第二讲(自动化技术的基本概念).pdf
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SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化技术与展望自动化技术与展望费敏锐费敏锐徐昱琳徐昱琳上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2017年年9-11月月SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院第第2讲讲自动化技术的基本概念自动化技术的基本概念2SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院主要内容2.1自动化学科与专业2.2常见的自动化技术2.3基本定义和专业术语2.4自动化技术的意义2.5经典控制方法PID控制2.6现代控制方法自适应控制3SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2.1自动化学科与专业自动化学科与专业42.1.1自动化学科介绍自动化(Automation)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。
什么是自动化?
数控机床:
通过预先设定好的程序,自动完成对零部件的精确加工,以提高生产效率。
2.1自动化学科与专业视频:
数控机床视频:
数控机床SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院理论理论装置装置软件软件自动化自动化算法算法自动化装自动化装置与系统置与系统自动化自动化软件软件理论实现自自动化动化52.1.1自动化学科介绍2.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化学科定义:
自动化学科定义:
是以自动控制理论为主要理论基础,以电子技术、计算机信息技术、传感器与检测技术等为主要技术手段,对各种自动化装置和系统实施控制。
是计算机硬件与软件结合、机械与电子结合、元件与系统结合、运行与制造结合,集控制科学、计算机技术、电子技术、机械工程为一体的综合性学科专业。
2.1.1自动化学科介绍62.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化学科是一门多学科交叉的高技术学科,是当代高技术的集中体现与应用。
2.1.2自动化学科特点7众多应用领域自动化的理论、方法与技术互相推动基础与交叉学科支撑技术与工具支持2.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化研究范围宽广,几乎无所不包。
并且,随着其它技术的发展,将会越来越广。
2.1.2自动化学科特点8航天自动化技术农业自动化技术自动化生产车间2.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院具有多学科交叉、内涵丰富、外延宽广的特点,因而利于培养宽口径、多面手、综合复合型人才;得益于具有方法论性质的科学方法、科学思想的熏陶,思想更开阔、也更有深度,非常利于培养具有创新能力的人才;突出系统与集成的思想、方法,有利于培养“将才”与“帅才”。
2.1.3自动化专业特点92.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院在所有工科专业中,自动化专业需要的数学知识最多。
在所有工科专业中,自动化专业学习的计算机知识仅次于计算机专业。
自动化专业基础面宽,需要学的知识多并要求扎实。
2.1.3自动化专业特点因此因此,学自动化专业的适应面宽、分配好,且工作容易取得成就。
这符合大学改革的方向这符合大学改革的方向宽基础宽基础、宽专业面宽专业面102.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院一级学科(1个):
控制科学与工程二级学科(5个):
控制理论与控制工程模式识别与智能系统检测技术与自动化装置导航、制导与控制系统工程2.1.4自动化专业学科分类112.1自动化学科与专业SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院日常生活中,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”2.2常见的自动化技术常见的自动化技术122.2常见的自动化技术SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院家庭:
全自动照相机、电饭煲、洗衣机、空调日常生活中常见的:
2.2常见的自动化技术13全自动相机:
自动对焦、自动光圈(自动根据胶卷感光度设定曝光量)或自动快门全自动电饭煲:
利用微电脑芯片,控制加热器件的温度,精准的对锅底温度进行自动控制。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院日常生活中常见的:
2.2常见的自动化技术14全自动洗衣机家庭:
全自动照相机、电饭煲、洗衣机、空调空调:
根据设定的温度信息,自动的保持室内温度SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院银行:
自动取款机ATM、智能银行日常生活中常见的:
2.2常见的自动化技术15“智能银行”:
可以提供全天自助和远程人工服务模式的智慧型银行。
这种银行不仅能实现传统自助银行的存款和转账功能,还能做到自助开户、自助申请储蓄卡、当场办卡和自助申请信用卡等。
自动取款机SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院交通:
自动控制的红绿灯、火车上的自动烧开水机日常生活中常见的:
2.2常见的自动化技术16SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院高档楼宇:
自动门、自动自来水开关日常生活中常见的:
