算机原理 控制基础
专业基础 实践
基本控制
专业课 业
专业方向
专业前沿
专业实践
一年级
秋季学期
春季学期
高等数学 大学物理
高等数学 线性代数 大学物理
计算机文化
程序设计语 言
二年级
秋季学期
春季学期
复变函数 概率统计 大学化学*
自动化学科研究的不同层次，分别为：
“模型控制”，突出学科的数学特征；
“信息控制”，突出学科的信息特征；
“实体控制”，突出学科的工程特征。
学科研究的不同层次反映了研究工作者不 同的研究角度，将学科划分为不同的研究层次可 吸引更多的工作者从不同的研究角度来进行研究。
对于本科自动化专业教育，把不同的培养 目标与不同的研究层次联系起来，从而得到适应 不同院校、不同专业设置需要的不同类型的知识 结构与体系，分别为：
具 体 要求
知识要求 工具性知识、人文社会科学基础知识、自然科 学基础知识、工程技术基础知识、自动化专业 知识。
素质要求 思想道德素质、科学素质、文化素质、身心素 质。
能力要求 获取知识能力、应用知识能力、创造知识（科 研创新）能力。
第5章 自动化学科专业的知识体系与课程体系
5.4 自动化专业的课程结构与课程体系
第5章 自动化学科专业的知识体系与课程体系
5.3自动化专业人才的知识、素质与能力
5.3.1 自动化专业人才培养目标 5.3.2 自动化专业人才的完整知识结构 5.3.3 自动化专业人才的素质、能力要求
5.3.1 自动化专业人才培养目标
自动化专业对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”。
“模型控制”类知识结构与知识体系
“信息控制”类知识结构与知识体系
“实体控制”类知识结构与知识体系
不同类的知识结构体系 与不同型的自动化专业之间的关系
模型控制类 信息控制类
实体控制类
知识结构体系 知识结构体系 知识结构体系
研究主导型 自动化专业
研究应用型 自动化专业
应用主导型 自动化专业
5.2.2 实体控制类知识结构与体系
5）“执行与驱动”知识领域，
包含的知识单元有：机电汽液驱动与控 制、自动化仪表、光机电一体化、各种遥控器、 电力电子等等；
6）“对象与建模”知识领域，
包含的知识单元有：系统辨识与参数估 计、各类系统建模技术、CAD仿真技术、电机 原理与传动、机械原理与结构、 机器人原理 等等；
7）“系统与工程”知识领域，
数值分析*
三年级
秋季学期
春季学期
随机过程*
运筹学*
四年级
秋季学期
春季学期
多媒体技术*
电路
工程制图
机械原理
自动化概论
机械实习 电路实验
模拟电子技 术 电磁场*
数字电子技 术 信号与系统 电力电子*
电子实验
软件技术
自动控制原 理
电子实验 自动控制实 验 电力电子实 验
微机原理
现代控制理 论 检测与传感 微机原理实 验 现代控制实 验 检测实验 自动化仪表 过程系统辨 识控制电机
系；
数字量与模拟量的概念及其关系； 系统、子系统的概念及其关系。
即包含了自动化学科中的各个重要概念
操作+
指令 -
控制器
噪声
外部干扰
D/A
执行器
对 象 输出
噪声
信号处理 A/D 传感器
同时不难发现，几乎所有的与自动化科学与技 术学科有关的知识都能从上图所示的典型负 反馈闭环控制中反映出来，
换句话说，完成一个基本系统的反馈控制需要 用到几乎全部自动化学科知识域中的知识 （虽然只是每个知识域中的部分知识）。
执行器 对 象
信号处理 A/D
数字量
传感器
模拟量
⑷ 从子系统的角度 来看基本的负反馈闭环控制结构
及其等效图 广义控制器（广义执行器）
+
控制器
-
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
广义控制器
对象
小结：
典型的负反馈闭环控制中，包含了
“反馈”与“控制”的概念； “信息” 与“物质、能量” 的概念及其关
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：
① 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；
② 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。
对自动化专业人才的 知识、素质与能力要求综合表
总要求
包含的知识单元有：多变量系统、非线 性系统、分布参数系统、离散事件系统、大系 统、复杂系统、运动控制系统、过程控制系统、 集成自动化系统、管理信息系统、系统工程、 运筹学、最优化、智能系统、机器人系统、多 智能体等等。
第5章 自动化学科专业的知识体系与课程体系
5.2 自动化专业的知识结构与知识体系
2）“网络与通信”知识领域，
包含的知识单元有：通信原理、计算机 网络、多媒体、遥技术等等；
3） “计算与处理”知识领域，
包含的知识单元有：数字信号处理、图像 处理、模式识别、数据结构、操作系统、计算 算法基础、并行处理、分布处理、软件工程、 搜索与推理等等；
4） “控制与智能”知识领域，
包含的知识单元有：控制理论、稳定性 与鲁棒性、可靠性与容错、最优控制、自适应 控制、自学习控制、人工智能、智能控制、人 机控制等等；
