杨宜民、张祺、高军礼、张学习编*的《自动化 科学与技术概论》系统、全面地介绍了控制科学与工 程学科的基本概念、理论、技术及其研究现状和发展 趋势,内容极为丰富,涉及控制科学与工程学科的方 方面面。
本书的编写遵循深入浅出、系统全面、突出中国 人贡献三项原则,同时特别强调智能技术的先进性和 把“控制”概念扩展到“规划、决策”层次两方面; 力求与时俱进,满足信息时代对IT精英培养的要求以 及莘莘学子的殷切期望。
本书既可以作为“控制科学与工程”专业研究生 的入门书,又能帮助他们选择研究方向,同时还是一 个很好的资料库和知识库,对相关专业的老师、学生 与研究人员具有一定的参考价值。
改革开放以来,我国的高等教育事业得以飞速发展,并发生了翻天覆地的变化。十多年前,大学的专科和本科教育就已发展成为大众化教育,硕士和博士研究生教育自然提升为“半精英”和“精英”教育。
伴随着我国政治、经济、文化等发展和进步的需要,研究生的招生规模不断扩大。自动化科学与技术是一个以信息的获取、传输和处理(计算和存储)为三大(四大)关键技术的信息类学科,其研究生生源一部分来自“控制科学与工程”专业与“自动化”专业之外的其他专业,他们对自动化科学与技术不太了解。即使生源来自“控制科学与工程”专业与“自动化”专业,也因来自不同院校,所掌握的基础理论和专业知识的程度而各不相同。因此,向博士、硕士新生较系统、全面地介绍自动化学科的基本概念、理论、技术及其研究现状和发展趋势是非常必要的。
从2000年开始,我校为“控制科学与工程”专业的博士生和硕士生开设《自动化概论》课,并列为必修学位课程。所使用教材是杨宜民老师以1995年国家自然科学基金委员会的自然科学学科发展战略调研报告《自动化科学与技术》为蓝本的自编教材。
近些年,我们积极开展《自动化科学与技术》研究生示范课程的建设工作,并得到学校、自动化学院的大力支持与帮助。在《自动化概论》教材(广东工业大学教材科出版,2000年6月第1版,2006年10月第2版)的基础上,结合本人几十年来对自动化学科的学习与理解,以及十多年来对该课程的教学体会,2011年杨宜民老师编写了《自动化科学与技术》教材。该教材的编写遵循深入浅出、系统全面、突出中国人贡献三项原则,同时又特别强调智能技术的先进性和把“控制”概念扩展到“规划、决策”层次两方面。
本书是以2011年杨宜民老师编写的《自动化科学与技术》教材为蓝本进行编写的,编者力求本教科书与时俱进,能满足信息时代对IT精英培养的要求以及莘莘学子的殷切期望。第1章为绪论,介绍自动化科学与技术学科的一些专业术语、知识结构、组成、发展历史、研究意义和研究内容; 第2章为控制理论,主要介绍线性系统、非线性系统、分布参数系统、离散事件动态系统、复杂系统五种有模型系统的控制理论,以及无模型系统的各种智能控制技术; 第3章为控制工程,主要介绍自动化科学与技术学科中有关工程实现的理论与技术,包括传感器、检测技术、传感器信息融合技术、控制系统的建模、分析与综合、各种先进制造技术、控制系统的实验及仿真等; 第4章为系统工程,主要介绍系统工程的方法论和常用技术; 第5章为模式识别,主要介绍机器视觉、机器听觉和机器喉(语音合成)等的构成、工作原理、工作流程与实现的硬件和软件; 第6章为人工智能,主要介绍其发展历史、三大学派、研究内容、知识表示法、各种推理技术和分布人工智能; 第7章为机器人学,简单说明机器人学,以及它与自动化科学技术之间的密切关系。
可见,本书的内容极为丰富,涉及自动化科学与技术学科的方方面面,既可以作为“控制科学与工程”专业研究生的入门书,又能帮助他们选择研究方向,同时还是一个很好的资料库和知识库。因此,相信它对“控制科学与工程”专业及相关专业的老师、学生与研究人员会有帮助,具有一定的参考价值。
本书除了引用书末所列出的参考文献外,还引用了IEEE相关的期刊、相关的国际学术会议论文集、国内的《自动化学报》、《计算机学报》、《机械工程学报》、《控制理论与应用》、《机器人》等权威刊物中的资料,特向相关作者的辛勤劳动表示谢意与敬意!
本书的出版得到广东省教育厅的立项支持(2012年研究生示范课程建设教改项目),立项过程中得到中南大学蔡自兴教授、华中科技大学黄心汉教授、华南理工大学胡跃明教授、广东工业大学张占松教授和李日隆教授等的推荐与支持,在此一并表示衷心的感谢!
