自动化学科概论-第3章自动化基本原理
自动化基础知识
自动化基础知识在当今科技飞速发展的时代，自动化技术已经广泛应用于各个领域，从工业生产到日常生活，从交通运输到医疗卫生，自动化的身影无处不在。
那么，什么是自动化？自动化的基本原理和技术又包括哪些呢？接下来，让我们一起走进自动化的世界，了解自动化的基础知识。
一、自动化的定义自动化，简单来说，就是机器设备、系统或过程在没有人或较少人的直接参与下，按照预定的程序或指令自动进行操作或控制，以实现预期的目标。
它的目的是提高生产效率、保证产品质量、降低成本、减轻劳动强度以及改善工作环境。
例如，在工厂的生产线上，自动化设备可以自动完成零部件的加工、组装和检测，无需人工频繁干预；在智能家居系统中，通过预设的程序，灯光、温度、电器等可以根据时间和环境条件自动调整。
二、自动化的发展历程自动化的发展可以追溯到古代。
早在公元前，中国和古希腊就发明了一些简单的自动装置，如指南车、漏壶等。
然而，真正意义上的自动化技术的发展始于工业革命时期。
18 世纪末，瓦特发明的蒸汽机调速器被认为是第一个自动调节装置。
随着电力的广泛应用和电子技术的发展，20 世纪 40 年代，自动化技术进入了一个新的阶段，以控制理论为基础的现代控制技术逐渐形成。
近年来，随着计算机技术、网络技术和人工智能技术的不断进步，自动化技术朝着智能化、网络化和集成化的方向快速发展。
三、自动化系统的组成一个完整的自动化系统通常包括以下几个部分：1、控制对象：即需要被控制的设备、过程或系统，如机器、生产线、物流系统等。
2、传感器：用于检测控制对象的各种物理量，如温度、压力、速度、位置等，并将其转换为电信号或其他便于处理的信号。
3、控制器：对传感器采集到的信号进行处理和分析，根据预定的控制策略生成控制指令。
4、执行器：根据控制器的指令，对控制对象进行操作，如驱动电机、调节阀门等。
5、通信网络：用于在各个组成部分之间传输数据和指令，实现信息的共享和协同工作。
四、自动化的控制方式1、开环控制开环控制是指控制装置与控制对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。
《自动化学科概论》课件
自动化学科起源于工业革命，经历了机械自动化、电气自动化、计算机控制和智能化的发展 阶段。
Hale Waihona Puke 关键里程碑关键里程碑包括第一台可编程数字计算机、第一个工业机器人等。
自动化学科的主要内容
控制理论
研究控制系统的设计、分析 和优化方法。
传感器与执行器
研究感知和执行装置的设计 和应用。
自动化系统
研究自动化系统的建模、仿 真和调控。
3 认识自动化学科的
重要性和应用范围
探索自动化学科的未来 发展趋势和挑战
课程概述
本课程旨在介绍自动化学科的基本概念和理论，并深入探讨其在工业、交通、医疗等领域中的应用。通 过学习本课程，您将获得对自动化技术与系统的全面了解。
自动化学科的定义和发展
定义
自动化学科是研究如何使用机械、电子和计算机等技术，实现工业和日常生活中的智能化、 自动化过程的学科。
3
未来发展
自动化学科将继续与其他领域交叉，推动技术的进一步创新和应用。
结论和总结
通过学习《自动化学科概论》，您将拥有对自动化学科原理和应用的全面认 识，为未来的学习和研究打下坚实的基础。
自动化学科的应用领域
工业自动化 交通自动化 医疗自动化 家庭自动化
汽车生产、电子制造等 交通信号控制、智能交通系统等 手术机器人、医疗设备等 智能家居、智能家电等
自动化学科的前景和挑战
1
前景
自动化技术的不断发展将推动工业生产效率的提升，改善生活质量。
2
挑战
面临的挑战包括人工智能、数据安全和人机协作等方面的问题。
《自动化学科概论》PPT 课件
欢迎来到《自动化学科概论》PPT课件。在这个课程中，我们将介绍自动化 学科的基本概念、发展历程，以及它在各个应用领域中的重要性和前景。
自动化学科概论(第二版)
自动化学科概论（第二版）一、引言自动化学科是一门研究如何使用机械、电子和计算机技术来实现自动控制的学科。
