自动化的昨天今天及明天

与我的未来

摘要

本文论述了（1）自动化专业的历史及发展。包括经典控制论，现代控制论和智能控制论。（2）自动化专业的现状及应用。包括自动控制系统相关知识，具体应用领域和具有的价值。（3）自动化专业的未来和前景。包括智能机器和未来发展。（4）我的大学四年规划及职业目标。

关键词：自动化 历史 现状 前景 我的规划 职业目标

引言

经过了6周的《自动化专业概述与导论》课的学习，我知道了自动化专业的大致特点以及就业方向。如今，《自动化专业概述与导论》课结束了，为了圆满地完成这门课的学习，我总结了这几周所学的知识，查阅了各种相关书籍，希望能向教师交上一份满意的答卷，同时也为我的自动化专业学习做一个简单的规划。

本文主要描述了自动化的历史，现状，未来展望以及我的职业规划，其中部分内容来自讲师上课时所传授的知识，部分内容由网络，课外书籍等途径获得。

这是我人生中第一份科技论文，有许多不足和缺漏之处，但这是由我认认真真，经过反复的学习和修改自主完成的，这是对我自己最好的答卷。在以后的学习中，我会不断总结经验和不足，提高自己写此类论文的水平。

另外，衷心感谢高宪文教授对我的教导。

正文

一 自动化总述

（一）自动化是什么？

所谓自动化就是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。广义的讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。

自动化技术广泛用于工业、农业、国防、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务以及家庭等各方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展、放大人的功能和创新的功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。

因此自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志。【1】

（二）研究的核心问题

是信息。包括信息提取，信息传播，信息处理，信息存储和信息利用。

（三）培养目标

在控制理论，控制系统，生产过程自动化等具有创新和开拓精神的高级工程技术人员

（四）工作去向

在国民经济及国防各部门和行业从事信息及控制系统的研究，设计 ，集成，开发，制造和应用。

二 自动化历史

（一）自动化理论的形成及发展

（1）经典控制理论——单变量控制问题

时间：19xx年前

数学工具：微分方程

常用理论：传递函数，频率特性，根轨迹

代表人物：维纳，钱学森

（2）现代控制论——多变量控制问题

时间：19xx年-19xx年

数学工具：状态方程

常用理论：极大值原理，动态规划，可控性客观性

对应人物：庞特里亚金，贝尔曼，卡尔曼

（3）智能控制理论——复杂系统的控制问题

时间：19xx年以后

最大特点：不要求有准确的数学模型

主要方法：模糊控制，专家控制，神经网络

（二）中国的自动化历史

在我国的古代，很多的能工巧匠就发明了许多原始的自动装置，以满足生产、生活和作战的需要。其中比较著名的就有以下几种：

（1） 指南车

指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。指南车是一种马拉

的双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。《宋史·舆服志》中对指南车的构造和各齿轮大小和齿轮数都有详细的记载。【2】

（2） 铜壶滴漏

即漏壶，中国古代的自动计时装置，又称刻漏或漏刻。漏壶的最早记载见于《周记》。这种计时装置最初只有两个壶，由壶上滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度（时间）。

（3） 漏水转浑天仪

公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。【3】

（二）世界的自动化历史

18世纪末至20世纪30年代自动化技术形成，由于第一次工业革命的需要，自动化调节有了更广泛的应用。公元19xx年法国工程师J.法尔科发明反馈调节器；到了20世纪20~30年代，美国开始采用PID调节器。这是一种模拟式调节器，现在还在许多工厂中采用。

随着自动化装置的广泛应用，就暴露了许许多多的问题，许多人就对自动调节系统的稳定性提出了质疑。自动调节器和控制对象组成自动调节系统。有许多科学家对自动调节系统从理论上加以研究。公元1868年英国物理学家J.麦克斯韦尔用微分方程描述并总结了调节器的理论。公元1876年俄国机械学家H.A.维什捏格拉茨基进一步总结了调节其理论，归结为只要研究描述自动调节系统的线性其次微分方程的通解。公元1877年英国数学家E.劳思、1895年德国数学家A.胡尔维茨提出代数稳定判据，沿用到现在。公元1892年俄国数学家A.李雅普诺夫提出稳定性的严格数学定义并发表了专著。他的稳定性理论至今还是研究分析线性和非线性系统稳定性的重要方法。

20世纪40～50年代局部自动化时期，第二次世界大战期间，为了防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，各国科学家设计出各种精密的制动调节装置开创可防空火力系统和控制这一新的科学领域。

第二次世界大战后工业迅速发展，随着高速飞行、核反应堆、大电力网和大化工厂提出的新控制问题：非线性系统、时滞系统、脉冲及采样系统、时变系统、分布参数系统和有随机信号输入的系统的控制问题的深入研究，经典控制理论在20世纪50年代有新的发展。

