自动化科学与技术第一章 绪论杨宜民研究生示范课程课件第一章 绪论 1.11.1自动化科学与技术的发展历史自动化科学与技术的发展历史自动化科学与技术（简称自动化科学技术）的发自动化科学与技术（简称自动化科学技术）的发 展简史基本上可以分为三个阶段：展简史基本上可以分为三个阶段：孕育阶段：孕育阶段：19221922年，美国年，美国N. N. 米诺尔斯基提出米诺尔斯基提出PIDPID控制方法。控制方法。19271927年，年，H.S.H.S.布莱克提出改善放大器性能的负反布莱克提出改善放大器性能的负反馈方法。馈方法。诞生阶段：诞生阶段：19481948年，美国人年，美国人N.N.维维纳的纳的控制论控制论一书出版。一书出版。19541954年，中国钱学森的年，中国钱学森的工程控制论工程控制论一书出版一书出版 。发展阶段：发展阶段：19711971年，美国英特尔公司研制出第一台年，美国英特尔公司研制出第一台4 4位微处理位微处理 机机 Intel 4004Intel 4004。19801980年以后，自动化科学技术取得重大发展，处于年以后，自动化科学技术取得重大发展，处于 高峰发展阶段。高峰发展阶段。 孕育阶段孕育阶段PIDPID控制控制( (即比例、积分、微分控制即比例、积分、微分控制) )是一种典型的是一种典型的 、最成熟的、应用最广的控制方法。、最成熟的、应用最广的控制方法。P P控制的主要作用是使系统稳定；控制的主要作用是使系统稳定；I I控制的主要作控制的主要作 用是提高系统的精度（加入用是提高系统的精度（加入I I控制，使系统成为无差控控制，使系统成为无差控 制系统）；制系统）；D D控制的主要作用是提高系统的响应速度（控制的主要作用是提高系统的响应速度（ 减少系统过渡过程的时间）。减少系统过渡过程的时间）。反馈分为正反馈和负反馈，各有各的作用。负反反馈分为正反馈和负反馈，各有各的作用。负反 馈的主要作用是使系统稳定于期望的状态。要使系统馈的主要作用是使系统稳定于期望的状态。要使系统 某一物理量稳定，就采用该物理量的负反馈。例如要某一物理量稳定，就采用该物理量的负反馈。例如要 使系统恒温，则采用温度负反馈；要使系统恒速，就使系统恒温，则采用温度负反馈；要使系统恒速，就 采用速度负反馈采用速度负反馈等等。等等。 诞生阶段诞生阶段美国数学家诺伯特美国数学家诺伯特. .维纳（维纳（Norbert WienerNorbert Wiener）于）于 19481948年出版的名著年出版的名著控制论，或关于在动物和机器中控制论，或关于在动物和机器中 的通讯和控制的科学的通讯和控制的科学（Cybernetics, or Control Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machineand Communication in the Animal and the Machine ）标志）标志“控制论控制论”学科的诞生。学科的诞生。19501950年维纳出版了年维纳出版了 人有人的用处，控制论与社会人有人的用处，控制论与社会小册子，论述了通信小册子，论述了通信 、法律、社会政策等与控制论的关系，进一步说明控、法律、社会政策等与控制论的关系，进一步说明控 制论在社会系统中应用的可能性。制论在社会系统中应用的可能性。诺伯特诺伯特. .维纳的维纳的控制论控制论中的名言：在科学的发中的名言：在科学的发 展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的 部门之间的被忽视的无人区部门之间的被忽视的无人区，正是这些科学的边，正是这些科学的边 缘区域，给有教养的研究者提供了最丰富的机会。缘区域，给有教养的研究者提供了最丰富的机会。