它涉及到多个领域，包括机械工程、电子工程、计算机科学和控制理论等。
自动化技术的发展和应用广泛应用于各个行业和领域，为现代社会的发展做出了重要贡献。
二、自动化的基本概念1. 自动化的定义自动化是指利用现代科学技术，通过对被控对象的监测、计算、判断和操作，实现对被控对象的控制，从而使其在规定的条件下完成一定的任务。
2. 自动化系统的组成自动化系统通常包括输入、处理和输出三个基本部分。
输入部分负责采集被控对象的信息，处理部分负责对输入的数据进行处理和判断，输出部分负责根据处理结果对被控对象进行控制。
3. 自动化的特点自动化具有以下几个特点：•自动化可以提高生产效率和质量，降低成本。
通过自动化技术，可以实现对生产过程的精确控制，减少人为因素对生产质量的影响，提高产品的合格率和一致性。
•自动化可以提高安全性和稳定性。
自动化系统可以对危险和复杂的工作进行替代，减少人员的伤害风险，提高工作的稳定性和可靠性。
•自动化可以实现对大规模和复杂系统的管理。
自动化系统可以对大量的数据进行监测和处理，实现对系统的全面管理和控制。
•自动化可以提高人的工作环境和工作负担。
通过自动化系统可以对一些重复性和繁琐的工作进行自动化处理，减轻人员的工作压力，提高工作的舒适性和效率。
三、自动化学科的发展历程1. 自动化学科的起源自动化学科的起源可以追溯到工业革命时期。
当时，人们开始使用机器来替代人力进行生产，从而提高生产效率。
这标志着自动化技术的开始。
2. 自动化学科的发展阶段自动化学科的发展可以分为以下几个阶段：•机械自动化阶段：在这个阶段，机械设备被广泛应用于工业生产，并实现了一定程度的自动化。
•电气自动化阶段：随着电气技术的发展，人们开始使用电气设备来实现自动化控制，提高了控制的精度和可靠性。
•电子自动化阶段：随着电子技术的发展，人们开始使用电子设备来实现自动化控制，同时引入了数字计算技术，提高了控制系统的灵活性和可编程性。
自动化学科概论--学生版-东南大学-自动化学院
物理专业
（硕士博士）
控制理论与控制工
理学类 数学专业
程（二级学科）
理科 （理工类）
。。。
自动化专业 （一级学科）
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）
文科
工学类
计算机专业 通信专业
机械专业 电工专业 建筑专业
。。。
导航与制导(二级 学科）
二、自动化专业简介 2、自动化的研究内容
但光有计算机，能改变周围的一切吗？
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。
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：
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
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。
(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
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
*交通： 自动控制的红绿灯、 火车上的自动烧开水机
自动化的基本原理
自动化的基本原理自动化是指利用机械、电子、计算机等技术手段，对生产、工程、管理等过程进行控制和管理的一种方式。
它通过自动化设备和系统，实现对各种生产和管理活动的自动化操作和控制，提高生产效率、质量和安全性。
自动化的基本原理包括传感器、执行器、控制器和信息处理系统等几个方面。
1. 传感器：传感器是自动化系统中的重要组成部份，用于感知和采集各种物理量和信号。
传感器可以感知温度、压力、湿度、速度、位置等参数，并将其转化为电信号或者数字信号，供后续的控制和处理使用。
例如，温度传感器可以感知环境温度的变化，并将其转化为电信号，供控制器判断和控制温度。
2. 执行器：执行器是根据控制信号，执行相应动作的装置。