与此同时，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机来设计自动控制系统。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表，这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了，我国也能生产系列化得国产气动单元组合仪表QDZ型和电动单元组合仪表DDZ型，在国内使用很广。

1943～19xx年，美国电气工程师J.埃克托和物理学家J.莫奇利为美国陆军研制成世界上第一台基于电子管电子数字计算机——电子数字积分和自动计数器。19xx年美国宾夕法尼亚大学莫尔小组研制成世界上第二台存储程序式电子数字计算机——离散变量电子自动计算机。电子数字计算机的发明为20世纪60～70年代开始的再控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程奠定了基础。我国也在20世纪50年代中叶开始研制大型电子数字计算机，并研制出了“银河Ⅲ”电子数字计算机。

20世纪50年代末起至今进入综合自动化时期。复杂工业、复杂工业过程和航天技术的自动控制问题，都是多变量控制系统的分析和综合问题，迫切需要加以解决。单经典的控制理论的直接应用遇到了困难。20世纪70年代微处理器的出现对实现各种复杂的控制任务起了重大的推动作用。

20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制化的化工厂，20世纪60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化想综合自动化方向发展。20世纪70年代出现专用机床组成的无人工厂，20世纪80年代初出现用柔性制造系统组成的无人工厂。

20世纪60年代末至70年代初，美、英等国的科学家们注意到人工智能的所有技术和机器人结合起来，研制出只能机器人。智能机器人会在工业生产、核电站设备检查及维修、海洋调查、水下石油开采、宇宙探测等方面大显身手。【4】

三 现代自动化

（一）自动控制系统的类型

1、恒值控制：系统输出稳定在给定值上。

f（t）=C （常数）

2、程序自动控制：自动控制系统的给定信号是已知的时间函数。

Ur=f（t）

3、随动系统：在给定控制系统中，给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数。

（二）自动控制系统的组成

1、给定环节：产生给定的输入信号。

2、反馈环节：对系统输出测量，转换成反馈信号。

3、比较环节：将输入与反馈信号加以比较，产生误差。

4、控制器环节：根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号，它是系统的实现控制核心。

5、被控环节：要控制的设备或生产过程。

6、扰动环节：使被控量偏离所要求的值。

（三）基本控制方法

1、反馈控制与扰动控制

2、比例积分微分控制

3、最优控制

4、自适应控制：自校正控制以辨识器来代替自适应控制器，由辨识器来求出数学模型。

5、智能控制——复杂系统控制问题

（1）专家控制系统：模拟人类专家的决策过程

（2）模糊控制系统：一类复杂控制问题

（3）神经网络系统：一类复杂控制问题

（4）非线性系统及其控制：用非线性方程描述的系统

（四）应用范畴

1、机械制造自动化

2、计算机集成制造系

3、过程工业自动化

（1）现代工业：离散型、混合型、连续型

（2）连续型控制对象：温度、压力、流量、液位、成分、物性

（3）包含：电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药

（4）研究内容及特点：包括了信息流、物质流和能量流，伴随物理化学反应、生化反应、物质能量的转换和传递。处于十分苛刻的环境中。它的过程是连续的，强调生产控制和管理的整体性，强调整体的最优化。

4、电力系统自动化

5、飞行器控制

6、智能建筑

7、生态环境控制

8、社会经济控制

9、大系统控制与系统控制

四 自动化的未来

如今,机械制造技术、微电子技术以及计算机技术的飞速发展推动了自动化技术的前进,在交通运输、建筑领域、电力领域、机械制造行业以及信息技术等方面获得了广泛地的应用,也促进了整个工业体系的进步。【5】

自动化技术就是探索和研究实现自动化过程的方法和技术。它是涉及机械,微电子,计算机等技术领域的一门综合性技术。同时自动化技术也促进了工业的进步,如今自动化技术已经被广泛的应用于机械制造,电力,建筑,交通运输,信息技术等领域,成为提高劳动生产率的主要手段。【6】

而20世纪90年代走向实用化的FCS现场总线控制系统正以迅猛的势头快速发展，是目前全球最新型的控制系统，倾应了自动控制系统的发展潮流，但现阶段的FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，但它将逐渐走向成熟，取代DCS分散控制系统。【7】

五 学习计划与职业规划

（一）学习计划

经过这几周的专业概论学习，我知道自动化是一个应用范围很广的高科技专业，它能被应用到社会的各行各业，却也因为这个原因，注定了它所要求的知识面的广度与深度，因此，我认识到我未来可能会面临各种学习难题，也会付出比其他专业更多的汗水。但我不会退缩，生命正是因为挑战而更精彩，不经历风雨，怎能见彩虹？正所谓吃的苦中苦，方为人上人！

