自动化专业综述论文.doc

湘潭大学学年论文题 目:自动化专业综述及模式识别简述 Automation review and a brief introduction to pattern recognition 学 院：信息工程学院专 业:自动化学 号：2012550413姓 名：陈臻誉指导教师：范朝冬 完成日期:2015年5月30日目录一、自动化的概念3二、自动化的发展4三、自动化专业的相关情况5四、模式识别简述61、模式识别的基本概念62、模式识别的发展史63、模式识别的方法73.1统计模式识别73。2句法模式识别73。3模糊识别方法与神经网络方法74、模式识别系统85、模式识别技术的应用8摘要在21世纪的社会发展与科学技术发展中，信息技术占据着不可替代的重要位置。在工业发达，信息量巨大的今天我们越来越需要能够帮助人类完成一些较为复杂的任务的助手。在这样的要求下自动化学科便逐渐发展起来成为了人类发展中不可缺失的一环。因此了解自动化学科是相当必要的。本文通过对现有情况的掌握与分析讨论了自动化学科的概念、发展及其相关学科和近况并重点分析描述了模式识别的概念、发展以及方法等方面.从所收集的信息可以看出模式识别的应用与重要性日益增加,模式识别之类的自动化类的新兴学科渐渐地扮演起重要的角色。 AbstractIn the social development and the development of science and technology in twentyfirst Century, information technology is occupying an important position in the development of science and technology. In the advanced industry, the huge amount of information today we need assistance to help complete some of the more complex tasks. In such a request the automatic chemical science is gradually developed as an essential part of the development of human being。 Therefore, it is necessary to understand the automation discipline。 The control and analysis of the existing situation Automation Discipline concept， development and related disciplines and status and focuses on the analysis of description of the pattern recognition of the concept, development and methods is discussed。 From the information gathered， it can be seen that the application and the importance of pattern recognition are increasing, and the new discipline such as automatic pattern recognition gradually plays an important role.。一、自动化的概念 自动化，英文为“automation”，自动化在高等教育专业中是相当热门的专业.与自动化相关的专业也不在少数比如机电一体化技术、电气自动化技术、机械设计制造及其自动化等等.然而到底什么是自动化?顾名思义自动化就是可以让一个系统在几乎无人参与的情况下也能按部就班地进行操作或运行。自动化的概念最早起源于自动控制，而自动控制可以追溯至公元前。所谓自动，就是在无人或者很少人参与但是却会按照人的意愿去行动。 事实上自动化就是指系统、机器设备或者生产、管理过程在无人或少数人力的直接参与下,按人的要求，经过自动检测和信息处理、分析判断以及操纵控制从而实现预期目标的过程。由于几乎不需要人的参与，可以依靠自动系统完成一系列高重复性和高一致性的工作，使所产出来的成品质量大大地得到有效的提高,从而使产品的竞争力得到改善。自动化技术被于农业、工业、军事、交通运输、医疗、航天事业、商务、和第三产业等方面广泛应用。自动化技术大大地提高了劳动生产率，增强人类改造世界和认识世界的能力。所以自动化是国防和科学技术和工业以及农业现代化的重要条件与显著标志。二、自动化的发展 自动化技术早在现代文明以前就被广泛应用于各个领域，在我国古代就有可以实现自动化的装置，比如传说中黄帝使用过的指南车、公元一一三五年诞生的铜壶滴漏及浮子式阀门，计里鼓车和候风地动仪等。而在西方文明中也存在着自动装置比如古代希腊的可以自动开启的庙门等自动装置.在近代，欧洲的几个国家络绎不绝地制造出了各种自动装置：荷兰机械师Huygens在一六五七年发明了钟表；英国机械师Lee在一七四五年发明带有风向控制的风磨.