它可以根据控制信号来控制阀门的开关、机电的转动、气缸的伸缩等。
执行器是将控制信号转化为物理动作的关键组件，实现对机械、电气或者液压系统的控制。
3. 控制器：控制器是自动化系统中的核心部份，用于接收传感器采集的信号，并根据预定的控制算法，生成控制信号，控制执行器的动作。
控制器可以是硬件设备，也可以是软件程序。
例如，PLC（可编程逻辑控制器）是一种常用的控制器，它可以根据程序逻辑控制各种执行器的动作。
4. 信息处理系统：信息处理系统用于处理和分析传感器采集的数据，提供决策支持和优化控制。
信息处理系统可以采用计算机、云平台等技术手段，对大量数据进行存储、处理和分析，从而实现对自动化系统的监控和管理。
例如，工厂生产线上的信息处理系统可以实时监测生产状态，预测故障风险，并提供优化建议。
自动化的基本原理还涉及到控制算法、通信协议、安全保护等方面。
控制算法是指根据特定的控制目标和系统特性，设计合理的控制策略和算法，以实现对系统的精确控制。
通信协议是指不同设备之间进行通信和数据交换的规范和标准，确保各个设备之间的协调和配合。
安全保护是指在自动化系统中采取措施，保护人员和设备的安全，防止事故和故障的发生。
总结起来，自动化的基本原理包括传感器、执行器、控制器和信息处理系统等几个方面。
自动化的基本原理
自动化的基本原理引言概述:自动化是指利用机械、电子、计算机等技术手段，使各种生产过程和操作过程实现自动化的过程。
它是现代工业发展的重要方向之一，具有提高生产效率、降低成本、提高产品质量等诸多优势。
本文将介绍自动化的基本原理，包括传感器与执行器、控制系统、反馈机制、决策与规划以及人机交互等五个方面。
一、传感器与执行器:1.1 传感器的作用是将物理量转化为电信号，用于感知环境和物体的状态。
常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
传感器的选择应根据具体的应用需求进行，确保能够准确、可靠地获取所需的信息。
1.2 执行器的作用是根据控制信号执行相应的动作，控制物体的运动或者操作。
例如，电动机、液压缸、气动阀等都属于执行器的范畴。
执行器的选择应根据所需的运动形式、力量和速度等要求进行，以确保能够有效地实现自动化控制。
二、控制系统:2.1 控制系统是自动化的核心部份，它负责接收传感器的信号并根据预设的控制策略进行处理。
常见的控制系统包括PID控制器、含糊控制器、神经网络控制器等。
控制系统的设计需要考虑系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力等因素，以实现精确的控制效果。
2.2 控制系统通常采用闭环控制的方式，即通过反馈机制不断调整控制信号，使系统的输出达到期望值。
反馈机制可以根据系统的实际情况选择合适的方式，如位置反馈、速度反馈或者力反馈等。
通过反馈机制，控制系统能够实时地对系统状态进行监测和调整，提高控制的准确性和稳定性。
三、决策与规划:3.1 决策是指根据系统的状态和目标，确定合适的控制策略和参数。
决策可以基于经验规则、数学模型或者优化算法等进行。
合理的决策能够提高系统的性能和效率，实现最佳的控制效果。
3.2 规划是指根据系统的目标和约束条件，生成合理的运动轨迹或者操作序列。
规划可以基于路径规划算法、动力学模型或者优化方法等进行。
良好的规划能够使系统运动更加平滑、高效，并避免碰撞和冲突等问题。
四、人机交互:4.1 人机交互是指人与自动化系统之间的信息交流和操作方式。
自动化概论PPT课件(38页)
课程基本情况
学时：27 作业：（无） 成绩评定：
平时（考勤）30% 期末考查（开卷笔试）70%
专业的前身
工业企业电气化及自动化专业 （简称工企专业 ）
工业电气自动化专业 工业自动化专业
生产过程自动化 仪表自动化
自动化概论
本课程的主要内容
1.自动化的概念和发展简史 2.自动控制系统的类型和组成 3.基本的控制方法 4.控制和自动化的应用范畴 5.控制和自动化的展望 6.自动化专业概览
教材与参考书
