自动化技术导论
	曾用价	49.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年11月
	开本	16
	作者	张广明 等
	装帧	平装
	页数	212
	字数	250
	ISBN编码	9787030504906

本书立足自动化领域的技术产生、发展及其应用，全面地对其知识体系进行了映射。系统地阐述了自动化技术的基本思想、基本原理、重要概念、系统设计方法和计算机控制系统。结合不同领域的实际应用，重点反映了自动化技术在先进制造、工业过程、交通运输、生命系统和教育科技中的*新应用成就，突出体现了自动化技术对社会经济发展的巨大促进作用。


目录
第1章绪论1
1.1自动化技术简述1
1.2自动化发展简史2
1.2.1自动化技术形成2
1.2.2局部自动化3
1.2.3综合自动化4
1.3自动化技术的发展5
1.3.1工业自动化技术5
1.3.2信息化技术7
1.3.3智能化技术9
1.3.4绿色自动化技术11
第2章自动控制系统设计方法13
2.1自动控制系统13
2.2自动控制系统的组成及分类14
2.2.1自动控制系统的组成14
2.2.2常用术语15
2.2.3自动控制系统的分类16
2.3基本形式与总体构建18
2.3.1控制系统数学模型18
2.3.2自动控制系统的性能要求21
2.3.3自动化控制系统基本设备22
2.3.4自动控制系统的设计23
2.4控制方法与理论26
2.4.1PID控制26
2.4.2*优控制27
2.4.3鲁棒控制29
2.4.4智能控制31
2.4.5自适应控制34
2.4.6非线性系统理论36
第3章计算机控制系统37
3.1信息与信息技术37
3.1.1信息处理过程38
3.1.2信息的获取与传输40
3.1.3信号的转换与干扰消减42
3.1.4信号制式与传输规则43
3.1.5信息的集成与管理45
3.2计算机控制系统的定义及特点46
3.3计算机控制系统的组成49
3.3.1控制计算机50
3.3.2被控对象、执行机构、测量变送50
3.3.3输入输出通道51
3.4几种典型的计算机控制系统54
3.4.1操作指导控制系统54
3.4.2直接数字控制系统55
3.4.3监督控制系统56
3.4.4分布式控制系统57
3.4.5网络控制系统59
3.5计算机控制系统的设计步骤60
3.5.1确定设计任务说明书60
3.5.2制订计算机控制系统整体设计方案61
3.5.3计算机控制系统硬件设计62
3.5.4计算机控制系统软件设计63
3.5.5控制系统调试与运行64
3.6计算机控制系统的发展趋势65
第4章先进制造自动化技术68
4.1先进制造技术68
4.2柔性制造系统自动化69
4.2.1柔性制造系统71
4.2.2柔性制造系统的控制71
4.3数控机床自动控制73
4.3.1数控机床组成73
4.3.2数控机床控制技术75
4.3.3数控机床的接口78
4.3.4PLC、CNC与数控机床的关系79
4.4工业机器人80
4.4.1工业机器人控制技术81
4.4.2工业机器人的关键技术82
4.4.3工业机器人的应用84
4.5先进制造发展趋势87
4.5.1中国制造202587
4.5.2核心关键88
4.5.3五大工程88
4.5.4十大重点领域89
第5章工业过程自动化91
5.1化工过程自动化91
5.1.1生产过程自动化91
5.1.2简单控制系统92
5.1.3复杂控制系统93
5.1.4典型化工过程装备控制97
5.2冶金过程自动化99
5.2.1冶金自动化系统99
5.2.2冶金过程控制系统100
5.3火力发电自动化101
5.3.1火力发电概况101
5.3.2火力发电控制系统103
5.4管控一体化技术105
5.4.1管控一体化应用技术105
5.4.2生产管理控制系统106
5.4.3管控一体化的发展方向107
5.5“工业4.0”与智慧工厂108
5.5.1“工业4.0”起源108
5.5.2“工业4.0”的两大主题109
5.5.3智慧工厂的概念111
5.5.4智慧工厂的架构111
5.5.5智慧工厂的应用113
5.6智能建筑114
5.6.1智能建筑基本构成114
5.6.2智能建筑综合管理系统115
5.6.3智能家居117
第6章交通运输系统121
6.1船舶自动化121
6.1.1船舶导航与驾驶自动化技术122
6.1.2船舶机舱自动化系统与设备技术128
6.1.3船岸信息一体化系统技术130
6.1.4液货自动装卸系统技术131
6.1.5船舶自动化的未来展望132
6.2航空航天自动化133
6.2.1航空飞行器134
6.2.2航天系统概述137
6.2.3载人飞船139
6.2.4航空航天飞机140
6.2.5航天飞行器控制141
6.2.6航空航天自动化的未来及展望142
6.3汽车中的自动化技术142
6.3.1汽车自动控制系统143
6.3.2汽车先进控制系统146
6.4智能交通151
6.4.1智能交通系统子系统151
6.4.2城市智能交通控制152
6.4.3智能公路156
6.4.4不停车收费系统157
第7章生命支持系统158
7.1农业系统控制158
7.1.1农业机械自动化控制160
7.1.2灌溉自动控制技术164
7.1.3自动化在精准农业中的应用164
7.2智能农业165
7.2.1温室自动控制与管理系统165
