第七章_自动化与控制科学VIP

1、第七章自动化与控制科学电子电子信息科学与技术导论信息科学与技术导论 在生产和科学技术的发展过程中，人类发在生产和科学技术的发展过程中，人类发 展了自动控制展了自动控制技术；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，利。随着计算机技术的发展，“自动化和控制科学自动化和控制科学”同计算机同计算机技术相结合形成了技术相结合形成了“控制科学与工程控制科学与工程”一级学科一级学科。自动化与控。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

2、域，自动化更具有特别重要的地位；自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。动化还应用到了生物、医学、环境、经济管理等领域。 “控制科学与工程控制科学与工程”是是电子信息科学技术领域中研究电子信息科学技术领域中研究“信息信息利用利用”的学科。以这一学科为依托设置有多个大学本科专业，的学科。以这一学科为依托设置有多个大学本科专业，如：如：“自动化自动化” 、“电气工程及其自动化电气工程及其自动化”、“机械设计制机械设计制造及自动化造及自动化”、“过程装备与控制工程过程装备与控制工程”、“机械工程及自机械工程及自动化动化”、“制造自动化与测

3、控技术制造自动化与测控技术”等。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。简单的介绍，以便读者对本学科有一个基本的了解。前前 言言第七章自动化与控制科学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自动控制和自动控制系统概述 7.2 智能控制简介智能控制简介 7.3 机器人机器人 7.4 自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式7.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标 7.6 工工业自动化与信息化业自动化与信息化 7.7 中国在工程控制方面所取得的成就中国在工程控

4、制方面所取得的成就 7.1 自动控制和自动控制系统概述自动控制和自动控制系统概述 一、基本概念一、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。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。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。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。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。整。自

5、动控制无处不在！自动控制无处不在！1，什么是自动控制？，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。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、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。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。

6、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。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。统的集成。2，自动控制应用的广泛性，自动控制应用的广泛性3，什么是自动控制系统？，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

7、连接起来，组成一个有机的总体。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三、控制科学的发展及应用 全自动柔性喷涂机器人全自动柔性喷涂机器人巡航导弹巡航导弹（1）自动控制系统实例：）自动控制系统实例：由计算机通过控制电动机来带动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，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机的转速和机器人手臂的位置是被控量。被控量。由全球卫星定位接收装置、由全球卫星定位接收装置、惯性导航系统、数字

8、化地惯性导航系统、数字化地图及取景相机组成自动控图及取景相机组成自动控制系统，自主控制导弹飞制系统，自主控制导弹飞行，攻击精确度可达行，攻击精确度可达“米米级级”的误差水平。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、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，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。并可用通用模型对系统进行分析。 （2）自动）自动控制系统的通用模型：控制系统的通用模型：信息信息获取获取分折分折决策决策规则规则策略策略调节调节操纵操纵管理管理

9、指挥指挥监督监督被被控控对对象象反馈反馈自动控制系统的通用模型自动控制系统的通用模型信信息息信信息息信信息息信信息息信信息息信信息息控制过程控制过程=信息传送过程信息传送过程（3）自动控制系统的通用信息模型）自动控制系统的通用信息模型传感器：获取信息。传感器：获取信息。计算机：处理信息。计算机：处理信息。通信机：传送信息。通信机：传送信息。执行器：应用信息。执行器：应用信息。控制科学与信息技术密不可分！控制科学与信息技术密不可分！整个控制过程是一个信息整个控制过程是一个信息流通的过程，控制是通过流通的过程，控制是通过信息的传输、变换、加工、信息的传输、变换、加工、处理和应用来实现的。处理和应用

10、来实现的。2020世纪世纪7070年代开始，年代开始，控制论由工程控制控制论由工程控制论、生物控制论向论、生物控制论向经济控制论、社会经济控制论、社会控制论发展。电子控制论发展。电子计算机的广泛应用计算机的广泛应用和人工智能研究的和人工智能研究的开展，使控制系统开展，使控制系统显现出规模庞大，显现出规模庞大，结构复杂，因素众结构复杂，因素众多，功能综合的特多，功能综合的特点，从而控制论也点，从而控制论也向大系统理论发展。向大系统理论发展。50年代末到年代末到60年年代初代初工程实践工程实践尤其是航天技尤其是航天技术的发展术的发展涉及涉及多输入多输出系多输入多输出系统的最优控制问统的最优控制问题