自动化技术形成时期是在18世纪末20世纪30年代。对自动化的大量需求要从工业革命开始说起.公元1788年，瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来,构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统 。瓦特的这项发明是自动化应用的首个里程碑，他开创了近代自动调节装置应用的新纪元.在1900年之后，各种自动调节装置被广泛应用于工业生产中，促进了对调节系统进行分析和综合的研究工作.1926年American建成了第一条汽车底盘的自动生产线.电子式控制器的加入可谓是自动化应用的第二个里程碑。而“自动化”一词最早是由D。S。哈德于1946年提出来的,哈德是Ford Motor Company的一个机械工程师，他用来用来描述发动机汽缸的自动传送和加工的过程.50年代,自动调节器和经典控制理论的发展，自动化进入以单变量自动调节系统为主的局部自动化阶段。60年代，现代控制理论和电子计算机的推广,使自动控制和信息处理结合起来。至此自动化便进入到了生产过程的最优控制和管理的综合自动化阶段.70年代以来，随着计算机技术的发展,人们处理复杂信息的能力相比之前有很大的进步,因此推进了自动化技术的全面发展，期间因为信息处理能力得到了改善，解决高维大系统控制和带有不确定性控制问题的鲁棒和智能控制理论等都变成自动化研究领域中的新热点。上世纪五十年代起到现在为综合自动化时期，该阶段空间技术发展得很迅速,急需解决多变量系统的最优控制问题.所以出现了现代控制理论。该理论的发展为综合自动化奠定了理论基础。同一阶段的微电子技术也有了新突破。一九五八年诞生了晶体管计算机，一九六五年诞生了集成电路计算机，一九七一年就有了单片微处理机。它们都对控制技术有很大的影响工程师们可很利用这些技术使综合自动化成为现实.自动化在现代化进程以及经济全球化进程中都起着相当重要的作用.三、自动化专业的相关情况自动化专业是一门适应性强、应用面广的工程技术学科.自动化科学被定位为一门应用基础科学.以培养有扎实基础、理解掌握自动控制技术、拥有计算机应用能力的高级工程技术人才为目标。因此很多学生走出校园后可以参加一些有关自动控制和计算机技术的工作.就业面相当广,可以去科技公司、通信系统、工商、铁路、民航、重工业工厂和汽车行业等。本专业的毕业生的在求职市场一直有较大的需求，就业方向主要是在计算机软件和硬件以及电力设备维护开发等方面.自动化专业主要有以下三个方向: 1工业过程控制方向：以自动控制、计算机技术为基础，将自动控制应用于工业生产。由信号检测与变换、过程控制、智能控制和现场总路线控制技术等组成方向主干课。 2电气工程方向：培养学生从事有关电气控制和电力系统智能化的工作。由电气控制技术、PLC编程及其应用、供电技术、电力系统继电保护、工厂电气控制等构成的主要课程。 3嵌入系统方向：结合实践，通过课堂理论结合实际操作,培养嵌入式系统方向的专业人才。由嵌入式系统设计、嵌入式实时操作系统、DSP技术、等主要课程组成. 自动化专业开设了电路原理、模电、数电、控制理论、电机原理与拖动、电力电子技术、微机原理、单片机原理与应用、检测及仪表、计算机仿真及CAD、过程控制、运动控制等课程. 自动化专业的就业前景良好，很多地方都需要本专业的相关知识，因此在工作方面还是有很大的生存空间,根据最近的情况来看，本专业学生的工作相当理想,收入也十分可观.可以毫不客气地说一句，只要有大规模生产和运作的地方就有自动化专业的用武之地。自动化专业一直以来都是社会急需的人才.包括了电气自动化、铁路、化学工业等领域。以上所述的都是本科阶段的自动化专业，而真正开始深入研究自动化的应该是在研究生阶段。在本科阶段叫自动化，研究生阶段叫控制科学与工程，本学科下设的七个二级学科：“控制理论与控制工程”、“检测技术与自动装置”、“系统工程”、“模式识别与智能系统”、“导航、制导与控制”等。接下来我将重点介绍控制科学与工程的其中一个二级学科模式识别。四、模式识别简述模式识别，英语为Pattern Recognition,是自动化学科在研究生阶段即控制科学与工程的一个二级学科，它的应用几乎涵盖了每一个的科学领域。随着计算机技术的飞快发展我们迫切地需要计算机能更好地处理文字、图像之类的信息，于是科技工作者们投入了大量的精力研究计算机模式识别的相关理论及其应用并且取得了一定的成就。1、模式识别的基本概念 Pattern Recognition也可翻译为模式辨认、图像识别之类的。模式识别是近几十年来发展起来的一个新兴学科。识别基本上就是识别具体的或者抽象的的客体的性质，而我们主要研究的是类似音乐、图案、字符符号等具体的客体存在Pattern Recognition是研究一种自动技术,基于这种技术就可以自动地把待识模式分配到各自的模式分类中去。但实际上Pattern Recognition并不是什么单纯的分类，还包括了对系统的描述和理解及其综合。其高级阶段就是通过对很多的不同的信息进行判断学习，并寻找复杂过程的规律。某种意义上，此时的Pattern Recognition与“概念形成”的意义有异曲同工之处.将模式识别和机器只能相结合将会为人类对世界的探索开拓出更广袤的视野。