2.2常见的自动化技术17自动门自动水龙头SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院北京奥运会主火炬直径3m多、点燃驱动系统行程大概为11m多,点燃运行控制误差不到2mm,精确度达到万分之二。
2.2常见的自动化技术182008年8月8日,作为北京奥运会重头戏之一的开幕式,将此次奥运会三大理念之一的“科技奥运”展现的淋漓尽致。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2013年北京时间6月13日13时18分,天宫一号目标飞行器与神舟十号飞船成功实现自动交会对接。
这是天宫一号自2011年9月发射入轨以来,第5次与神舟飞船成功实现交会对接。
2.2常见的自动化技术19视频:
交会对接视频:
交会对接SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院汽车自动焊接生产线自动装配生产线自动化技术生产线2.2常见的自动化技术20SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院视频:
德国BMW全自动化生产线2.2常见的自动化技术21德国宝马汽车生产线整个生产都利用自动化技术,从而大大提高了生产的速度与效率。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2.2常见的自动化技术22人们通过操作起重机的按钮,可以用极小的力气将几十吨、上百吨重的物体进行移动。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院日常生活中,人们用手去端杯子的过程就是一个典型的控制过程。
2.2常见的自动化技术23大脑通过神经系统传递控制信息操控手移向目标,眼睛将手和物品的距离信息传递给大脑,同时将此信息处理后决定前进方向和速率,再将此结果用于操作手的动作。
手端杯子的过程分析:
人眼偏差大脑指令手臂手的位置杯子的位置反馈SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术242.2常见的自动化技术2016年巴西奥运会将除了采用虚拟现实技术转播开闭幕式之外,也会每天选择一个赛事进行VR画面转播,用户除了可以实时观看VR转播,还可下载OBS提供的相关虚拟现实视频在非比赛时间观看。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术252.2常见的自动化技术浙江大华为奥运安保工作提供视频监控产品,其人脸识别等先进技术将为奥运安保服务提供信息的支持。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术262.2常见的自动化技术当体育赛事或者运动员在场馆内不断移动的时候,摄像师可以通过平板电脑或者笔记本上对应的软件控制这些智能摄像头来捕捉特定画面。
而且,他们甚至可以对摄像头的拍摄角度、模式进行预设定来方便自己的操作。
可移动的摄像机可移动的摄像机SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术272.2常见的自动化技术将电子芯片组成的感应装置附着在跆拳道护具上,在受到有效攻击时自动识别其击打力量,并自动将得分情况反映在得分显示屏上,在一定程度上体现了打分计点的公平公正性。
跆拳道项目引进电子跆拳道项目引进电子护具和电子裁判装置护具和电子裁判装置SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术282.2常见的自动化技术高精度摄像机高精度摄像机在终点线设置有每秒可拍摄1万帧照片的高精度摄像机,能更精确地判断运动员到达终点的名次。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术292.2常见的自动化技术SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术302.2常见的自动化技术Solos智能眼镜智能眼镜在训练及比赛过程中,运动员可佩戴上这款智能眼镜,这款眼镜将收集队员在佩戴过程中所产生的心率、速度、力量、节奏、踏频、距离、持续时间等虚拟数据,并会把这些数据传送到APP上,而运动员将根据这些数据有针对性地做出相应调整,加强训练。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2016里约奥运会相关自动化技术里约奥运会相关自动化技术312.2常见的自动化技术SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院2.3基本定义与专业术语自动:
自己主动;不凭借人为的力量的;不用人力而用机械装置直接操作的。
自动化:
最高程度的机械化。
机器、设备和仪器能全部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,不用直接操作。
322.3基本定义和专业术语基本定义和专业术语因此,对于自动化一般来说是:
采用能自动启闭、调节、检查、加工和控制的机器、设备进行各种作业,以代替人工直接操作的措施。
32SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化指设备、过程或系统的自动运行或自动控制;用于实现自动运行或自动控制的技术或设备;被自动控制或自动操作的状态。
自动化包含了:
设备、过程或系统的自动化;用于实现自动运行或自动控制的技术或设备;被自动控制或自动操作的状态。
332.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院要讲“控制”就离不开“系统”与“信息”,因为没有具体系统的控制是不存在的,没有信息的系统是一个空壳,控制则成为“无米之炊”。
那么什么是“系统”与“信息”?
342.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院系统定义:
由若干个要素以一定结构形式联结而成的具有某种功能的有机整体。
定义中包括四个基本概念:
系统、要素、结构、功能,隐含了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。
1:
什么是系统?