[1] 西安交大万百五主编《自动化（专业）概论》（第二版），武 汉理工大学出版社，2005年。
[2] 电子书《信息爆炸时代的控制》——关于控制、动力学和系统 未来方向的专家小组报告，2003年。
自动化技术的发展
检测、计算、通信、执行和复杂性技术成本/性能曲线
自动化与工业化、信息化、知识化的关系社 会来自机械化（应用机器系统）
电气化（加入电机、网络）
工业化
自动化（加入自动控制器）
总
数字化（应用数字计算机） 网络化（实现计算机网络）
信息化
发 先进自动化（系统、管理）
展 智能化（引入智能） 知识化（处理知识）
先进自动化（综合集成了系统、管理）
实现先进自动化，就完成（工业）信息化 先进自动化是信息化的最重要标志
（国内总体，数字化、网络化已有一定规模）
（基础）自动化（核心是控制） 是工业化完成与否的标志
自动化技术是工业化的核心技术
先进自动化（核心是信息、控制、系统） 是信息化完成与否的标志
先进自动化技术是信息化的核心技术
自动化专业(学科)概论
动态偏差（超调量）
Mp
ym1 r 100% 20% r
2．间接型性能指标
∞
Q 0 e(t ) dt
（1）绝对误差的矩的积分 （2）绝对误差的二阶矩的积分 （3）误差平方的矩的积分 （4）误差平方的二阶矩的积分
Q tts e(t) dt 0
Q tts 2 e(t) dt 0
专业是学科的一个方向，当把学科分得很 细时，学科与专业就成为同义词了。
1.3 自动化专业的历史沿革
1948年 维纳教授发表《控制论》——控制理论形成 1954年 钱学森教授发表《工程控制论》 1956年 清华、西交大成立工业企业电气化
—— 形成自动化专业 1958年 清华等建立自动控制系，如航空自动控制系 1958年 华北电力大学建立热工测量及其自动化专业 1998年 各院校把原来的与自动化相关的专业更名为
=1101010011101010011101101
3、控制
控制（Control）是指为了改善系统的性能或达 到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到 系统的作用。
可控系统
不可控系统
4、数学模型
用来描述系统中各物理量的变化及相互作用、相 互制约关系的数学表达式称为系统的数学模型
数学模型种类：
状态空间、微分方程、差分方程、脉冲响应、传 递函数、频率响应模型等
2.1.1 系统的基本组成结构
（1）被控对象（控制对象） 系 统所要控制的设备或过程，它的 输出称为被控量，它的输入称为 控制量 （2）测量环节（传感器） 将被 控量检测出来并传送给控制环节 的装置 （3）控制环节（控制器） 它的 功能是根据偏差信号，决策如何 去操作被控对象，使得被控量达 到所希望的目标 （4）执行环节（执行器） 按控 制环节的控制决策，具体实现对 被控对象的操作，如阀门、挡板 等。
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系统的概念--对于自动化专业工程师和科学家非常重要
液位控制系统是恒值控制系统，水箱水位的希望值（即给定输入信号）可 在控制器设定；具有方向助力功能的汽车的方向盘则提供变化的转动方向 作为给定信号，由转向机构自动跟踪控制输入，实现快速准确的转向运动。
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
系统特性的分析建立在系统数学模型的基础上，自动控制理论有一套定性 或定量分析系统特性的方法；自动控制理论关注的是控制器应具有什么样 的原理形式（主要指具体的数学描述），而不关心它的具体物理实现，例 如采用什么样的电路，由哪些元器件组成，这些元器件如何布排或数字控 制的软件算法包等等，所以称之为“综合”比“设计”更合适。
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(3)测量环节 将被控输出量及其他重要量检测出来的装置
(4)比较环节 将给定的输入信号（被控输出量的希望值）