11、题用经典的控用经典的控制理论已难于解制理论已难于解决决于是产生了于是产生了以极大值原理以极大值原理动态规划和状态动态规划和状态空间法等为核心空间法等为核心的现代控制理论的现代控制理论 。20世纪世纪40年代年代用经典控制理用经典控制理论解决火炮控论解决火炮控制制鱼雷导航鱼雷导航飞机导航等飞机导航等技术问题技术问题逐逐步形成了以分步形成了以分析和设计单变析和设计单变量控制系统为量控制系统为主要内容的经主要内容的经典控制理论与典控制理论与方法。方法。 经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论大系统控制理论大系统控制理论二、发展历程二、发展历程1，经典控制系统实例经典控制系统实例：1788年

12、年J.瓦特为了解决工业生产中提出瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题。的蒸汽机的速度控制问题。1788年瓦特发明了离心年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机调速器和节气阀蒸汽机 离心调速器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。新时期，促进了控制科学的形成与发展。2，现代，现代控制理论的主要内容控制理论的主要内容理论核心理论核心：极大值原理：极大值原理动态规划和状态空间法等动态规划和状态空间法等控制方法和结构控制方法和结构：自适应和随机控制：自适应和随机控制系统辨识系统辨识微分

13、对策微分对策分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。布参数系统和智能机器人为代表的智能控制、最优控制等。应用对象应用对象：面向大规模：面向大规模复杂的系统复杂的系统如大型电力系统如大型电力系统交通运交通运输系统输系统钢铁联合企业钢铁联合企业国民经济系统等；与计算机网络相融合国民经济系统等；与计算机网络相融合出现了管理信息系统出现了管理信息系统办公自动化办公自动化决策支持系统决策支持系统并并开始综开始综合利用传感技术合利用传感技术通信技术通信技术计算机计算机系统控制和人工智能等方系统控制和人工智能等方法来解决所面临的工厂自动化法来解决所面临的工厂自动化办公自动化办公自动化医疗自动

14、化医疗自动化农业农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。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数学家提出了判定系统稳定性的理论判据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。使自动控制逐渐由经验走向科学。1948 年诺伯特年诺伯特维纳发表论著：维纳发表论著：控制论（控制论（Cybernetics）关关于在动物和机器中控制和通讯的科学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开创了一个新的学科领域域控制科学。控制科学。3，大系统控制实例大系统控制实例如：大型电力系统如：大型电力系统

15、交通运输系统交通运输系统钢铁联合企业钢铁联合企业国国民经济系统等。民经济系统等。如：管理信息系统如：管理信息系统工厂自动化系统工厂自动化系统办公自动化系统办公自动化系统医疗自动化系统医疗自动化系统农业自动化系统，以及柔性制造系统农业自动化系统，以及柔性制造系统决策支持系统决策支持系统智能机器人系统等。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。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大系统控制理论研究的主要领域工程控制论工程控制论大生产过程控制大生产过程控制自动火炮控制自动火炮控制导弹控制导弹控制卫星、飞船控制卫星、飞船控制机器人控制机

16、器人控制控制科学的印迹控制科学的印迹1932年年 19501960代代 19601970年代年代 奈魁斯特（奈魁斯特（H.Nyquist）关）关反馈放大器稳定性论文，开反馈放大器稳定性论文，开创了定量分析的闭环控制理创了定量分析的闭环控制理论。论。随着计算机技术的发展，形随着计算机技术的发展，形成了智能控制理论和技术，成了智能控制理论和技术，电子信息科学技术与控制理电子信息科学技术与控制理论相结合，使控制系统显现论相结合，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，素众多，功能综合的特点，使控制论向大系统理论发展，使控制论向大系统理论发展，形成了一个新

17、的学科形成了一个新的学科控控制科学。制科学。在空间技术发在空间技术发展的推动下，展的推动下，控制理论得到控制理论得到了大发展了大发展4，控制科学的发展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。成的一门交叉、综合性学科。 7.2 智能控制简介智能控制简介一、模糊逻辑控制一、模糊逻辑控制什么是模糊逻辑控制？就是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

18、间的模糊地带。微处理器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。采用模糊逻辑之后，其控制能力更接近人类的思维方式。 智能控制智能控制（Intelligent Control）研究将人类的智能，如学习、自）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。动识别和自动判断、决策的功能。 1974年，年，Mamdani提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控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

19、制，之后又成制器，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。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，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。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，它理和综合决策过程，使控制算法的可控