352.3基本定义与专业术语温室控制系统,通过计算来进行控制SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院系统产品、人才、成果等输出物质、能量、信息等输入系统具有一定功能,其功能示意图如下:
从上图可以看出,系统具有一定的输入,这些输入经过系统的“变换”后就会产生一定的输出。
而人们设计系统时,往往要求在给定输入的情况下尽可能得到好的输出,即尽可能使得系统的功能符合人们的需要。
362.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院系统的分类:
系统的分类:
按系统范围划分:
宏观系统、微观系统;按系统规模划分:
巨系统、大系统、小系统;人类的干预情况划分:
自然系统、人工系统;按学科领域划分:
自然系统、社会系统、思维系统;与环境关系划分:
开放系统、封闭系统、孤立系统;按功能和结构划分:
分系统、子系统;按系统状态划分:
平衡系统、非平衡系统、近平衡系统、远平衡系统。
372.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院信息定义:
人们在与客观世界相互作用过程中与客观世界相互交换内容的总称。
例如:
人手去取杯子时候,眼睛所观察到手与物体的距离、物体的大小等就是一种信息。
2:
什么是信息?
382.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院3:
什么是控制、自动控制和自动控制系统?
控制:
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。
自动控制:
在无人直接干预的情况下,利用外加的设备或装置(简称控制装置或控制器),使机器、设备或生产系统等(可广义上统称被控对象)的某一工作状态或参数(称为被控量)或某过程自动、准确地按照预期的规律运行。
392.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动控制是相对人工控制概念而言的,自动控制是相对人工控制概念而言的,其主要是其主要是无人直接无人直接参与到控制系统中参与到控制系统中自动控制系统:
指无需人直接干预、能够自动达到某一控制目标而构成的相互关联的一个集合体或装置。
自动控制系统由控制装置、被控对象等组成。
402.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院反馈(feedback):
就是把系统输出量(信号/信息)的部分或全部取出并送到输入端,与输入信息相比较以产生偏差信息,再对系统以后的输出产生影响的过程。
4:
什么是反馈?
而自动控制系统主要是基于而自动控制系统主要是基于反馈原理反馈原理所建立的所建立的412.3基本定义与专业术语反馈示意图反馈示意图SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院负反馈(negativefeedback):
反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反,对控制部分的活动起制约或纠正的作用。
正反馈(positivefeedback):
反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同,对控制部分的活动起增强或增加的作用。
根据反馈信息和参考输入信息极性的不同,可将反馈分为两种类型:
负反馈和正反馈。
422.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院负反馈和正反馈优缺点分析:
优点缺点负反馈可以维持系统的稳态会引起系统输出的滞后、波动正反馈加速控制过程,使被控对象的活动发挥最大效应容易造成系统不稳定,甚至造成系统崩溃432.3基本定义与专业术语SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化技术能做什么?
自动化技术能做什么?
442.4自动化技术的意义自动化技术的意义自动化技术使我们的生活与工作更加方便、高效、省心、省力;2.4自动化技术的意义SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化技术使生产过程的效率更高、成本更低、产品质量更好、竞争力更强、对环境的影响和冲击更小、并显著地降低能源和原材料消耗。
自动化生产线452.4自动化技术的意义SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院462.4自动化技术的意义上海阜海机电科技有限公司的硬标签自动化装配线视频:
自动化生产线视频:
自动化生产线SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院472.4自动化技术的意义采用机器进行农业生产劳动,从而大大地提高了生产的速度与效率视频:
农业机械化生产视频:
农业机械化生产SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院自动化技术使我们能够做很多以前无法做的事情,如通过载人航天器翱翔太空,借助无人潜水器探测深海,利用机器人处理危险品、爆炸物等。
深海探测技术482.4自动化技术的意义SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院视频:
探秘蓝海视频:
探秘蓝海潜龙号如何开展深海探测潜龙号如何开展深海探测492.4自动化技术的意义自动化技术使我们能够做很多以前无法做的事情,如通过载人航天器翱翔太空,借助无人潜水器探测深海,利用机器人处理危险品、爆炸物等。
SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院以倒立摆为例:
人只能“顶起”一级倒立摆机器能“顶起”一级、二级、三级、甚至四级倒立摆一级倒立摆二级倒立摆倒立摆502.4自动化技术的意义SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技术与展望上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院视频:
二级倒立摆视频:
二级倒立摆自动摆起与平衡自动摆起与平衡512.4自动化技术的意义二级倒立摆实物图二级倒立摆模型图SchoolofMechatronicsandAutomation自动化技术与展望自动化技
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