我知道，好好学习不是仅凭一句口号或一股热情就能实现的，它需要有详细的学习计划和持之以恒的学习态度，从现在起，我会努力做到以下几点：

1、认真学习英语，以托福雅思为终极目标，熟练掌握听说读写等英语技能；

2、认真学习高数，并且多看一些高数参考资料，争取在期末考试时取得高分；

3、认真学习C语言，熟练掌握电脑编程技巧，能独立编写完整复杂的系统；

4、大二增开专业课后，多去实验室做实验，自主完成实验；

5、课前认真预习，课后仔细复习，独立按时完成作业；

6、绝不迟到，旷课，早退；

7、大学四年争取不挂科

8、多去图书馆借阅好的书籍，扩充自己的知识面；

9、争取拿到校级奖学金以及国家级奖学金；

10、积极主动参加各类竞赛，增强各方面的能力。

（二）职业规划

1、以优异的成绩完成大学四年的学习。

2、本科毕业后争取出国留学，如不能出国，则在国内读研。

3、硕士毕业后，在国内从事与自动化相关的专业；

4、有自己的工作经历与经验后自主创业。

六 参考文献

1、《自动化专业概论》万百五

2、《中国科学技术史》李约瑟（英）

3、《我国历史上的科学发明》钱伟长

4、《工业自动化的社会史》诺布尔（美）

5、《浅谈自动化控制的现状和未来发展趋势》宋长顺 孙刚

6、《自动控制系统的发展与工业自动化展望》史岩清 景志强

7、《浅谈自动控制系统发展过程与展望》范昕林 李霞

第二篇：自动化专业导论

1.专业的特点根据你目前的理解, 自动化科学与技术的核心是什么？自动化专业的特点是什么？

答：自动化科学与技术的核心是信息、控制与系统。

       自动化专业的特点：

（1）以严密的理论和复杂的系统作为基础，对人们生活的各方面可以产生翻天覆地的影响；

（2）多学科交叉的特点——适合于通才教育；

（3）突出的方法论特点——利于培养创新人才；

（4）系统的集成特点——利于培养将才、帅才；

（5）发展迅速，知识更新快，需要不断学习；

（6）学习自动化需要拥有创新能力，不局限于已有的传统知识；

2.开环控制和闭环控制的差异是什么？解释闭环PID控制的作用?

答：开环控制和闭环控制是按信号的传递路径来区分的两种不同的控制形式。

开环控制系统被控制量不反馈至输入端，信号有输入端至输出端单方向传递。既没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,它完全按照事先设置的给定信号控制系统，控制精确度难以得到保证。该系统结构简单，成本低廉，适用于对系统稳定性精确度要求不高的简单系统。

图（1）、开环控制系统结构图

闭环控制的被控量要经测量变送元件测量出来送回给输入端与给定信号进行比较得出偏差信号，即有反馈环节，通过反馈（负反馈）使系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。该系统相对来说比较复杂。

图（2）闭环控制系统结构图

PID控制器有比例单元、积分单元和微分单元组成。

比例单元：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用，用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。

积分单元：使系统消除稳态误差，提高误差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

微分单元：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预测性，能预见偏差变化的趋势，因此具有超前的作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用不能单独作用，需与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

三者的结合闭环P（比例）I（积分）D（微分）控制能使系统具有良好的动态特性和静态特性。

3.计算机在直接数字控制系统（DDC）中充当什么角色？为什么要用A/D和D/A装置与现场设备相连？与模拟控制系统相比，它有哪些特点？ 试举一些它们应用的实例？ 并画出系统的结构示意图？阐述他们的工作原理。

答： DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的最典型的一种系统。利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。在这类系统中，计算机的输出直接作用于控制对象，所以计算机在DDC系统中充当控制器。

因为计算机不能直接处理模拟信号只能处理数字信号，要实现数控就必须进行这两种转换用，A/D和D/A装置与现场设备相连是为了实现计算机与被控对象之间的信号变换与信息传输，起桥梁作用。

直接数字控制系统（DDC）的特点：

（a）灵活性高：计算机控制系统中，控制器的控制规律是通过计算机程序形式实现的，修改一个控制规律，只需修改相应的程序，不需要改变硬件电路，因此具有很大的灵活性和适应性。

（b）控制能力强：计算机控制系统具有丰富的指令系统，很强的运算能力和逻辑判断功能，便于实现复杂的控制规律，而传统的控制系统采用模拟电路或机—电的形式只能实现简单的控制规律。

（c）可多路控制：传统的控制系统一般一个控制器只能控制一个回路。而在计算机控制系统中，由于计算机高速的运算处理能力，可以采用分时控制等方式，同时控制多个回路，并可方便的实现各控制回路之间的协调和管理。

