自 动 化 概 论.docx

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自动化概论

自动化专业概论

自动化专业具有口径宽、适应面广、社会需求大和求业容易的特点，受到广大考生的青睐。

近十几年来，无论是重点大学、还是省属大学和专科院校都增开了自动化或类似自动化的专业。

广州地区的中大、华工、广工及华农都有自动化专业，暨大、广大等文理科院校亦新增了类似的自动化专业。

可以说，自动化专业已成为最热门的专业之一。

然而，对于刚进入大学门的一年级学生，对专业的概念并非很清晰，本课程的任务就是为刚跨入自动化领域的未来工程师们作一指点。

一培养目标和要求

1、从专业介绍说起

1）中山大学2011年专业介绍见图01所示。

图01

2）华工的自动化专业2011年招生广告见图02

3）本院的有关自动化专业的宣传见图03

因此，自动化专业的培养目标：

适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人等领域具有较好的理论基础和专业

图02

图03

知识，具有一定的实践技能和创新、开拓精神的工程技术人才。

德智体全面发展，较好地掌握所学的理论知识（基础课、专业基础课和专业课），具备一定的实操能力（系统调试、性能测试和维护），英语听说流连，能看懂并笔译英文资料，能设计一般的控制系统，有志于从事自动化技术的工程型技术人才。

2、专业发展历程

自动化专业的变革与国民经济的发展相关联。

1）1952年之前：

电机工程系的电机工程或电气工程专业。

1952年全国高校院系大调整，新建了工业企业电气化专业，归电机系。

1956年国内开设自动控制专业。

2）1961年华工建立自动控制专业，归自动控制系。

3）1962年华工建立船厂及船舶电气化专业，归造船系。

4）1972年华工新建了工业电气化及自动化专业，归电力系。

5）1981年华工将电力系、造船系及化工机械系的生产过程自动化专业等三个自动化专业合并到自动控制系，并改系名为自动化系。

6）1986年船电专业并入工业自动化专业。

7）1997年相关的各类自动化专业统一更名为“自动化”专业，归电信学院。

后单独成立自动化学院。

8）国外的大学强调口径宽，无专门的自动化专业。

类似的专业有“电机及电子技术”、“电气工程”或“电气与电子工程”等。

3、自动化技术发展史

当今的自动化的概念主要指的是电气自动化，而电气自动化技术起源于机械自动化及生产过程自动化。

1）18世纪中，蒸汽机的发明和应用，出现了近代控制系统和相关控制理论。

2）19世纪中，直流电机投入应用，当时主要用于照明和动力。

后来又发明出交流电机，主要也用于照明和动力。

要调光或调速，都采用人工手动和机械混合控制，从而产生了反馈调节器，对被控制对象进行闭环控制。

世纪末，由于电磁理论及技术的应用，生产出变压器、交流继电器及各种结构简单的有触点的开关、按钮，实现了电气系统的有级调节。

应当说明，20世纪中叶之前的自动化技术大多是机械式控制，包括液体和气体调节器和传感器构成自动控制系统，例如蒸汽机车，见图04。

利用机械式的反馈调节器控制机车速度。

电梯也采用触点和滑杆等的机械式部件控制，实现电梯运行与停层，而开关梯门靠手动控制。

这一时期，由于控制系统的增多，出现了系统稳定性问题，各种以数学为核心的稳定判据在工程上得到应用，从而促进了控制理论的发展。

图04蒸汽机车

3）1940年代起，电子管应用普及，出现了电子管式的计算机，自动化领域开始使用电气调节器执行比例-积分-微分控制，计算机用于科研和军工生产，高端的和精密的制造开始使用数控机床进行产品加工。