与测量环节得到的被控制量实际检测值加以比较的环节 关键概念—反馈（Feedback）=得到偏差信号，供控制环节 得出如何操作决策，消除或减少偏差信号。信号相减（负形式 比较）使偏差不断减小，称为负反馈,反之：正反馈
液位控制系统中，水箱的液位是被控输出量，进水阀门开度（流量）是操 作控制量，水槽及管道等组成的水箱装置构成被控对象。 信息系统本身也可以是特殊的被控对象，如多媒体或网络信息传输系统等
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
3.1.3 自动控制理论
自动控制理论多个发展阶段 在不同时期针对不同的实
际问题和模型简化方法，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。
（1）经典控制理论 适用于单输入、单输出的线性定常系
液位控制系统中的液位偏离期望值变化的阶段，说它处于运动状态；液位 稳定在期望值 ，进水阀门与出水阀门位置不再变化时则说处于静止状态。 静止状态不是系统处于静止、不变的状态，这时系统仍然是“活动”的， 运动过程一直在进行，只不过这时系统的各项活动处在平衡状态，使各变 量表现为很小变化，可以看成“静止”系统。
技术的理论基础。
自动控制理论所包含的基本概念、基本原理和基本方法不仅适用于工程技 术领域的自动化系统，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。
3.1.3 自动控制理论
对自动控制系统三方面分析研究及特有的表达方法
⑴ 系统模型（model） 系统的物理形态的多样性要求在研究具 体系统时最好能撇开它的物理属性，即用系统的模型（系统的 一种抽象化表示）作为对象来研究。把系统所处的状态分为运 动状态（动态）和静止状态（静态，也称平衡态）： 运动状态 是指系统中的变量尚处于变化过程的状态； 静止状态 是指系统中的操作和输出等变量已达到某一定值并 不再随时间变化的状态。
作被控对象，实现被控量达到所希望的目标实现有效控制的 核心，需要正确地改变对象的能量、物料的变化过程和状态。
(6)执行环节（执行机构） 按控制环节的控制决策，产
生具体的操作控制作用，改变被控制对象的输出状态。
液位控制系统中的控制器主要完成控制环节功能,机械或电动阀门就是液位 控制系统的执行环节。由于不同的对象有不同的特性，比如水箱容量大小、 管道粗细、进水压力、阀门开关特性等等多个影响因素，需要分析、设计、 调试才能得到正确的、有效的、优化的决策(控制规律) 。
可用多种图示方法描述系统的组成、分解及相互作用
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统结构(框)图：表示一个系统各部分和各环节之间关系
的图示方法能够清晰地表达系统比较复杂系统中相互作用 和输入输出关系，便于理解和分析。
输入液流
Qi
进水阀 Vi H
水箱供水系统
Qi
水箱
Qo
出水阀 Vo
溢流出水
输出液流
Qo
系统框图
（反映进出水的平衡关系）
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统结构(框)图：表示一个系统各部分和各环节之间关系
的图示方法能够清晰地表达系统比较复杂系统中相互作用 和输入输出关系，便于理解和分析。
输入液流
Qi
进水阀 Vi H
进水阀位 Vi 出水阀 Vo (进水流量 Qi )
出水阀位 Vo (出水流量 Qo )
3.1.3 自动控制理论
对自动控制系统三方面分析研究及特有的表达方法
⑴ 系统模型（model） 各种系统的动态和静态都会满足一定的 规律，这些规律可以是非参数化的，如特性曲线，数据表等等 ，也可以是参数化的，即用数学形式表示出来，即用所谓系统 的数学模型来描述。
