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同学们好

我们这门课是自动化专业

学科概论

全课程共分为二十二讲

今天是第一讲

同学们可能最想知道的

一个问题是

什么是学科

学科就是具有某种理论体系的

研究与应用的一个领域

我们同学们知道的是

比如理学又分为数学

物理 化学

工学又分为机械

电子 电气 信息

热能等等等等

其实究竟怎样划分学科

随着人们对这个学科的

认识的不同而不同

比如在一些西方发达国家

他把学科会分得很大

而在我们国家

他把学科会分得很细

我们国家呢

是沿袭了前苏联的理论体系

我们的教学方案

也完全是

按照他们的理论体系

过来的

所以说这个学科呢

就划分就存在了很多的问题

迄今为止我们还不能

给出一个学科的确切的定义

到底学科都分为哪一些

我们都是因人而异的

那么下一个名词就是

什么是专业

专业就是学科当中的

一个分支

比如自动化就是一个专业

可是近些年来

我们的自动化专业发展得

比较快

内容也比较广泛

包含了电子 电气 信息

等等一些内容

所以在我们国家

已经把自动化称为一个学科

这个学科就叫做

自动化类学科

下面我们来讲具体内容

首先是什么是自动化

其实自动化

每天都在我们身边发生

比如从早晨起床

我们要用到

抽水马桶

我们会要用到电动牙刷

电动剃须刀

吃早饭我们会用到电饭煲

我们出行可以用到自行车

也可以开着汽车去上班

到了单位以后

我们还会遇到很多的

自动化设备

比如办公室里的空调

办公桌上的计算机

那么这些自动化设备

已经在我们的生活当中

数不胜数

没法一一列出

我们现在不知道

到底有多少自动化设备

其实古代的时候也有自动化

我们知道的我们四大发明

指南针

指南针就是一个自动化设备

它指示南和北

我们中国人发明了沙漏

比如在我们生活中

发明的风车

可以利用风力

为我们抽水灌溉

也可以为我们提供生活用水

当然现在的风力

应用更加广泛

我们可以利用风力来发电

风力发电呢

是一个清洁能源发电设备

现在是大力推崇的

一种发电设备

那么自动化设备

数不胜数

我也没法再往下一一列举了

那么我们可以知道

自动化的应用可以到了各个领域

甚至渗透到社会的每一个角落

比如工业 农业军事航空航天

天文环境商务楼宇交通

医药服务等等等等

现在我们可以给

自动化一个定义

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

这里边强调的有两点

一是无人干预

二是自动操作或运行

还有一类自动化设备

与刚才我们讲的

那些是有所不同的

比如每天我们淋浴

第一件事情我们要做的是

调节这个水温

我们的调节过程如下

首先用一只手

去测量这个水的温度

然后与大脑的希望值进行比较

看看这个温度

是否适合于我今天所用

如果不适合

比如水温高了

那么会通知

另外一只手去改变冷水阀

或热水阀

或者是把一个阀向左打向右打

使得我们这个温度

达到我们的希望值

我们可以用这样一个

方框图来描述刚才这个过程

这是淋浴器

淋浴器通过一只手

测量出这个温度

然后与大脑的

希望值进行比较

比较完了以后

得到了一个偏差

这个偏差

又回到我们大脑去

大脑会根据这个偏差

发出一条指令

就是第二只手

然后去改变这个阀门

这样一个过程

重复地进行

直至我们的温度达到

我们的希望值

刚才我们看到这个方框图

是属于控制洗澡水温度的

一个调节过程的

这么一个框图

我们可以把它

转换成普通的形式

先从淋浴器开始

淋浴器就是

我们要控制的对象

所以说我们可以

称它为被控对象

也可以称为控制对象

它的输出

就是洗澡水温度

我们把它称作被控量

第一只手

测量这个被控对象的输出

我们把它称为传感器

传感器的输出

送入我们的大脑

那么和我们大脑的

希望值进行比较

那么这一比较

我们称作比较器

我们用一个圈里边

再用一个十字

或者说是一个叉的形式

来表达两个信号的相加减

大脑当中的希望值也称为

设定值给定值都可以

比较器的输出

也就是说水温的偏差是多少

送给我们的大脑

那么我们大脑是

整个控制系统的核心

我们和它叫作控制器

控制器的输出就是指令

这个指令呢

通知我的是第二只手

第二只手就成为执行器

再来看一下

这个系统当中

信号是怎样流动的

从希望值开始

希望值的信号

进入比较器

比较器与测量的信号求偏差

得到了偏差信号以后

把它送入控制器

控制器通过五种运算

得到一个输出

这个输出呢

输入给执行器

执行器接到这样一条指令以后

开始动作

比如开大阀门

关小阀门

通过开大阀门和关小阀门以后

使得对象的输出发生了变化

这个变化又传给传感器

这个变化通过传感器测量出

又送给比较器

由此我们可以看出

一个闭环系统由四部分组成

第一部分被控对象

第二部分就是传感器

传感器的作用就是把非电量的

物理量或者是强电量的物理量

转化成弱电量

目的是要把这个弱电量

送给控制器

第三部分

是控制器

控制器接收比较器

送出来的偏差信号

如果控制器是由电子元器件

来实现的

那么它的输出也是弱电量

在现代的社会里

控制器可以用计算机来实现

所以它的输出呢就是数字量

第四部分就是执行器

执行器的作用是

接收控制器

输出的操作指令

然后呢

把它转化成

非电量的物理量

对被控对象施加控制

自动控制的概念

不仅用于自然科学

现在也用于社会科学

比如中国的人口控制

他可以通过人口的普查

得到人口的结构和数量

与希望值进行比较

然后由中央决策层做出

相应的法律法规

通过执行部门

地方政府

实行计划生育

为了以后叙述的方便

我们再讲一下系统的概念

什么是系统呢

它是指由相互关联

相互制约

相互影响的一些部分

组成的具有某种功能的

有机整体

那比如

我就是一个系统

我这个系统呢

又可以分为其他的子系统

你比如呼吸系统

血液系统等等

系统可以由实物组成

也可以由非实物组成

这个图就是系统的组成

那么一个大系统

可以分为子系统

有若干个

环境对系统的作用

称为系统的输入

系统对环境的作用

称为系统的输出

由于在描述一个控制系统时

我们经常要用一个方框图

来描述

下面我们就给出

方框图的定义

方框或者称为方块

表示的是一个环节

也就是系统中的

某一部分

可以是物理设备或装置

也可以是由计算机软件

实现的一种算法

从方块出来的箭头

表示该环节的信号输出

反之表示该环节的信号输入

一个方块只允许一个输入

和一个输出

那么有多个输入怎么办

我们可以用相加点来描述

比如两个信号

A和B

可以用一个求和器

或者说比较器来实现

那么如果有多个输出怎么办

我们可以用分支点来描述

一个输出然后通过

很多的分支

流向其他的方块

下面

我们可以根据

前面讲述的例子

给出自动控制的定义

所谓自动控制

就是通过人造装置

或者人类为了约束自己的行为

而制定的政策和法规

来对人造系统和非人造系统

进行控制

从而达到人所希望的目标

自动控制强调的是

检测比对施加作用

最后达到一种目标

它与自动化的对比是

自动化只能适合于人造系统

它强调的是自动操作和运行

而自动控制可以是人造系统

也可以是非人造系统

它强调的是达到一种目标