20、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。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。：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。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逻辑推理系统模糊控制己应用于家用电器、彩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！色电视显像控制等众多产品中！二、专家系统二、专家系统1，专家系统概念专家系统概念: 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运用特定领域的专门知识，通过推

21、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。程序系统。2，专家系统的，专家系统的体系结构：体系结构： 专家系统与传统的计算机程专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系序系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接取机制、解释机制和人机接口等几部分组成。随专家系口等几部分组成。随专家系统的类型、功能和规模的不统的类型、功能和规模的不同，专家系统的体系结构而同，专家系

22、统的体系结构而有所差异。有所差异。3，专家系统类专家系统类 型：型： 诊断型专家系统：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。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：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，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。如地质结构分析、物质化学结构分析等。 预测型专家系统：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、根据现状预测未来情况的一类系统，如气象

23、预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。人口预测、水文预报、经济形势预测等。 设计型专家系统：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。设计、机械产品设计等。 决策型专家系统：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。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：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。计、军事计划的制定等。 监测型专家系统：监测型专家系统：对某类行为进行监测并在必要时候进行

24、干预的一类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。专家系统，如机场、仓库监视，森林监测等。 调试型专家系统：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、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。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：题的能力越来

25、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。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。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。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

26、泛有力地传播专家的知识、经验和能力。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。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。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。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

27、学技术的发展。专家系统对人工智能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、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。社会和人民生活产生极其深远的影响。4，专家系统的优点专家系统的优点5，专家系统的发展专家系统的发展 专家系统专家系统的发展的发展 使专家系统使专家系统具有学习的能力具有学习的能力具有处理具有处理常识的能力常识的能力获取与更新获取与更新知识的能力知识的能力分布式分布式专家系统专家系统发展不同层次发展不同层次解释的能力解释的能力发展深层发展深层

28、的推理能的推理能力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。类、结构模式及行为模式的动态知识表述。三、模式识别三、模式识别模式识别模式识别(Pattern Recognition)：是通过：是通过计算机计算机用用数学数学方法来研究模式的方法来研究模式的自

29、动处理和判读。自动处理和判读。 我们所指的模式识别主要是对我们所指的模式识别主要是对语音波形、地震波、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。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。价值的代表性成果。模式模式是是环境环境与与客体客体的的统称。信息处理过程的一个重要形式是生命体对统称。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。环境及客体的识别。四、人工神经网络四、人工神经网络生

30、物神经元生物神经元人工神经元人工神经元神经元输入神经元输入输出1，神经元，神经元每个神元经细胞都长着一每个神元经细胞都长着一根像电线一样的称为轴突根像电线一样的称为轴突（axon），用来将信号传），用来将信号传递给其他的神经细胞。递给其他的神经细胞。 人工神经元人工神经元是模仿生是模仿生物神经元的一个信息处理物神经元的一个信息处理单元。单元。输入层神经元：输入层神经元：接受非线形输入信息。接受非线形输入信息。 输出层：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。输出各层神经元链接中传输、分析、加权后的输出信息。 隐藏层隐藏层：简称：简称“隐层隐层”，是输入层和输出层之间众多神经元

31、和链接组成的，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(神经元神经元)数目数目不定，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。会更好。2，人工神经网络人工神经网络人工神经网络是一种应人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处联接的结构进行信息处理的数学模型。通常为理的数学模型。通常为多层网络。（人工神经多层网络。（人工神经网络模型现在有数十种网络模型现在有数十种之多

32、）之多）二、智能控制简介二、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。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）人工神经网络的学习（训练）神经网络学习系统框图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、识别等实际通过学习训练后的网络即可用于控制、识别等实际系统中。系统中。神经网络模型以神经元的数学模型为基础，它有自学

33、习、自组织能力，它神经网络模型以神经元的数学模型为基础，它有自学习、自组织能力，它在控制、识别和信息处理系统中其所以对人们有巨大吸引力主要在下列几在控制、识别和信息处理系统中其所以对人们有巨大吸引力主要在下列几点：点： 1并行分布处理，处理信息的效率极高。并行分布处理，处理信息的效率极高。2高度鲁棒性和容错能力对损伤有冗余性高度鲁棒性和容错能力对损伤有冗余性(tolerance ） 。 3分布存储及学习能力。分布存储及学习能力。 4能充分逼近复杂的非线性关系。能充分逼近复杂的非线性关系。 在控制领域的研究课题中，不确定性系统的控制问题长期以来都是控在控制领域的研究课题中，不确定性系统的控制问题