这一时期，电器技术的发展也很快，各种性能良好的有触点的开关、按钮、继电器投入实用，气动、液压式传感器和仪表的广泛使用。

出现了电气自动化控制系统，使工业生产和产品质量大大发展和提高。

这一时期的自动化系统，通常是单工序或单台设备，因此称为“单机自动化”。

4）1960年代，半导体技术成熟，出现了晶体管式的调节器，也使计算机的体积大大减小，功能大大增强。

工程上出现了综合自动化生产线，多功能数控机床。

5）1970年代，功率电子技术问世，各种大电流、高电压的电力电子器件用于工程实际。

大功率电子器件开始用于地铁、电车的调速，铁路运输出现了燃-电型的内燃机车。

同时，集成电路制造工艺的突破，出现了中、大规模的集成电路。

另外，现代控制理论开始用于工程。

这一时期，是自动化技术发展最快的阶段。

电气传动领域，交流变频技术日趋成熟，变频器开始用于工程实际。

6）1980年代起，超大规模集成电路促进了计算机技术的发展，出现了单片机，可编程序控制器（PLC）亦投入使用，大量的机器人及机械手用于制造业。

出现了自动化加工中心和无人工厂。

电力电子技术方面，全控型功率器件投入使用，促进了传动技术的发展，采用直流传动的电力机车投入使用，变频器进入工程领域。

7）1990年代起，网络技术成熟。

互联网遍布各地，CAN、Lon-Works及CC-Link等总线技术用于工业生产和军事。

“三遥”技术和楼宇自动化进入实用。

国内采用交流调速的列车投入使用，专家系统、人工智能、模糊控制等自动控制技术开始用于工程实际。

出现了高速电梯的群控系统，仿生机器人，大型企业的中央监控系统等；控制理论亦进入日常生活，提高了人们的生活质量。

8）进入21世纪，随着网络与计算机的进一步普及，自动化技术已渗透到各个领域，无机房电梯、节能型电梯、采用总线技术的轿车、高速列车和磁悬浮列车投入使用。

远程监控用于航天、深海及工业控制。

4、科研机构、组织及刊物

1）国家建立专门的科研单位，有：

北京机械工业自动化研究所、沈阳自动化研究所、天津电气传动设计研究所、西安电力电子技术研究所、广州电器科学研究设计院等。

2）国内成立了相关的团体，对口的有：

中国电工技术学会，中国自动化学会，中国电梯技术学会等。

国际上有：

美国的电气与电子工程师协会（IEEE），英国的电气工程师协会（IEE），日本的电气工程师协会（IEEJ）及国际自动控制联合会（ACE）。

3）和专业相关的刊物有：

《电气传动》《电力电子技术》《电气自动化》《制造业自动化》《冶金自动化》《自动化与仪表》《》《控制理论与应用》。

国外有国际性的刊物：

二、自动控制系统的构成

在自动化技术中，自动控制系统通常指的是工程上的单台加工设备，其加工过程由一套自动控制系统来控制，该系统能根据人们的要求控制设备的运行。

1.系统演变过程

