第七章_自动化与控制科学

第七章自动化与控制科学《电子信息科学与技术导论》在生产和科学技术的发展过程中，人类发展了自动控制技术；人们在日常生活中也随时随地享受着自动化带来的便利。随着计算机技术的发展，“自动化和控制科学”同计算机技术相结合形成了“控制科学与工程”一级学科。自动化与控制科学不仅广泛应用在工业生产部门，在宇航、机器人、导弹制导及核动力等领域，自动化更具有特别重要的地位；自动化还应用到了生物、医学、环境、经济管理等领域。“控制科学与工程”是电子信息科学技术领域中研究“信息利用”的学科。以这一学科为依托设置有多个大学本科专业，如：“自动化”、“电气工程及其自动化”、“机械设计制造及自动化”、“过程装备与控制工程”、“机械工程及自动化”、“制造自动化与测控技术”等。本章主要针对自动化与控制科学的主要技术和理论进行简单的介绍，以便读者对本学科有一个基本的了解。前言第七章自动化与控制科学7.1自动控制和自动控制系统概述7.2智能控制简介7.3机器人7.4自动控制系统的控制方式7.5自动控制系统的性能指标7.6工业自动化与信息化7.7中国在工程控制方面所取得的成就7.1自动控制和自动控制系统概述一、基本概念电梯由于有自动控制才能准确地仃在各相应楼层。卫生间用的抽水马桶是一水量自动调节的闭环自动控制系统。空调、冰箱、电热水器是一个温度自动调节的自动控制系统。自动洗衣机采用了多种自动控制技术。移动通信手机的发射功率会随着手机与基站距离的远近而自动调整。自动控制无处不在！1，什么是自动控制？自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制技术在炼钢、轧钢、化工、石油、电力、造纸、纺织、皮革、食品和医药等工业中广泛应用。没有自动控制技术现代工业生产将无法进行。航空、航海、汽车和铁路运输离不开自动控制技术和系统。自动控制技术还应用于：通信、交通、医学、环境保护、经济管理、文字识别、语音识别和人工智能等领域。飞机、导弹、卫星、火炮、鱼雷、飞船都是复杂综合控制技术系统的集成。2，自动控制应用的广泛性3，什么是自动控制系统？自动控制系统就是为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体。三、控制科学的发展及应用全自动柔性喷涂机器人巡航导弹（1）自动控制系统实例：由计算机通过控制电动机来带动机器人的手臂自动工作。计算机是控制装置，电动机是执行机构，机器人的手臂是被控对象，电动机的转速和机器人手臂的位置是被控量。由全球卫星定位接收装置、惯性导航系统、数字化地图及取景相机组成自动控制系统，自主控制导弹飞行，攻击精确度可达“米级”的误差水平。无论自动机器，生物神经系统、动物生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的物理形态特征，都是一个自动控制系统，并可用通用模型对系统进行分析。（2）自动控制系统的通用模型：信息获取分折决策规则策略调节操纵管理指挥监督被控对象反馈自动控制系统的通用模型信息信息信息信息信息信息控制过程=信息传送过程（3）自动控制系统的通用信息模型传感器：获取信息。计算机：处理信息。通信机：传送信息。执行器：应用信息。控制科学与信息技术密不可分！整个控制过程是一个信息流通的过程，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理和应用来实现的。20世纪70年代开始，控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统理论发展。50年代末到60年代初﹐工程实践﹐尤其是航天技术的发展﹐涉及多输入多输出系统的最优控制问题﹐用经典的控制理论已难于解决﹐于是产生了以极大值原理﹑动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。20世纪40年代用经典控制理论解决火炮控制﹑鱼雷导航﹑飞机导航等技术问题﹐逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。经典控制理论现代控制理论大系统控制理论二、发展历程1，经典控制系统实例：1788年﹐J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题。1788年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机离心调速器离心调速器瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用的新时期，促进了控制科学的形成与发展。2，现代控制理论的主要内容理论核心：极大值原理﹑动态规划和状态空间法等控制方法和结构：自适应和随机控制﹑系统辨识﹑微分对策﹑分布参数系统和智能机器人为代表的智能控制、最优控制等。应用对象：面向大规模﹑复杂的系统﹐如大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等；与计算机网络相融合﹐出现了管理信息系统﹑办公自动化﹑决策支持系统﹐并开始综合利用传感技术﹑通信技术﹑计算机﹑系统控制和人工智能等方法来解决所面临的工厂自动化﹑办公自动化﹑医疗自动化﹑农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中﹐数学家提出了判定系统稳定性的理论判据﹐使自动控制逐渐由经验走向科学。1948年诺伯特·维纳发表论著：《控制论（Cybernetics）——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，开创了一个新的学科领域—控制科学。3，大系统控制实例如：大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等。如：管理信息系统﹑工厂自动化系统﹑办公自动化系统﹑医疗自动化系统﹑农业自动化系统，以及柔性制造系统﹑决策支持系统﹑智能机器人系统等。如：探月工程系统、航天测控系统、导弹防御系统等。大系统控制理论研究的主要领域生物控制论神经控制论医学控制论仿生学人工智能社会控制论生产管理城市建设能源安全环境保护交通运输工程控制论大生产过程控制自动火炮控制导弹控制卫星、飞船控制机器人控制控制科学的印迹1932年1950~1960代1960~1970年代奈魁斯特（H.Nyquist）关反馈放大器稳定性论文，开创了定量分析的闭环控制理论。