34、长期以来都是控制理论研究中的难点。利用神经网络的学习能力，使它在对不确定性系统制理论研究中的难点。利用神经网络的学习能力，使它在对不确定性系统的控制过程中自动学习系统的特性，自动适应系统随时间、输入及环境的的控制过程中自动学习系统的特性，自动适应系统随时间、输入及环境的特性变异，以求达到对系统的最优控制；显然这是一种十分振奋人心的智特性变异，以求达到对系统的最优控制；显然这是一种十分振奋人心的智能技术和方法。能技术和方法。 4，人工神经网络的优点人工神经网络的优点随着计算机技术、信息处理技术和仿生学、神经心理学的随着计算机技术、信息处理技术和仿生学、神经心理学的研究进展，人工神经网络的性能将日

35、益改善，应用将越来研究进展，人工神经网络的性能将日益改善，应用将越来越广泛，这将是必然趋势。越广泛，这将是必然趋势。7.3 机器人机器人 机器人概念机器人概念：智能控制的典型应用就是机器人（：智能控制的典型应用就是机器人（RobotRobot），机器人是），机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领去行动。先编排的程序，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领去行动。机器人技术机器人技术：机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和：机器人是高级整合控制论、机械电

36、子、计算机、材料和仿生学技术的产物，用来协助或代替人类工作。仿生学技术的产物，用来协助或代替人类工作。机器人应用机器人应用：机器人可用于生产制造业，可以替代人从事危险的工作。：机器人可用于生产制造业，可以替代人从事危险的工作。它在制造业、医学、农业、建筑业、军事等领域。它在制造业、医学、农业、建筑业、军事等领域。一、机器人的发展史一、机器人的发展史 1920年捷克斯洛伐克作家年捷克斯洛伐克作家卡雷尔卡雷尔恰佩克恰佩克在他的在他的科幻小说科幻小说，创造出，创造出“机机器人器人”这个词。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年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家

37、用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走。它由电缆控制，可以行走。1954年美国人乔治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。机械德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人。机械手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性。手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性。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。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。1968年美国斯坦福研究所公布他们

38、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。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。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。汽车装配机器人汽车装配机器人 仓库管理机器人仓库管理机器人机械手机械手智能清洁机器人智能清洁

39、机器人 清洁机器人清洁机器人家庭服务机器人家庭服务机器人智能机器人智能机器人 机器人战车机器人战车 侦察机器人侦察机器人 机器人战车机器人战车 战争机器人战争机器人仿真机器人仿真机器人 R2宇航人形机器人，于宇航人形机器人，于2011年年2月月24日由日由“发现号发现号”航天飞机带进太空航天飞机带进太空站，作为常住空间站站，作为常住空间站“工作人员工作人员”，用来帮助空间站的宇航员完成一些，用来帮助空间站的宇航员完成一些日常工作。将来日常工作。将来R2的改进型将可以代替宇航员出仓完成一些危险作业。的改进型将可以代替宇航员出仓完成一些危险作业。机器人生产、机器人清扫、机器人生产、机器人清扫、机器

40、人战争的时代将会到机器人战争的时代将会到来！来！按应用分类按应用分类按按“智能智能”分类分类机器人的分类机器人的分类二、机器人的分类二、机器人的分类工业机器人工业机器人初级智能机器人初级智能机器人高级智能机器人高级智能机器人工业机器人工业机器人特种机器人特种机器人除工业机器人之除工业机器人之外的所有机器人外的所有机器人三、人类与机器人三、人类与机器人机器人的终极目标机器人的终极目标：利用：利用人工智能原理发展人工智能原理发展具有人类智能的人造机器。具有人类智能的人造机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己的观人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己

41、的观点的能力。机器人专家还远远无法实现这种水平的人工智能，但他们已经点的能力。机器人专家还远远无法实现这种水平的人工智能，但他们已经在有限的人工智能领域取得了很大进展。在有限的人工智能领域取得了很大进展。家用机器人家用机器人：机器人将在我们未来的日常生活中扮演重要的角色，分担：机器人将在我们未来的日常生活中扮演重要的角色，分担家务劳动，为发展机器人产业带来巨大商机。家务劳动，为发展机器人产业带来巨大商机。机器人造福人类机器人造福人类：机器人代替人们去完成一些单调、枯燥或是危险的工：机器人代替人们去完成一些单调、枯燥或是危险的工作。考察世界工业发展的潮流，已经证明：发展机器人是一条必由之路。作。