控制论在世界范围内推动了有关学科的发展，并孵控制论在世界范围内推动了有关学科的发展，并孵 化了一些新学科：化了一些新学科：1 1）工程控制论；工程控制论；19541954年，中国钱学森的专著年，中国钱学森的专著工工 程控制论程控制论出版，标志自动化科学技术学科的诞生。出版，标志自动化科学技术学科的诞生。2 2）生物与医学控制论；生物与医学控制论；3 3）社会、经济与管理控制论；社会、经济与管理控制论；4 4）军事控制论；军事控制论；5 5）自然控制论（生态、环境、气候、人口、资源自然控制论（生态、环境、气候、人口、资源 等控制）。等控制）。 发展阶段发展阶段自动化科学技术伴随着计算机科学技术的发展而发自动化科学技术伴随着计算机科学技术的发展而发 展。在上个世纪展。在上个世纪4040年代诞生的第一台计算机只能完成简年代诞生的第一台计算机只能完成简 单的四则运算，其占地面积为几十平方米，这就制约了单的四则运算，其占地面积为几十平方米，这就制约了 计算机的推广和应用，也就制约了自动化科学技术的发计算机的推广和应用，也就制约了自动化科学技术的发 展。展。随着随着ICIC技术由集成电路、大规模集成电路向超大规技术由集成电路、大规模集成电路向超大规 模集成电路发展，计算机的体积越来越小，功能越来越模集成电路发展，计算机的体积越来越小，功能越来越 多，这就促进了自动化装置的广泛应用。多，这就促进了自动化装置的广泛应用。控制理论的发展经历了古典、现代、智能等三个阶控制理论的发展经历了古典、现代、智能等三个阶 段。到了上世纪段。到了上世纪8080年代，古典和现代控制理论的发展已年代，古典和现代控制理论的发展已 经成熟，智能控制理论处于高峰发展时期。经成熟，智能控制理论处于高峰发展时期。上世纪上世纪8080年代，由于计算机体积小、功能强，为自年代，由于计算机体积小、功能强，为自 动化装置应用提供基础，同时控制理论亦进入智能控制动化装置应用提供基础，同时控制理论亦进入智能控制 阶段，这就使自动化科学技术进入了高峰发展时期。阶段，这就使自动化科学技术进入了高峰发展时期。注：自动化科学技术的发展历史可参见注：自动化科学技术的发展历史可参见自动化科学与自动化科学与 技术技术 ( (参考资料参考资料) )中的附录中的附录自动化科学技术大事简自动化科学技术大事简 表（至表（至19931993年）年）。1.21.2在人类发展历史中所处的位置在人类发展历史中所处的位置按科学技术发展水平人类发展历史可分为：按科学技术发展水平人类发展历史可分为：工具化时代工具化时代-机械化时代机械化时代-电气化时代电气化时代-自动化时自动化时 代代-信息化时代信息化时代-生命科学时代。生命科学时代。 工具化时代工具化时代在人类诞生过程中及以后，最早使用的工具是树枝在人类诞生过程中及以后，最早使用的工具是树枝 、石块（即石器时代），后来发展到使用金属制造工具、石块（即石器时代），后来发展到使用金属制造工具 （即青铜器时代）。马克思有这样的论断，劳动工具在（即青铜器时代）。马克思有这样的论断，劳动工具在 从猿到人的进化过程中起着关键的作用。从猿到人的进化过程中起着关键的作用。 机械化时代机械化时代17051705年，年，NewcomenNewcomen发明了蒸汽机，由于热效率低，发明了蒸汽机，由于热效率低， 未广泛使用。未广泛使用。17641764年，瓦特（年，瓦特（WattWatt）对蒸汽机进行了改）对蒸汽机进行了改 进和创新，提高了蒸汽机的热效率和输出功率。进和创新，提高了蒸汽机的热效率和输出功率。 17881788年，瓦特发明了离心式调速器，实现了蒸汽机转速年，瓦特发明了离心式调速器，实现了蒸汽机转速 的自动调节。此后，蒸汽机得到广泛推广和应用。这引的自动调节。此后，蒸汽机得到广泛推广和应用。这引 发了第一次工业革命，使人类社会进入机械化时代。