1）一炉温加热系统，采用10Ω的电炉丝加热工件，由220V交流电源供电，经单相开关KM1加于电炉丝的两端，见图05—1所示。

该系统的缺点是炉温无法改变。

图05—1

2）若要求炉温能够改变，则必须改变供电电压。

这可用一台交流调压器TS来调节供电电压，从而改变输入电源，使炉温改变。

其结构见图05—2。

图05—2

3）然而，图05—2的系统需靠人工调节才能改变炉温。

若要脱离人的干扰，可以用电动机代替人来调节调压器的动点位置，当然还需要有测量炉温的热电偶CT，及炉温标准值Ug

由于检测信号太小，还需要放大器ATR，见图05—3所示。

显然，只要设定了标准值，系统就能自动调节炉温。

图05—3

4）图05—3需要一台容量等于负载的交流调压器，及一台直流电动机，体积大，成本高，精度低。

为此，用电子调压器代替交流调压器可克服上述缺点。

见图05—4。

图05—5

5）模拟式电子控制系统精度低，调节范围窄。

采用数字式温度调节器的炉温控制系统见图05—5所示。

图05—5

6）采用最新技术的炉温控制系统由数字调节器DT、电子开关VT、智能化交流开关KMDC、485总线及计算机CT组成。

计算机又通过总线与上位机相连，见图05—6所示。

图05—6

2.控制系统组成及定义

由上述的例子说明，一个自动控制系统必定采用反馈方式实现被控量的自动调节。

因此一套完整的系统由几个环节（部分）组成：

（1）给定（基准、指令）环节，Ug闭环系统有。

（2）反馈环节，Uf闭环系统有。

（3）控制器（调节器）。

产生控制电压，闭环系统有。

模拟式、数字式、计算机式。

（4）执行环节。

VT、直流电动机，大功率电子器件。

闭环系统有。

（5）被控对象（负载）。

电阻丝R（炉温）。

（6）保护环节。

负载方面有电炉丝断路或短路保护，温度方面有超温或低温保护，电源侧有缺相、熔丝熔断报警，三相电源有相序显示环节。

此外，对系统工作特性产生影响的变量称为“扰动量”。

例如输入电源电压变动，炉内工件的增减，室温变化等。

三、应用

自动化专业的应用，包括毕业后可从事的工作。

鉴于自动化技术的应用范围广泛，因此自动化专业可从事的工作覆盖所有行业，而企业是主要的领域。

1.轻工业。

纺织、造纸。

自动化在造纸机上的应用。

图06为广州造纸厂8号纸机的工艺流程及结构图。

该纸机为国外九十年代的产品，采用西门子的PLC控制器为核心，共使用了22台直流和交流电动机传动，传动设备由西门子公司和ABB公司提供。

纸机总功率为6800KW。

纸幅宽8米，纸页速度1600米/分。

各部分的功能：

流浆箱—将纸浆均匀地喷涂在毛布上，压榨部有五道轧辊将纸浆中的水分挤干，干燥部共有20只烘缸，用150度的高压蒸气加热，当含有水分的纸页通过烘缸时，水分被蒸发，压光部用压棍将纸表面压平，最后是卷纸部。