通识教育课
课程组： 自然科学基础、信息基础 人文科学基础、外语组 社会科学基础、文体组
5.4.2 “实体控制”类课程体系
针对生产过程自动化的参考课程结构与体系
注：考虑到生源与培养目标的差异和制订教学计 划的见仁见智，课程结构与体系间的差别可能较大。 当学生学习时发现，自己所在的学校、专业的课程结 构、体系与后面给出的参考体系有较大差别，一点也 不奇怪。
电机拖动实 验
工业计算机网络 PLC技术* 单片机原理*
嵌入式系统*
过程控制系统 计算机控制 运动控制系统*
控制系统设计* 管理信息系统*
专业课实验
集散控制系 统 现场总线技 术仪表抗干 扰
过程仿真*
生产实习 课程设计
人工智能* 最优控制*
智能控制* 毕业设计
5.4.3 “信息控制”类课程体系
“信息控制”类参考课程体系 之1——分专业方向 （见书） 之2——不分专业方向（见下表）
维纳给出的负反馈闭环控制结构图
期望
输出响应 +
误差 控制器
-
传感器
实际 过程或 输出响应 系统
采用计算机控制的典型自动化系统
噪声
外部干扰
噪声
执行器
被控对象
传感器
输出
设备、系统
D/A
计算机
A/D
控制器
操作指令
⑴从“反馈”与“控制”的角度看负反馈闭环控 制结构
操作+
指令 -
控制器
噪声
外部干扰
D/A
执行器
5.1自动化学科的知识结构与知识体系
5.1.1 自动化学科的研究内容 5.1.2 自动化学科的知识结构 5.1.3 自动化学科的知识体系
5.1.1 自动化学科的研究内容
众多应用领域
相互推动
自动化的理论、方法与技术
支撑
支持
基础与交叉学科 技术与工具
自动化科学与技术学科的结构框架图
5.1.2 自动化学科的知识结构
人机接口或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用 物质世界
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
信息处理 信息传输 信息获取
+ 信 信息控息制
-
信息处理
层信
息 传 输
信息应用物质、物质能对量象 层
信息获取
⑶ 从数字量与模拟量的角度 看负反馈闭环控制结构
计算机（控制）
+
控制器
D/A
-
广义的被控对象
知识域： 计算与处理
知识元： 信号、图象处理 并行、分布处理 计算、搜索、推理 模式识别等等
知识域： 网络与通信
知识元： 通信技术 计算机网络 多媒体 遥技术等等
知识域： 传感与检测
知识元： 理化生等传感器 检测、遥测、遥感 测量信号处理 机器人感知等等
相负 应反 的馈 知闭
识环 领控 域制 的中
对的 应各 关部 系分
知识域： 控制与智能
知识元： 控制理论 可靠性与容错 人工智能 人机控制等等
+
控制器
-
知识域： 执行与驱动
知识元： 机电汽液驱动 自动化仪表 光机电一体化 电力电子等等
知识域： 对象与建模
知识元： 建模、系统辨识 电机原理与传动 机械原理与结构 机器人原理等等
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
对 象 输出
噪声
信号处理 A/D 传感器
⑵ 从信息与物质、能量的角度 来看基本的负反馈闭环控制结构
人机接Leabharlann Baidu或 +
上一层控制器 -
信息控制
控制器
信息应用 物质世界
D/A 执行器 对 象
信号处理 A/D 传感器
信息处理 信息传输 信息获取
信息层
物质、能量层
用信息与物质、能量转换关系 来表示的负反馈闭环控制结构
与
系统 知识层
控制 知识层
基础 知识层
自动化学科的整个知识结构框架
知识域：系统与工程
自
知识元：大系统、复杂系统、运动控制
动
系统、过程控制系统、集成自动化系统、管理 信息系统、系统工程、运筹学、智能系统、机器
化
人系统、人机系统、多智能体等等
学
科
+
-
控制与智能
网 络 与
执行与驱动
对象与建模
通
信
计算与处理
传感与检测
的 整 个 知
识
结
构
框 知识域：数理基础、机电基础、计算机基础
知识元：数学、力学、物理、化学、现代生物学、生命科学、脑科学、思维科学、
架 系统科学、管理科学、电工电子基础、机械基础、计算机原理、计算机语言、微机
原理等等
自动化科学与技术学科的三层知识结构简图
系统知识层 知识域： 系统与工程
5.4.1 自动化专业的课程结构 5.4.2 “实体控制”类课程体系 5.4.3 “信息控制”类课程体系 5.4.4 “模型控制”类课程体系
5.4.1 自动化专业的课程结构
专业课
课程组： 基本控制组、专业方向组 专业前沿组、专业实践组
专业基础课
课程组： 电工与电子、机械与工程 计算机原理、控制基础组 专业基础实践
“实体控制”类知识结构与体系特点： 工程的特点 专门自动化的特点： 如商业自动化、化工自动化、 交通自动化，建筑自动化、电力自动化。
5.2.3 信息控制类知识结构与体系
“信息控制”类知识结构与体系特点：
信息的特点。学习信息科学技术的许多内容， 重点在信息的控制应用上；
通识自动化的特点。带有一定普遍性或共性的 对象（机器、系统）的信息控制问题；