在发了第一次工业革命，使人类社会进入机械化时代。在 机械化时代中，特别引人注目的是美国福特发明了流水机械化时代中，特别引人注目的是美国福特发明了流水 线生产模式，它大大地提高了劳动生产率。线生产模式，它大大地提高了劳动生产率。 电气化时代电气化时代1919世纪末，法拉第等科学家研究了电磁效应和磁电世纪末，法拉第等科学家研究了电磁效应和磁电 效应，之后发明了发电机和电动机，人类进入了电气化效应，之后发明了发电机和电动机，人类进入了电气化 时代。时代。列宁有句名言：共产主义就是苏维埃政权加上全国列宁有句名言：共产主义就是苏维埃政权加上全国 电气化。电气化。 自动化时代自动化时代上世纪上世纪5050年代，维纳的年代，维纳的控制论控制论和钱学森的和钱学森的工工 程控制论程控制论出版，标志人类社会进入了自动化时代。出版，标志人类社会进入了自动化时代。 信息化时代信息化时代上世纪上世纪8080年代，由于计算机科学技术的迅猛发展，年代，由于计算机科学技术的迅猛发展， 人类社会进入信息化时代。人类社会进入信息化时代。计算机的历史和使命也许类似于电机的历史和使命计算机的历史和使命也许类似于电机的历史和使命 。催生大学计算机系的。催生大学计算机系的IBMIBM公司早已公司早已“鼓吹鼓吹”, ,不用多久不用多久 大学的计算机系将被服务科学系所代替。大学的计算机系将被服务科学系所代替。 生命科学时代生命科学时代随着科学技术的发展，人类的要求更高了随着科学技术的发展，人类的要求更高了. .既追求既追求 过更美好的生活过更美好的生活( (在这里指的是享受更多种更多样的食在这里指的是享受更多种更多样的食 物物) )，又追求更长寿。这促使人类社会进入生命科学时，又追求更长寿。这促使人类社会进入生命科学时 代。代。20012001年人类基因图谱的诞生标志着人类社会已进入年人类基因图谱的诞生标志着人类社会已进入 生命科学时代中的后基因时代，即功能基因时代。生命科学时代中的后基因时代，即功能基因时代。从上述的说明可以看到：从上述的说明可以看到：1)1)科学技术的发展越来越快，一个时代进入下一个时代科学技术的发展越来越快，一个时代进入下一个时代 的时间间隔亦越来越短；的时间间隔亦越来越短；2)2)自动化科学技术已融入信息化时代，在现在和未来同自动化科学技术已融入信息化时代，在现在和未来同 样能发挥巨大作用。样能发挥巨大作用。1.31.3自动化科学技术的研究意义自动化科学技术的研究意义随着微电子技术和计算机技术的迅速发展和普及，随着微电子技术和计算机技术的迅速发展和普及， 自动化科学技术已广泛应用到制造业、农业、交通、服自动化科学技术已广泛应用到制造业、农业、交通、服 务业、航海、航空、航天等所有产业部门，极大地促进务业、航海、航空、航天等所有产业部门，极大地促进 国民经济的发展和人类社会的进步。自动化科学技术广国民经济的发展和人类社会的进步。自动化科学技术广 泛地进入社会，有利于创造更多的就业机会，提高劳动泛地进入社会，有利于创造更多的就业机会，提高劳动 生产率，改善劳动条件，提高人民生活质量和全社会的生产率，改善劳动条件，提高人民生活质量和全社会的 文化素质。文化素质。4040年前，自动化科学技术主要服务于工业生产和军年前，自动化科学技术主要服务于工业生产和军 事装备领域，现已广泛应用到政治、军事和社会科学等事装备领域，现已广泛应用到政治、军事和社会科学等 领域中。原属于自动化科学中的概念和专用术语，如正领域中。原属于自动化科学中的概念和专用术语，如正 负反馈、系统分析、分岔、非线性、系统工程等已被其负反馈、系统分析、分岔、非线性、系统工程等已被其 它自然科学及人文科学等各学科所接受和采用。经济学它自然科学及人文科学等各学科所接受和采用。经济学 家们从控制理论中受益已是众所周知的，很多大学把控家们从控制理论中受益已是众所周知的