42、考察世界工业发展的潮流，已经证明：发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。军用机器人军用机器人：发展用于战场阻击、扫雷、侦察各类军用机器人，将可能：发展用于战场阻击、扫雷、侦察各类军用机器人，将可能改变未来战争形式，出现机器人与人之间、机器人与机器人之间的战争。改变未来战争形式，出现机器人与人之间、机器人与机器人之间的战争。7.4 自动控制系统的控制方式自动控制系统的控制方式 控制控制方式方式 开环开环控制控制闭环闭环控制控制一、开环控制一、开环控制开环控制的特点是控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而

43、开环控制的特点是控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向作用的连接方式，即系统的输出量对输入量没有影响。没有反向作用的连接方式，即系统的输出量对输入量没有影响。开环控制系统框图开环控制系统框图ug放大器和放大器和控制装置控制装置udnd直流电机开环调速系统直流电机开环调速系统 例：例：二、闭环控制二、闭环控制闭环系统原理框图闭环系统原理框图闭环控制闭环控制：在控制器与被控对象之间，不仅有正向作用通路，而：在控制器与被控对象之间，不仅有正向作用通路，而且存在着反馈作用通路。即系统的被控量对输入量有直接影响。且存在着反馈作用通路。即系统的被控量对输入量有直接影响。这里的反馈是指把输出量检测

44、出来反送到系统的输入端并与输入这里的反馈是指把输出量检测出来反送到系统的输入端并与输入信号比较以影响控制的过程。若反馈信号是与输入信号相减则称信号比较以影响控制的过程。若反馈信号是与输入信号相减则称为负反馈；若相加，则称为正反馈。为负反馈；若相加，则称为正反馈。ug放大器和控制装置udndub直流电机闭环调速系统直流电机闭环调速系统 直流电机速度的直流电机速度的闭环控制闭环控制说明说明：首先，对电动机的转速进行测量、转换。然后将测量信号与输入量进行：首先，对电动机的转速进行测量、转换。然后将测量信号与输入量进行比较。由于转速之间不容易直接比较大小，因此，将输入与输出转速变换成相比较。由于转速之

45、间不容易直接比较大小，因此，将输入与输出转速变换成相应的电压信号。由速度传感器完成变换。最后，根据偏差的极性和大小来调整应的电压信号。由速度传感器完成变换。最后，根据偏差的极性和大小来调整转速，使电机转速恒定。转速，使电机转速恒定。四、自动控制系统的控制方式四、自动控制系统的控制方式 控制控制方式方式比较比较闭环控制闭环控制精度较高，精度较高，结构较复结构较复杂，分析杂，分析设计较难。设计较难。 开环控制开环控制精度较低，精度较低，结构较简结构较简单，分析单，分析设计较易。设计较易。控制方式比较控制方式比较两类系统各有特点两类系统各有特点自动控自动控制系统制系统的分类的分类 1，按参考输入形式

46、按参考输入形式分为恒值系统和随动系统分为恒值系统和随动系统 2，按系统特性按系统特性分成线性系统和非线性系统分成线性系统和非线性系统 3，按信号的传递形式按信号的传递形式 分成连续系统和离散系统分成连续系统和离散系统 4，按信号的多少分为按信号的多少分为单输入单输出与多输入多输出系统单输入单输出与多输入多输出系统 5，按参数变化分按参数变化分 为定为定 常系统和时变系统常系统和时变系统 三、自动控制系统的分类三、自动控制系统的分类7.5 自动控制系统的性能指标自动控制系统的性能指标是系统工作是系统工作稳定性，它稳定性，它是保证控制是保证控制系统能够正系统能够正常工作的首常工作的首要条件，是要条

47、件，是控制系统的控制系统的一项最重要一项最重要的指标。的指标。是系统控制是系统控制准确性，它准确性，它反映系统的反映系统的被控输出最被控输出最终复现系统终复现系统期望输出值期望输出值的能力。要的能力。要求稳态误差求稳态误差越小越好。越小越好。是指输出过是指输出过渡过程持续渡过程持续时间的长短，时间的长短，要求系统快要求系统快速进入稳态。速进入稳态。即快速性即快速性稳稳自动控制系统的三大指标自动控制系统的三大指标7.6 工业自动化与信息化工业自动化与信息化 一、信息技术与工业自动化一、信息技术与工业自动化四大技术：四大技术：微电子技术计微电子技术计算机技术算机技术通信技术通信技术软件技术软件技术