7.2.2智能农业生态系统165
7.2.3智慧农村168
7.3生物医学自动化169
7.3.1生物医学自动化的发展历程170
7.3.2医学自动化目前的常见问题170
7.3.3自动化在医学中的应用171
7.3.4生物医学自动化的其他发展趋势177
7.4生态自动化178
7.4.1生态自动化系统发展178
7.4.2农林生态自动化系统178
7.4.3农林生态自动化的实际应用181
7.4.4农林生态自动化系统的发展趋势182
第8章自动化的整体与教育效果184
8.1自动化的社会影响184
8.2自动化教育186
8.2.1发达国家自动化教育的现状187
8.2.2中国自动化教育的发展历程及现状190
8.2.3自动化专业的学习方法191
8.2.4自动化专业的课程体系193
8.3自动化技术在教育领域的应用195
8.3.1MOOC195
8.3.2微课196
8.3.3翻转课堂197
参考文献199


第1章　绪论
1.1　自动化技术简述
自动化（automation）是指机械设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期目标的过程。自动化的核心就是用控制论、系统论和信息论的思想去实现有目的的行为，这里不仅包含了人类肢体行为的机械化延伸，而且包含了人类高级传感行为和思维行为的信息化延伸。工业自动化是机器、设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下，能完全自动地按规定的要求和既定的程序进行生产，人只需要确定控制的要求和程序。自动化服务于人类，不仅使人从繁重、重复性工作以及恶劣、危险环境中解放出来，而且极大地提高了劳动生产率，进而可以更多地将人的时间和精力投入到创造性的工作中，增强了人类认识世界和改造世界的能力。
自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、自动控制、仿生学、人工智能等许多学科有着十分密切的关系。以“自动控制”和“信息处理”为核心的自动化技术也已成为推动生产力发展、改善人类生活以及促进社会前进的原动力之一。自动化技术广泛用于农业、工业、军事、交通运输、商业、医疗、科学研究、服务和家庭等方面。当今世界，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件，自动化技术已经成为衡量一个国家科技发展水平和综合国力的重要标志之一。
当前，从全球范围来看，自动化技术正面临着空前的挑战和发展机遇。这种挑战首先来自社会经济和科技的发展，随着经济全球化及市场竞争的日趋激烈，自动化作为一种高科技，其作用已远不止以自动机器取代人工劳动，而成为优质高产、节能降耗、快速应变、整体优化的关键技术。不仅传统工业领域，而且各种新兴工业领域，乃至诸多社会工程，如建筑、交通、物流、港口、环保、通信等，以及农业、经济、生物等广泛领域，都对自动化提出了以提高效率、实现优化为目标的各种要求。例如，随着自动化应用技术的发展，2013年德国政府提出了“工业4.0”，描绘了制造业的未来前景，它指出在蒸汽机应用、规模化生产和电子信息技术三次工业革命后，人类将迎来以信息物理系统（cyber physical system，CPS）为基础，以生产的高度数字化、网络化、信息化为标志的第四次工业革命。2015年中国政府提出了“中国制造2025”，从国家战略层面，中国制造业的智能信息化确定为未来10年的热点方向，这也是中国制造业转型升级的必由之路。
自动化系统随处可见，自动化技术具有很强的渗透性和扩展性，自动化技术的思想和方法可应用于各种领域，包括工程、社会、经济、管理等。通过“自动化技术导论”的学习，使自动化及其他相关专业的学生和工程技术人员全面了解自动化的基本概念，自动控制的基本原理和基本思想，自动化技术的应用状况、应用热点、前沿技术及发展趋势。
1.2　自动化发展简史
自动化发展史是一个以需求为驱动、以技术变革为牵引的发展历史，经历了从自动化装置及其发展，然后形成自动化技术，在此基础上逐步上升到自动化理论和自动化科学的过程。从时间跨度上自动化发展史大致可以分为三个阶段：自动化技术形成、局部自动化和综合自动化。
1.2.1　自动化技术形成
1. 自动化技术的形成与发展
自动化技术的前躯，可以追溯到我国古代，以指南针出现为代表。早期自动化技术在工业上的应用，一般是以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。自动调节器应用标志着自动化技术进入新的历史时期。1788年，瓦特发明离心式调速器，并与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动控制系统。这种离心调速装置成为世界上*早的自动化装置，开创了近代自动调节装置应用的新纪元。进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对自动控制系统进行分析和综合的研究工作。
2. 控制理论的形成与发展