张祺老师编写本书的第2、6、7章; 高军礼老师编写第1、3章; 张学习老师编写第4、5章。最后,全书由杨宜民老师统稿和定稿。此外,博士生付根平和田波帮助打印部分内容、绘制部分图片。
尽管编者在本书的编写过程中竭尽全力,但由于时间和知识水平的限制,其中定有不妥、甚至错误之处,敬请诸位专家和读者批评指正。
广东工业大学
编者2015年9月
第1章绪论
1.1一些专业术语
1.2自动化科学技术的知识结构与学科组成
1.2.1自动化科学技术的知识结构
1.2.2自动化科学技术的学科组成
1.3自动化科学技术与其他学科的关系
1.4自动化科学技术的起源与发展历史
1.4.1自动化科学技术的起源
1.4.2自动化科学技术的发展历史
1.5自动化科学技术在人类发展史中的位置
1.6自动化科学技术的研究意义
1.7自动化科学技术的研究内容
习题
第2章控制理论
2.1概述
2.1.1控制理论的定义
2.1.2控制理论的发展简史
2.1.3控制理论的分类
2.2线性系统及其控制理论
2.2.1线性系统
2.2.2线性系统理论
2.3非线性系统及其控制理论
2.3.1非线性系统
2.3.2非线性系统理论
2.4分布参数系统及其控制理论
2.4.1分布参数系统
2.4.2分布参数系统理论
2.5离散事件动态系统及其控制理论
2.5.1离散事件动态系统
2.5.2离散事件动态系统理论
2.6复杂系统及其控制理论
2.6.1复杂系统
2.6.2复杂系统理论
2.7几种典型的控制方法
2.7.1鲁棒控制
2.7.2自适应控制
2.7.3容错控制
2.8无模型系统及其控制理论
2.8.1无模型系统
2.8.2无模型系统理论(智能控制)
习题
第3章控制工程
3.1概述
3.2传感器
3.2.1传感器的分类与工作原理
3.2.2传感器的特性与应用
3.3检测技术
3.3.1测量仪表
3.3.2测量方法
3.4传感器信息融合技术
3.4.1信息融合技术的工作原理与作用
3.4.2信息融合方式
3.4.3信息融合方法
3.4.4传感器信息融合的应用
3.5系统建模与系统CAD
3.5.1系统建模
3.5.2系统CAD
3.6系统仿真
3.6.1系统仿真的定义与分类
3.6.2数字仿真
3.6.3物理仿真
3.6.4仿真软件
3.6.5系统仿真的应用
3.7递阶分布控制
3.7.1递阶分布控制的原理结构与作用
3.7.2递阶分布控制系统
3.8现场总线控制
3.8.1常用的现场总线、工业以太网与实时以太网
3.8.2现场总线控制系统的体系结构
3.8.3现场总线通信系统与现场总线设备
3.8.4现场总线控制系统的组态
3.9先进制造技术
3.9.1柔性制造系统
3.9.2敏捷制造系统
3.9.3计算机集成制造系统
习题
第4章系统工程
4.1系统概述
4.1.1系统的定义
4.1.2系统的特性
4.1.3系统的分类
4.2系统工程概述
4.2.1系统工程的定义与特点
4.2.2系统工程的研究对象与研究内容
4.2.3系统工程的产生与发展
4.3系统工程的理论基础
4.4系统工程方法论
4.4.1方法与方法论的定义
4.4.2三维结构论
4.4.3调查学习模式论
4.4.4综合集成论
4.5系统工程的常用技术
4.5.1系统分析技术
4.5.2系统预测技术
4.5.3系统评价技术
4.5.4系统决策技术
4.6系统工程的研究与应用
习题
第5章模式识别
5.1概述
5.1.1模式识别的定义
5.1.2模式识别的工作流程
5.1.3模式识别的基础理论
5.1.4模式识别的基本方法
5.1.5模式识别的发展简史
5.2计算机视觉(机器视觉)
5.2.1计算机视觉的定义与工作流程
5.2.2计算机视觉的基本构成
5.2.3图像预处理
5.2.4图像分割
5.2.5图像识别
5.2.6图像理解
5.2.7文本识别
5.3机器听觉与机器喉
5.3.1相关的基础知识
5.3.2机器听觉
5.3.3机器喉
5.4模式识别的应用
习题
第6章人工智能
6.1概述
6.1.1人工智能的定义
6.1.2人工智能的发展简史
6.1.3人工智能的三大研究学派
6.1.4人工智能的研究目标与研究内容
6.1.5人工智能的应用
6.2知识表示方法
6.2.1状态空间表示法
6.2.2谓词逻辑表示法
6.2.3语义网络表示法
6.2.4框架表示法
6.2.5本体技术表示法
6.2.6过程表示法
6.3经典推理技术
6.3.1图搜索策略
6.3.2消解原理技术
6.3.3产生式系统技术
6.3.4规则演绎系统技术
6.4非经典推理技术
6.4.1非单调推理技术
6.4.2不确定性推理技术
6.5智能计算与智能控制
6.5.1智能计算
6.5.2智能控制
6.6分布人工智能
6.6.1概述
6.6.2多Agent系统的基础知识
6.6.3相互作用与通信
6.6.4合作的基本原理和方法
习题
第7章机器人学
7.1概述
7.1.1机器人的定义与特点
7.1.2机器人的起源与发展简史
7.1.3机器人的构成与分类
7.1.4机器人学的研究内容
7.2机器人学和自动化科学技术的关系
7.3FIRA系列微型机器人足球比赛
7.3.1FIRA系列微型足球机器人
7.3.2比赛系统的体系结构与工作流程
7.4RoboCup中型组机器人足球比赛
7.4.1RoboCup中型组足球机器人
7.4.2比赛系统的体系结构与工作流程
7.5RoboCup标准平台组机器人足球比赛
7.5.1NAO类人足球机器人
7.5.2比赛系统的体系结构与工作流程
习题
附录
参考文献