随着计算机技术的发展，形成了智能控制理论和技术，电子信息科学技术与控制理论相结合，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，使控制论向大系统理论发展，形成了一个新的学科——控制科学。在空间技术发展的推动下，控制理论得到了大发展4，控制科学的发展控制科学：是自动控制、计算机科学、通信技术、数学、神经生理学、统计力学和行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门交叉、综合性学科。7.2智能控制简介一、模糊逻辑控制什么是模糊逻辑控制？就是对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是容许定义在二值之间的模糊地带。微处理器采用模糊逻辑之后，其控制能力更接近人类的思维方式。智能控制（IntelligentControl）研究将人类的智能，如学习、自适应和探索的能力引入控制系统，使其具有自学习、自组织、自动识别和自动判断、决策的功能。1974年，Mamdani提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，将模糊集和模糊语言逻辑用于工业过程控制，之后又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器的智能化水平有了较大提高。模糊控制的形成和发展，以及与人工智能的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。模糊控制技术是近代控制理论中的一种人工智能策略，是模拟人的推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，它己成为智能控制技术的一个重要分支。模糊控制的主要技术：是根据系统输入输出信号模型进行模糊推理。推理是建立在模糊逻辑规则基础上的信息处理过程。模糊逻辑推理系统模糊控制己应用于家用电器、彩色电视显像控制等众多产品中！二、专家系统1，专家系统概念:运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。2，专家系统的体系结构：专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等几部分组成。随专家系统的类型、功能和规模的不同，专家系统的体系结构而有所差异。3，专家系统类型：诊断型专家系统：根据对症状的观察分析，推导出产生症状的原因以及排除故障方法的一类系统，如医疗、机械、经济等。解释型专家系统：根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。设计型专家系统：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建筑设计、机械产品设计等。决策型专家系统：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系统。规划型专家系统：用于制定行动规划的一类专家系统，如自动程序设计、军事计划的制定等。监测型专家系统：对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类专家系统，如机场、仓库监视，森林监测等。调试型专家系统：对失灵的对象给出处理意见和方法。调试专家系统同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。可用于维修设备、调整、测量。近十多年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的能力越来越大，专家系统的优良性能包括下列几个方面：(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3)可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。(6)军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能的各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。4，专家系统的优点5，专家系统的发展专家系统的发展使专家系统具有学习的能力具有处理常识的能力获取与更新知识的能力分布式专家系统发展不同层次解释的能力发展深层的推理能力专家系统是有着广泛用途的一类智能系统，其发展的总趋势是进一步提高智能：能经由感应直接接受外界资料；或由外部知识库获得资料；在推理机中能拟定规划，仿真系统状况；知识库有规划、分类、结构模式及行为模式的动态知识表述。三、模式识别模式识别(PatternRecognition)：是通过计算机用数学方法来研究模式的自动处理和判读。我们所指的模式识别主要是对—语音波形、地震波、心电图、脑电图、图片、照片、文字、符号、生物信息等对象进行模式测量、分类和辨识。图像识别、文字识别和语音识别是模式识别技术最有价值的代表性成果。模式—是环境与客体的统称。信息处理过程的一个重要形式是生命体对环境及客体的识别。四、人工神经网络生物神经元人工神经元神经元输入输出1，神经元每个神元经细胞都长着一根像电线一样的称为轴突（axon），用来将信号传递给其他的神经细胞。人工神经元是模仿生物神经元的一个信息处理单元。输入层神经元：接受非线形输入信息。输出层：输出各层神经元链接中传输、分析、加权后的输出信息。隐藏层：简称“隐层”，是输入层和输出层之间众多神经元和链接组成的各个层面。隐层可以有多层，习惯上会用一层。隐层的节点(神经元)数目不定，但数目越多神经网络的非线性越显著，从而神经网络的性能、特性会更好。2，人工神经网络人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。通常为多层网络。（人工神经网络模型现在有数十种之多）二、智能控制简介网络通过训练样本的训练、校正，对各个层的权重进行调整后，即确定了网络参数，这一建立模型的过程，称为自动学习过程。具体的学习方法则因网络结构和模型不通而不同。3，人工神经网络的学习（训练）神经网络学习系统框图通过学习训练后的网络即可用于控制、识别等实际系统中。神经网络模型