下面列举一个DDC控制系统再纺织空调温湿度调节中的应用实例。

图（3）、DDC控制系统在纺织空调温湿度调节原理图

原理说明：( 1)由新风温湿度传感器测定温湿度后, DDC系统自动计算新风焓值作为工况区域划分和控制的条件, 由室内温湿度传感器检当前的室内值, 并计算虚拟露点和露点焓值。

( 2)根据新风焓值和虚拟露点温度偏差值, 用 PID算法调整新、 回、 排风阀开度和表冷阀开度。

( 3)根据划分的工况区域和运行区域, 自动控制变频器(也可人工调节)调节送、回风量, 使设备高效、经济运行,并且满足换气次数及温湿度的控制要求,还可以最大限度地节能。

工作过程简要说明：当室温升高时,室内感温器送出信号给控制器,控制器接到信号与设定的温度比较, 输出信号给冷水管上的两通阀。控制两通阀打开, 使循环风变冷送入室内。如室内温度下降过多,盘管风机卸载,室内温度感温器送信号至控制器为模拟输入, 控制器与设定温度比较,输出模拟信号至冷水管上的两通阀关闭。两通阀也有比例式型式,这种比例式两通阀控制冷水大小进入冷排使空调更有弹性控制, 维持室温在设定值上下。

4.“实体控制”类知识结构与体系的特点是什么？参照内蒙古科技大学自动化专业教学计划，你认为在基础课、专业基础课和专业课中，各有哪几门课程是主要的？你准备如何学好这些课程？

答：“实体控制”类知识结构与体系的特点：（1）工程的特点。学习如何将自动化科学技术的原理和方法转换为工程应用技术；同时学习如何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。（2）专门自动化的特点：针对不同的对象，形成具有专门针对性的自动化，如商业自动化、化工自动化、交通自动化，建筑自动化、电力自动化等。

首先，我认为基础课中高等数学是解题的工具，只有扎实的数学基础才能把实际问题进行数学建模进而理论分析，比如现在所学自控原理、电力电子技术等都是依靠数学方法与模型来解决问题的。

其次，英语对于自动化人也特别重要，它是交流的工具，是连接我国与科技强国的纽带与沟通学习的桥梁，自动化技术最先进的理论等基本来自欧美国家，所以想要在自动化领域有所造诣便要多阅览外国关于自动化技术的书籍，以提高自己专业素养。

专业基础课中电路基础、数字电子技术、模拟电子技术、电机原理与拖动等很重要。只有一点一滴的积累夯实基础，才能为以后专业课的学习铺平道路。

专业课中自动控制原理、单片微型机原理等课程是我们自动化专业的主打课程，是我们在自动化领域生存的基础，只有学好这些专业课才能更好地从事与自动化有关的工作。

最后，自动化作为一个应用特别广的专业，其对于动手能力要求也特别高，所以本专业所有的基础与专业实验也非常重要。平时应该努力做好每一次实验，为以后进入行业实际应操作应用打下坚实基础。

5.自动化专业人才需要哪5方面的知识？哪4方面的素质？哪4方面的能力？他们的相互关系？

答：知识要求：人文社会科学基础知识、工具性知识（英语、计算机）、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：具有严格的时间观念、思想道德素质、文化素质、身心素质、专业道德素质

能力要求：获取知识能力、应用知识能力、创新能力、团结协作能力

联系：知识、能力和素质是进行高科技创新的基础。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。

6.自动化学科与专业在发展中形成了那些鲜明的特色？

答：1：知识更新快，需要不断学习不断提高；

2：自动化是一门具有方法论性质的学科，其思想开阔；

3：学习自动化需要拥有创新能力，不局限于传统知识；

4：多学科交叉、涉及知识面广，有利于培养复合型人才；

5：其思想、方法是突出系统与集成。

7.列出自动化领域著名公司、研究院所、大学与重要学术期刊。

答：自动化领域著名公司：1、美国罗克韦尔自动化公司

2、美国霍尼韦尔公司3、德国西门子自动化公司4、瑞士ABB公司

5、日本三菱电机公司6、美国江森自控公司7、法国阿尔斯通公司

自动化领域著科研院所：1、中国科学院自动化研究所

2、中国科学院沈阳自动化研究所   3、北京机械工业自动化研究所

4、冶金自动化研究设计院   5、上海工业自动化仪表研究所

6、天华化工机械及自动化研究设计院   7、轻工业自动化研究所

自动化领域著名大学：清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、东北大学、西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学、浙江大学、国防科技大学、南京理工大学、南京航空航天大学、湖南大学、天津大学等

自动化领域重要学术期刊：《自动化学报》、《控制理论与应用》、《控制与决策》、《信息与控制》、《模式识别与人工智能》、《自动化仪表》、《控制工程》、《电力系统自动化》、《IEEE Transactions on Automatic Control》、《Automatica》、《IEEE Transactions on Automatic Science and Engineering》。