48、企业管理企业管理产品消售管理产品消售管理物流供应物流供应生产过程控制生产过程控制生产设备控制、生产设备控制、检测和诊断检测和诊断信息技术与信息技术与工业自动化工业自动化信息技术信息技术工业自动化工业自动化现代工业自动化是自现代工业自动化是自动控制技术与信息技动控制技术与信息技术相结合的产物，是术相结合的产物，是工业自动化发展的必工业自动化发展的必然趋势。然趋势。1. 信息技术与企业的关系信息技术与企业的关系（1）信息化扩展了）信息化扩展了企业的市场空间企业的市场空间（2）信息技术引发）信息技术引发产品设计的变革产品设计的变革 （3）信息技术用于）信息技术用于产品质量控制产品质量控制 信息技术与

49、企业关系信息技术与企业关系网络网络把企业的资金、物流、把企业的资金、物流、生产、市场、采购等信息生产、市场、采购等信息实时、准确提供给管理者，实时、准确提供给管理者，实现了管实现了管控一体化。控一体化。CAD软件使设计者不再使软件使设计者不再使用图板。用图板。三维三维 CAD软件软件不仅可以实体造型，还可不仅可以实体造型，还可以进行产品模拟分析。以进行产品模拟分析。数字技术数字技术提高生产过程的提高生产过程的自动检测水平和控制精度、自动检测水平和控制精度、优化装置和过程控制效果，优化装置和过程控制效果，实现增加产量、提高质量。实现增加产量、提高质量。2. 现代工业自动化现代工业自动化传统的工业

50、自动化传统的工业自动化：即机电一体化。主要是对设备和生产过程的控制，：即机电一体化。主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、信即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、信号处理单元、接口等硬件单元，在软件程序和电子电路逻辑的有目的号处理单元、接口等硬件单元，在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，组成工业自动化系统。的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，组成工业自动化系统。现代工业自动化：现代工业自动化：综合运用系统科学、认知科学、信息科学、控制科综合运用系统科学、认知科学、信息科学、控制科学

51、与工程的综合科学。学与工程的综合科学。企业管理级企业管理级生产管理级生产管理级过程控制级过程控制级设备控制级设备控制级检测驱动级检测驱动级现代工业自动化系统的现代工业自动化系统的5级结构级结构计算机技术计算机技术 软件技术软件技术 网络技术网络技术 通信技术通信技术支撑技术支撑技术机电一体化机电一体化技术技术现场总线现场总线技术技术传感器技术传感器技术数字交流数字交流调速调速支撑技术支撑技术智能控制技术智能控制技术控制工程方法控制工程方法支撑技术支撑技术二、工业信息化系统简介二、工业信息化系统简介1办公自动化系统办公自动化系统办公自动化系统办公自动化系统质监系统质监系统公共服务网公共服务网2，

52、业务资源管理，业务资源管理系统系统3分散控制系统分散控制系统DPU：分散处理单元：分散处理单元OPU：操作员站：操作员站ENG：工程师站：工程师站LS/HSR：记录服务器：记录服务器/历史站历史站DLS：数据链接站：数据链接站网网线线4现场总线控制系统现场总线控制系统工业信息化特征：工业信息化特征：产品生产过程信息化：产品生产过程信息化：包括：决策支持系统包括：决策支持系统 、计算机辅助设计、计算机辅助设计、专家系统专家系统 、检验、测试、质量控制系统等。、检验、测试、质量控制系统等。生产信息化：生产信息化：计算机集成制造系统、计算机辅助制造系统、柔计算机集成制造系统、计算机辅助制造系统、柔性制造系统性制造系统 、复杂工业过程控制系统等。、复杂工业过程控制系统等。生产管理信息化：生产管理信息化：包括：办公自动化、材料需求信息化、企业包括：办公自动化、材料需求信息化、企业资源管理信息化等。资源管理信息化等。自动化与控制科学同计算机科学与技术、网自动化与控制科学同计算机科学与技术、网络技术相结合，正在推动当代社会向工业信络技术相结合，正在推动当代社会向工业信息化方向发展！息化方向发展！ 中国载人航天工程是我国航中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技