系统的数学模型往往经过抽象处理，只描述系统中各个变量之间的相关关 系，而完全不考虑它们的物理特征,一机械力学系统和一电网络系统可以用 相同数学方程式描述。从专业角度，应用对象系统在工艺设计过程中，首 先要从规模、效率和平衡角度考虑其静态特性和状态，这时往往用一组代 数方程表达特性和参数，进行计算、模拟和优化。自动控制系统关注的是 系统的动态，即关于时间的变化特性，所以描述系统的动态方程等模型表 达是控制理论研究的主要对象，系统建模是其基础。模型按表现形式可分 为数学表达式模型和图示模型，包括系统结构和运动规律参数等，能够反 映系统运动变化过程各变量之间的关系，为系统分析和综合提供依据。
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统（System）--由相互作用、相互联系的若干组成部分
（要素）结合而成的、具有特定功能的有机整体。
由两个以上相对独立的要素（环节，部分）组成，单个要
素不能构成系统
各要素之间不是孤立的，而是具有某种关联，存在一定的
相互作用，即各要素之间存在物质、能量和（或）信息的
Vi
(Qi )
Vo / Qo
水箱
实际液位
浮子
水箱液位自动控制系统框图
3.1.2 自动控制系统的组成
控制阀门
控制器
Qi
H
浮子
出水阀 Vo
水箱液位自动控制系统图
输出液流
Qo
输入液流
Qi
带控制子系统的水箱液 位系统（设计）图
LIC 201
控制阀门 LV201
设计：IEC/GB标准符号 LIC201，LV201，LI201
自动化学科概论
第3章 自动化基本原理
3.1 自动化与自动控制 3.2 自动控制系统的描述与模型构建 3.3 自动控制的基本原理 3.4 数字控制与计算机控制系统
3.1 自动化与自动控制
自动化——以人造系统的自动控制为基本目标，一个或
多个实际过程（装置）、系统、设备能够在没有人参与或 尽量少人参与的情况下实现预期（设定）的控制目标（运 行过程或状态）各种自动化系统；
3.1.2 自动控制系统的组成
给定
偏差
控制
信号
信号
信号
给定环节
+ -
控制环节
执行环节
典型的自动控制
系统功能环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
联系与作用 各环节之间相互联系，存在带有一定信 息的信号（系统框图中用带箭头的线段来表示环节间 的联系及信息流向）
可以把一个自动控制系统看成是一个将输入信号加工或变换 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 、处理过程自动控制系统处理的核心是信息（信号）
3.1.3 自动控制理论
给定环节
给定 信号
+
偏差 信号
-
控制环节
控制 信号
执行环节
反馈信号
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
为了实现自动控制的目的，并保证满足一定的性能指标，需要 控制器采用合适的控制规律（策略）。如何分析系统特性，设 计有效的控制规律(策略)是自动控制理论所研究的主要内容。
自动控制理论 从具有一般性规律特点出发，形成自动控制
交换
它具有特定的功能或完成指定的任务 系统可以由子系统组成不断分解
边界
子系统集成（组合）系统
环境
系统
环境
作用 （系统输入）
作用 （系统输出）
3.1.1 系统与自动化系统（概念）
系统（System）：广义的概念，无处不在，大到宇宙，小
到一个原子都可以看作系统。 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、电网、互联网等。
测量环节
扰动 被控对象
被控输出量
(2）给定环节 产生给定或作为参考输入信号的环节。
给定的输入信号通常与我们期望的被控输出量相关，它可以是 一个确定的量值这类控制系统就是恒（定）值控制系统，希 望系统在各种干扰作用下都能使输出量稳定在一个固定值上； 也可以是一变值，对应的控制系统是随动系统，希望被控量快 速准确地跟随给定输入信号变化。
水塔
变频 增压
同一个应用系统可以采用不同的自动控制系统实现相同的功能。 例：控制水箱液位高度 （有塔）水箱恒压供水
增压电机控制输出水压 （无塔）直接实现恒压供水。
3.1.2 自动控制系统的组成
希望液位