自动化概论课程报告

1．自动化的基本概念1.1什么是自动化自动化是指由一个或多个制动控制系统或装置所构成的，没有人直接干预的生产过程。自动化系统包括人造系统和自然系统。本专业培养的学生要具备电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识，能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面工作的高级工程技术人。1.2自动化研究的主要内容 自动控制装置理论、自动控制处理、现场总线及工程实现技术、控制软件、控制装置、信号处理、现场总线和以太网等。其中自动控制理论与方法是实现自动化的理论支柱，计算机技术、电动机、PLC、电力电子、微电子技术和自动化和仪表技术等是实现自动化的硬件基础。从应用观点来看，研究内容有生产过程自动化、机械制造自动化、武器季军是自动化、办公室自动化和家庭自动化、控制软件、控制装置、信号处理、现场总线等。其中，计算机技术、电动机、PLC、电力电子、微电子技术和自动化仪表技术等是实现自动化的硬件基础。

2．自动控制系统的组成2.1自动控制装置系统由那几部分组成自动控制系统主要由四个基本部分组成：被控对象、检测装置或传感器、控制器、执行器。如图：

①被控对象：被控对象是指系统的工作对象施加一种控制作用，以达到人们

所期望的目标。

②检测装置：检测装置能将一种物理量检测处理并转换成另一种容易处理和使用物

理量的装置。

③控制器：控制器接受传感器来的检测信号，并与被控制量的设定值进行比较，以到实际检测值与设定值得偏差，然后根据偏差信号的大小和被控对象的动态特性，

经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确的

达到所预定的给定值 。

④执行器：也称执行机构。其直接作用于控制对象，使被空置量达到所要求的数

其作用为自动化系统的手和脚。2.2反馈控制原理及特点

反馈控制使“检测偏差用以纠正偏差”原理。

其特点有两个：1.由反馈结构决定的。系统输出量经测量员件反馈到系统的输入端，

并与给定值进行比较得出偏差。 2.从控制作用的产生来看，它是有偏差引起的，及一旦出现偏差，就

产生控制作用，由于系统的这种连接方式，这种控制作用将使系统的被控量自动的

沿减小或偏差的方向运动。 2.3计算机控制系统的特点

1计算机控制系统中，除有连续模拟信号外海有连续信号、数字信号等多种语言。

2在计算机控制系统中，控制规律使有计算机通过程序实现的修改一个控制规律只修

改程序以般不对硬件电路惊进行修改，因此与有很大灵活性适应性。3计算机控制具有丰富得知的指令系统和很强的逻辑判断能力，能够实现复杂控制规

律。4计算机控制系统不是连续控制的，而是离散控制的。3.自动控制系统的控制方法

3.1自动控制系统的基本性能要求。

1.稳定性：它是保证控制系统正常工作的先决条件，是对自动控制系统的最基本的

要求。 2.准确性：当系统的输出良玉输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程

度。这种误差越小，表示系统的输出跟参考输入的精度越高。 3.快速性：当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种片差的快慢程

度。他是系统稳定的前提条件下提出的，它主要针对的是系统的国度过程形式和性

能。3.2PID控制

积分微分控制（PID control）是有比例、积分、微分环节组成的控制器称为比例-

积分-微分控制器。 积分控制器的作用：

1延缓作用：当输入偏差为阶越信号时输出不能突变，而是逐渐积分现行渐增。

降低了系统的响应速度。 2积累作用：只要输入偏差存在，尽管它很小，积分也会进行，直至输出达限幅

值为止。只有输入偏差为零时，这种积累才会停止。正是利用积分控制的这个特点

来消除系统静差的， 3记忆作用：在积分过程中，突然输入偏差为零，其输出则始终保持在输入偏差

改变前那个瞬间的值不变。 微分控制的作用：

1减小超调量，缩短调整时间，提高了系统的稳定性，从而改善了系统的动态性能。

2只要输入偏差出现变化趋势，即使偏差很小，微分控制器立即产生控制作用，

阻止偏差的变化。微分作用的强弱取决与微分时间的大小。

4自动化学科的前沿技术

4.1智能机器人什么是机器人机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。

机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。 欧美国家认为：机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。” 机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、

鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可

以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。机器人的发展

由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点

发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只

看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动

化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达

6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机

器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽

有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核

工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工

业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强

的竞争力。

进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，

政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提

高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的

机器人迅速发展。

80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性

能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很

快占领了美国60％的机器人市场。

尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，

但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：

（1）性能可靠，功能全面，精确度高；

（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；

（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应

用；

（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、

侦察、站岗及太空探测方面。具体时间 1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。 1939年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。 1942年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。 1948年 诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。 1954年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。 1956年 在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。 1959年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。 1962年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。 1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。 1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。 1968年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。 1969年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。 1973年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。 1978年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。 1984年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。 1998年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。 1999年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。 2002年 美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。iRobot公司北京区授权代理商：北京微网智宏科技有限公司http://www.micronet.net.cn。 2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。