到第二次世界大战前后，控制理论逐渐形成并发展。1877年，英国数学家劳斯提出了著名的劳斯稳定判据。1895年，德国数学家赫尔维茨提出著名的赫尔维茨稳定判据。劳斯-赫尔维茨稳定判据是当时能事先判定调节器稳定性的重要判据。1892年，俄国数学家李雅普诺夫从数学方面给稳定性下了严格的定义，给出解决稳定性问题的两种方法。虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制结构，但从20世纪20年代开始从理论上研究反馈控制原理。1922年，迈纳斯基研制出船舶操纵自动控制器，并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1927年，美国贝尔电话实验室的电气工程师布莱克在解决电子管放大器失真问题时，首先引入反馈的概念。1932年，美国电信工程师奈奎斯特提出著名的奈奎斯特稳定判据，可以直接根据系统的传递函数来判定反馈系统的稳定性。
1.2.2　局部自动化
1. 局部自动化技术
20世纪40年代是控制理论与技术形成的关键时期，随着机械、电气和电子技术的发展，一批科学家为了解决军事上提出的火炮控制、鱼雷导航、飞机导航等技术问题，开始研究以分析和设计单变量控制系统为主要的经典控制理论与方法。由于第二次世界大战期间军事技术的发展，以及战后把这些技术向机械、航空和化工等领域推广，PID调节器已广泛应用在工业上，并用电子模拟计算机来设计自动控制系统。当时在工业上实现了单个过程或单个机器的局部自动化。
20世纪30年代出现了标准气动单元组合仪表，20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表，为工业自动化提供了必不可少的控制模块，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化。一方面应用了PID调节器或其他自动调节装置，另一方面又用继电器来实现启动、停车、连锁和保护等功能。当时的PID调节器是电动的、气动的或液压的。生产自动化促进了自动化仪表的进步。50年代以后，自动控制作为提高生产率的一种重要手段开始推广应用。它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化；在石油、化工、冶金等连续生产过程中应用，对大规模的生产设备进行控制和管理，形成了过程自动化。电子计算机的推广和应用，使自动控制与信息处理相结合，出现了业务管理自动化。
2. 经典控制理论
在1943～1946年，美国电气工程师埃克特和物理学家莫奇利为美国陆军研制成世界上第*台基于电子管和数字管的计算机（electronic digit computer）——电子书积分和自动计数器。随后人们对计算机进行了多次改良，使之更加实用。1946年，美国福特公司的机械工程师哈德首先提出用自动化一词来描述生产过程的自动操作。
1945年后出现了系统阐述经典控制理论的著作。1948年，维纳出版了《控制论》，为控制论奠定了基础。1952年，迪博尔德第*本以自动化命名的《自动化》一书出版，他认为自动化是分析、组织和控制生产过程的手段。实际上，自动化技术是将自动控制用于生产过程的结果。1954年，钱学森在美国出版了《工程控制论》，书中所阐明的基本理论和观点，奠定了工程控制论的基础。
1960年，在第*届全美联合自动控制会议上提出经典控制理论这个概念。经典控制理论的研究对象是具有单输入、单输出的单变量系统，而且多数是线性定常系统。使用的数学工具是微分方程、拉氏变换等。研究方法有传递函数法、频率响应分析法（如伯德图）、直观简便的图解法（如根轨迹法）和描述函数法。主要代表人物有美籍瑞典科学家奈奎斯特、美国科学家伯德及埃文斯等。
1.2.3　综合自动化
1. 综合自动化技术发展
综合自动化广泛采用电子计算机、智能机器人、自动控制系统、自动搬运机、自动化仓库，以及质量控制系统和自动管理系统等组成的自动化车间和自动工厂。综合自动化系统能加强生产系统对市场动态的应变能力，极大提高设备的使用率和企业的投资效益，并能避免由主观因素造成的损失。现代综合自动化正向计算机集成制造系统发展。这是一种包括从产品计划、设计、制造、检验直至包装、运输、销售和市场分析等所有环节在内的计算机优化与计算机控制系统。重视生产环节的有机结合，强调信息化利用，使得整个生产系统具有高度的灵活性。
20世纪50年代末微电子技术有了新的突破，成为综合自动化时期的萌芽期。例如，1958年出现晶体管计算机，1965年出现集成电路计算机，1971年出现单片微处理机。微处理机的出现对控制技术产生了重大影响，控制工程师可以很方便地利用微处理机来实现各种复杂的控制，使综合自动化成为现实。20世纪60年代，复杂的工业生产过程、航空及航天技术、社会经济系统等领域的进步使自动控制理论、信息处理技术等得以迅速发展，自动化水平极大提高。两个显著进展是数字计算机得到广泛应用以及现代控制理论的诞生，尤其是将自动控制与信息处理技术相结合，使自动化进入到生产过程的*优控制与管理的综合自动化阶段。到了21世纪，自动化技术进入了计算机自动设计的年代。