随着现代社会的发展，生活与生产中的信息量已经不能和以前同日而语了，越来也大的信息量使现代人难以处理应对,面对如此巨大的信息管理任务我们不得不寻找一个能够帮助我们分类和辨识信息的可靠方案。人们自然希望可以通过计算机来取代或者扩展我们的部分脑力劳动。举个例子，空间宇航技术需要对大量的图片和测量数据进行整理分类并且分析,靠人力几乎是无法胜任的，所以就需要拥有智能的机器人代替我们完成这些艰巨的任务。计算机的飞速发展使我们得以实现这个愿望，于是，模式识别学科诞生了。模式识别概括的讲其主要任务还是要通过计算机技术的帮助对各种现象和事物进行分析、描述和判断以及识别.模式识别可以说是机器智能领域中的一个重要的工具。2、模式识别的发展史模式识别的发展并不久远，在早些时候，模式识别的研究重点在数学方法上面。后来在研究者的努力下,模式识别被投入了实际应用当中。上个世纪20年代末G。Tauschek发明了能够阅读数字0到9的阅读机，30年代Fisher提出了统计分类理论为统计模式识别奠定了基础。后来统计模式识别的发展越来越复杂越来越迅速,被识别的模式也越来越多以至于出现了维数灾难，而计算机的出现是这个问题被一定程度上的克服了。五十年代末，罗森布拉特提出一种简化的可以模拟人脑进行识别的数学模型感知器,初步实现了系统在学习完后便拥有了对其它未知类别模式正确分类的能力。五十年代Noam还提出了形式语言理论，付京孙也提出了句法结构模式识别。到了六十年代Zadeh提出了模糊集理论.八二年和八四年，荷普菲尔德深刻揭示出人工神经元，网路具有联想存储和计算的能力，使模式识别的研究工作更加深入。最近人工神经网络在模式识别和人工智能上得到了广泛地应用。1973年IEEE发起了国际会议“ICPR”，成立了IAPR即国际模式识别协会。国内则也成立了自动化协会等相关学术组织。3、模式识别的方法 传统的模式识别方法主要有两种，即统计模式识别和句法模式识别,然而随着研究的深入,学者们又提出了模糊模式识别以及神经网络方法。3。1统计模式识别统计模式识别又称决策理论方法，是以定量描述为基础的识别方法。在模式识别过程中为了得到不同物体的不同特征，就要经过对多种具体物体的不断重复的观察和分析.在机器识别时就要求有一定量的样本数据，通过对大量样本模式的反复试验才可以从中得到合适的分类规则。上面所讲的就是一种统计方法即统计模式识别的概念。统计模式识别包括判别函数法和聚类分析法。判别函数法就是依据一个或者好几个分类准则函数对模式进行分类的方法。聚类分析法则是基于模式间的相似程度进行分类的方法.3.2句法模式识别句法模式识别又称结构方法或语言学方法，是以结构描述为基础，再根据形式语言理论而提出来的识别方法。自然语言与事物的结构描述有着相似的性质。若把描述物体的基元看做词,由基元构成的对物体的结构描述看做语句,基元质检的连接规则看做语法。把同一类事物的结构描述集合看成语言,于是自然语言和结构描述之间就有了一定的对应关系。对一类物体，先通过抽取其基元得到结构描述再根据一则样本的结构描述推断出基元连接规则,即文法。若构成一个未知的类别的结构描述的基元和构成某已知模式的相同，并且它们的文法也相同，那么该句法模式就属于该类的一个模式。这就是句法模式识别的基本原理。3.3模糊识别方法与神经网络方法模糊模式识别是以模糊集合理论和模糊数学为基础的一种识别方法。由于事物的特征有些可能亦此亦彼，而且在对事物的观测中因为各种因素的影响使得不同模式类的边界不明确，于是具有模糊集合的性质。故在模式识别中可以把模式类看成模糊集合，利用模糊集合理论和模糊数学对模式进行分类。模式识别的神经网络方法是模拟人脑机理，以人工神经元网络为基础的一种模式分类方法。该法中模式信息的获取、分析和识别由人工神经网络来进行.人工神经网络的最终目标就是建立实用的具有人脑智能的人工神经网络系统。4、模式识别系统 一个典型的模式识别系统，主要由数据获取、预处理、特征提取、分类决策和分类器设计五个部分构成。1） 数据获取： 一维波形：心电图、声波、震动波形等。 二维图像：文字、图片等。 物理参量：温度、压力、流速、阻抗等。 2）预处理： 对干扰造成的信息进行复原、去噪等3）特征提取： 对经过预处理的信息进行选择或变换，得到最能反映分类本质的特征,构成特征向量. 4）分类决策: 对待识模式进行分类判别，将其归为某一类别，输出分类结果。5)分类器设计: 利用计算机进行模式识别，并对样本进行分类。5、模式识别技术的应用 模式识别经过近几十年的飞速发展已应用于各个领域当中。模式识别技术不仅被应用于工业、农业和自然科学中，同时也在第三产业和社会科学中得到了广泛应用。模式识别的主要科学应用有地球和行星探测、地质和特殊图像的产生等。在生命与行为科学上的应用主要有人类学、考古学、昆虫学和控制论以及信息管理系统等.在工业应用中有文字识别、图像控制机械、语音分析、照片识别电子玩具设计和自动化细胞学等。在医学方面主要有心电图和脑电图分析等。农业方面的工程控制和土壤分析等也用到了该技术。该技术还在行政方面和军事方面等领域发挥着重要作用。参考文献1戴先中 自动化科学与技术学科的内容、地位与体系M。北京:高等教育出版社，2003:1-582吴启迪 自动化学科专业发展战略研究报告M。北京:高等教育出版社，2007:4463盛立东 模式识别导论M。北京:北京邮电大学出版社，2010：115