该控制系统有多种反馈量，包括纸页厚度、宽度、含水分量、纸质及纸速和张力等

图06造纸工艺流程

图07和图08分别为纸机卷取部的照片。

图07广纸8号纸机

图08广纸1号高速纸机

2.交通。

地下鉄道、无轨电车、高速列车。

高速铁路融合了电力电子技术、计算机技术及信息技术为高科技的成果。

图09为“和谐”号高速列车。

图09和谐号高速列车

图10为对应的驱动部分主电路结构图。

图10

3.供排水。

自来水厂、污水处理厂。

1）自动化在供水系统上的应用。

自来水厂有大量水泵采用电动机驱动，有各种工序的操作过程，水质检测过程，数据分析和汇总，实时监控及信息传输。

因此用到网络技术、电气技术、控制技术及设备维护与管理。

图11为自来水厂布置图。

图12为污水处理厂的分布图。

图11自来水厂工序分布图

图12污水处理厂工序分布图

图13为处理厂中控室结构图

图13分布式控制系统

4.制造业

机械、汽车、造船、飞行器等行业大量使用机器人或机械手进行生产。

图14为汽车生产线上使用的各种机械手和机器人。

图14机器人

此外，人无法进入的许多工作现场，也在使用机械手和机器人进行生产。

五、生产过程监控

电站、化工、食品等行业的生产过程大都采用自动化技术进行生产工艺和过程的监控。

热电站从输煤到输电的整个过程全部实现自动化和计算机控制，图15为热电站的生产过程示意图。

由图可见，整个过程分为燃料加工，锅炉部分、汽机部分及发电与输配电等四个部门。

所有的控制信号和动作都由主控室控制，生产过程的信息都由计算机室进行监控。

因此热电站的自动化程度非常高。

图16为热电站外观照片图。

图15热电站生产过程结构图

图16热电站外部照片

冶金企业的钢材轧制也采用计算机监控，图17为钢板轧制过程图。

图17轧制过程

六、楼宇自动化

高楼大厦遍布各地，几十层的大楼每天有成千上万的人员进出，安保任务重。

为有舒适的环境，设有中央空调系统，有照明和供水及电梯等部门。

因此现代化的大楼采用自动化技术管理运作。

这就产生了“楼宇自动化”学科，该系统包括中央空调、配电及照明、安保及防盗、火灾与自动报警、闭路电视及门禁、电梯与自动门等部分。

用Lon总线将各部分连接到中控室，构成大楼的自动管理系统（图18—1、图18—2）。

图19为生活中常见的自动扶梯。

用交流电动机驱动，采用交流变频器供电，其控制系统由总线与中控室相连。

图18—1上海新世界百货公司

图18—2香格里拉大酒店

图19自动护梯

图20观光电梯

七、电力系统自动化

电力网连到千家万户和众多企业，因此电力网供电质量直接关系到民众的生产和生活。

电网通过变电站的升、降压装置和断路器及开关器输往各个用户，这些供电和配电设备的控制，电压、电流、频率、有功、无功和视在功率等变量的检测和调节都需要自动控制系统来实施控制。

国外已有无人值守的变电站，采用“三遥”技术，通过无线网络实现远程监控。

而供电的质量也与用户的经济利益相关联，电压波形畸变、无功增大和频率改变直接影响电网的质量。

因此需要采用自动控制系统实施调相、调差和功率因数补偿。

图21为220KV变电站的照片。

图21220KV变电站

八、仓储自动化

大型仓库、冷库和停车场采用自动化技术进行管理，图22为采用计算机监控的多层立体停车场。

车辆进出、刷卡和停层过程均实施无人操作，而由计算机统一管理。

图22停车场

九、办公自动化

计算机和网络技术的广泛应用，促进了办公和商务自动化的发展。

大型医院采用网络技术实现就诊、处方、缴费和取药及检验的一条龙服务。

无纸化办公正在兴起。

此外，现代化的文体场馆和展览中心亦采用自动化技术进行管理。

分布式控制亦用于舞台的灯光和照明控制。

十、航天及军事自动化

图23

1.航空及航天

尖端技术与自动化的关系。

2国防与军事

1）舰船作为舰载武器平台，既有进攻型的武器，也有防御型的武器，既要防止敌方的飞机和导弹从空中攻击，也要预防水下的袭击。

因此，现代化的大型舰船采用了总线结构的综合作战指挥系统监控各个平台，引入计算机后，其反应速度达到毫秒级，可以保证在最短的时间内对敌方作出反应。

2）陆上武器。

坦克、火炮。

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3）空军。

图24

四、教学情况

1.任务。

1）学做人：

身心健康、品德高尚、关爱师长、遵纪守法、吃苦耐劳、自信志坚、诚实守信。

2）学习理论知识：

刻苦、认真、努力、系统而全面掌握专业知识。

3）接受一定的实践技能训练，拓宽专业知识面。

成为社会有用的合格人才。

2.课程设置。

最新制订的自动化专业11级的教学计划如附件所示。

1）特点：

总学时2082（2500），177学分（学院175）。

2）个人拓展（选修课）128学时。

3）专业课（选修加必修）160学时。

4）实践环节课40周、40学分。

自动化专业必须修够177学分

3.教学环节。

1）主要课程介绍。

（1）公共课：

拓宽知识面，提高人文和政治素养。

（2）基础课：

高等数学、物理、线性代数、复变函数、工程制图

（3）专业基础课：

电路、数字电子技术、模拟电子技术、微机及单片机、传感器技术、软件技术、MATLAB语言、专业英语、自动控制原理。

（4）专业课：

电机及拖动基础、电力电子技术、现代控制理论、电气设备与PLC、运动控制系统、楼宇自动化、计算机控制技术、

（5）选修课：

汽车综线技术、汽车电子设备、过程控制及仪表、电能供给与配送、DSP原理与应用、汽车电子控制系统、嵌入式操作系统原理与应用、计算机网络、伺服控制系统。

（6）个人拓展计划课：

4.希望和要求。