20世纪80～90年代，大规模、复杂工程和系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的问题，促进了自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制和复杂系统的智能控制，出现了综合利用计算机技术、通信技术和人工智能等成果的高级自动化系统，如计算机集成制造系统、柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS）、智能机器人、专家系统、办公自动化、决策支持系统等。高级自动化系统被广泛地应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，如大型企业综合自动化系统、城市交通控制系统、铁路自动调度系统、国家电网自动调度系统、国民经济管理系统等。自动化将在更大程度上模仿人的智能，20世纪70年代开发出来的一批工业机器人、感应式无人搬运台车、自动化仓库和无人叉车成为综合自动化的强有力的工具。机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。
2. 现代控制理论
现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用*少燃料或*短时间准确地发射到预定轨道等一类的控制问题。20世纪70年代，现代控制理论大力发展，确立了状态空间概念，以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，标志着现代控制理论的形成。1958年，苏联科学家庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前，美国学者贝尔曼于1954年创立了动态规划，并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中*优控制理论这一新的领域。1961年，美国学者卡尔曼建立了卡尔曼滤波理论，因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，并把状态空间法系统地引入控制理论中，对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，称为控制理论两个*基本的概念。目前现代控制理论所包含的学科内容十分广泛，主要的方面有：线性系统理论、非线性系统理论、*优控制理论、随机控制理论、自适应控制理论、模型预测控制、鲁棒控制理论等。
1.3　自动化技术的发展
在论及自动化技术的发展方向之前，首先应该关注自然科学技术的发展趋势。一般认为，信息科学和生命科学仍然是21世纪的前沿科学。而信息科学与生命科学的交叉研究是未来几十年的大趋势，只有在认清这种大趋势下谈论自动化技术的发展方向才有意义。学科交叉研究始终是自动化技术发展的动力。现代化工业生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。
1.3.1　工业自动化技术
21世纪，在综合自动化技术促进下，工业朝着数字化、智能化、网络化与集成化的方向发展，制造业自动化技术的互补与渗透，正不断朝着高度一体化、信息化、集成化方向协同发展。在自动化技术领域中，信息技术推进了自动化领域的发展。目前，由于计算机网络技术和控制技术的结合，自动化技术已不再停留于理论和实验阶段。各种先进控制技术已进入实践并用于分布式控制系统、可编程序控制器等控制器中，而且这种趋势在不断加快。同时自动控制领域的三大支柱：可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）、分布式控制系统（distributed control system，DCS）、工控机（industrial personal computer，IPC），形成了具有混合控制策略的PLC/DCS混合控制系统（hybrid control system，HCS）。HCS的主要特点是构建一个公共的、集成的开发环境，提供通用开发平台、共用标签和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的需要。同时它采用了可自由组合的模块化的硬件架构，减少系统升级带来的开销。当前工业自动化关注的热门技术包含仪器仪表智能化、控制系统网络化、工业通信无线化、物联网与自动化等技术。
1. 仪器仪表智能化
在控制系统中，仪器仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的发展而发展的。目前控制理论已发展到智能控制阶段，自动化仪器仪表更加趋于智能化。仪器仪表的智能化主要归结于微处理器和人工智能技术的发展与应用。运用智能技术，使仪器仪表实现高速、高效、多功能灵活等性能。
2. 控制系统网络化
21世纪的控制系统将是网络与控制结合的系统。对网络化控制系统的研究已经成为当前自动化领域中的前沿课题之一。传统的控制领域开始向网络化方向发展，控制系统的结构从*初的计算机集中控制系统（centralized control system，CCS），到第二代的DCS，发展到现在的现场总线控制系统（fieldbus control system，FCS）。由于图像、语音信号等大数据对高速率传输的要求，工业以太网与控制网络的结合，将嵌入式技术、工业控制网络互联、无线技术等技术融合，拓展了工业控制领域的发展空间。
3. 工业通信无线化
无线通信技术作为有线控制系统的补充，正广泛应用于工业自动化系统中，也是工业自动化产品的一个新增长点。无线通信的数据安全性是人们所关心的，但可以通过加安全密码和加密密码等一系列措施来确保数据的安全传输。在近期，工业无线技术仍是传统有线技术的延伸，大多数仪表以及自动化产品会嵌入无线传输的功能。国际上对于无线技术的研究处于起步阶段，相关的标准也在制定之中。