第七章_自动化与控制科学ppt课件

1、第七章自动化与控制科学. 在消费和科学技术的开展过程中，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用着自动化带来的便利。随着计算机技术的开展，“自动化和控制科学同计算机技术相结合构成了“控制科学与工程一级学科。自动化与控制科学不仅广泛运用在工业消费部门，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位置；自动化还运用到了生物、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讨“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、“过程配备与控制工程、“机械工程及自动化、“制造自

2、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实际进展简单的引见，以便读者对本学科有一个根本的了解。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目的 7.6 工业自动化与信息化 7.7 中国在工程控制方面所获得的成就 .7.1 自动控制和自动控制系统概述 一、根本概念电梯由于有自动控制才干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理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理的自动控制系统。自动洗衣机采用了多种自动控制技术。挪动通讯手机的发

3、射功率会随着手机与基站间隔的远近而自动调整。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，利用控制安装，使被控对象的某个任务形状或参数自动地按照预定的规律运转。.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运用。没有自动控制技术现代工业消费将无法进展。航空、航海、汽车和铁路运输离不开自动控制技术和系统。自动控制技术还运用于：通讯、交通、医学、环境维护、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，自动控制运用的广泛性3，什么是自动控制系统？自动控制系统就是

4、为了实现各种复杂的控制义务，将被控对象和控制安装按照一定的方式衔接起来，组成一个有机的总体。.三、控制科学的开展及运用 全自动柔性喷涂机器人巡航导弹1自动控制系统实例：由计算机经过控制电动机来带动机器人的手臂自开任务。计算机是控制安装，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。由全球卫星定位接纳安装、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，攻击准确度可达“米级的误差程度。.无论自动机器，生物神经系统、动物生命系统，以致经济系统、社会系统，撇开各自的物理形状特征，都是一个自动控制系统，并可用通用模型对系统进展分析。 2自动控制

5、系统的通用模型：信息获取分折决策规那么战略调理支配管理指挥监视被控对象反响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：处置信息。通讯机：传送信息。执行器：运用信息。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，控制是经过信息的传输、变换、加工、处置和运用来实现的。.20世纪70年代开场，控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论开展。电子计算机的广泛运用和人工智能研讨的开展，使控制系统显现出规模庞大，构造复杂，要素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统实际开展。50年代末到60年代初

6、工程实际尤其是航天技术的开展涉及多输入多输出系统的最优控制问题用经典的控制实际已难于处理于是产生了以极大值原理动态规划和形状空间法等为中心的现代控制实际 。20世纪40年代用经典控制实际处理火炮控制鱼雷导航飞机导航等技术问题逐渐构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实际与方法。 经典控制实际现代控制实际大系统控制实际二、开展历程.1，经典控制系统实例：1788年J.瓦特为理处理工业消费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理安装的研讨和运用的新时期，促进了控制科学的构成与开展。.2，现代控制实际的

7、主要内容实际中心：极大值原理动态规划和形状空间法等控制方法和构造：自顺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。运用对象：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结合企业国民经济系统等；与计算机网络相交融出现了管理信息系统办公自动化决策支持系统并开场综合利用传感技术通讯技术计算机系统控制和人工智能等方法来处理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。在处理随之出现的自动调理安装的稳定性的过程中数学家提出了断定系统稳定性的实际判据使自动控制逐渐由阅历走向科学。1948 年诺伯特维纳发表论著：，开创了一个新的学科领

8、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结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。.大系统控制实际研讨的主要领域工程控制论大消费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 19501960代 19601970年代 奈魁斯特H.Nyquist关反响放大器稳定性论文，开创了定量分析的闭环控制实际。随着计算机技术的开展，构成了智能控制实际和技术，电子信息科学技术与控制实际相结合，使控制系统显现

9、出规模庞大，构造复杂，要素众多，功能综合的特点，使控制论向大系统实际开展，构成了一个新的学科控制科学。在空间技术开展的推进下，控制实际得到了大开展4，控制科学的开展控制科学：是自动控制、计算机科学、通讯技术、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浸透构成的一门交叉、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经过准确的数学表达式，而是允许定义在二值之间的模糊地带。微处置器采用模糊逻辑之后，其控制才干更接近人类的思想方式。 智能控制Intelligent Control研讨将人类的智能，如学习、自顺应和探求的才干引入控制系统，使

10、其具有自学习、自组织、自动识别和自动判别、决策的功能。 1974年，Mamdani提出了基于模糊言语描画控制规那么的模糊控制器，将模糊集和模糊言语逻辑用于工业过程控制，之后又胜利地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器的智能化程度有了较大提高。模糊控制的构成和开展，以及与人工智能的相互浸透，对智能控制实际的构成起了非常重要的推进作用。.模糊控制技术是近代控制实际中的一种人工智能战略，是模拟人的推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、顺应性和合理性提高，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展模糊推理。推理是建立在模糊逻辑规那么根底上的信息处置过程。

11、模糊逻辑推理系统模糊控制己运用于家用电器、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，经过推理来模拟通常由人类专家才干处理的各种复杂的、详细的问题，到达与专家具有同等处理问题才干的计算机智能程序系统。2，专家系统的体系构造： 专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系构造，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，专家系统的体系构造而有所差别。.3，专家系统类 型： 诊断型专家系统：根据对病症的察看分析，推导出产生病症的缘由以及排除缺点方法的一类系统，如医疗、机械、经济

12、等。 解释型专家系统：根据表层信息解释深层构造或内部情况的一类系统，如地质构造分析、物质化学构造分析等。 预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，如气候预告、人口预测、水文预告、经济情势预测等。 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：对可行方案进展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、军事方案的制定等。 监测型专家系统：对某类行为进展监测并在必要时候进展干涉的一类专家系统，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置意见和方法。调试专家系统同时

13、具有规划、设计、预告和诊断等专家系统的功能。可用于维修设备、调整、丈量。 . 近十多年来，专家系统获得迅速开展，运用领域越来越广，处理实践问题的才干越来越大，专家系统的优良性能包括以下几个方面： (1) 专家系统可以高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进展任务。 (2) 专家系统处理实践问题时不受周围环境的影响，也不能够脱漏忘记。(3) 可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推行珍贵和稀缺的专家知识与阅历。(4) 专家系统能促进各领域的开展，它使各领域专家的专业知识和阅历得到总结和精炼，可以广泛有力地传播专家的知识、阅历和才干。(5) 专家系统能聚集多领域专家的知识和阅历以及他们协作处理艰

14、苦问题的才干，它拥有更渊博的知识、更丰富的阅历和更强的任务才干。(6) 军事专家系统的程度是一个国家国防现代化的重要标志之一。(7) 专家系统的研制和运用，具有宏大的经济效益和社会效益。(8) 研讨专家系统可以促进整个科学技术的开展。专家系统对人工智能的各个领域的开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，专家系统的开展 专家系统的开展 使专家系统具有学习的才干具有处置常识的才干获取与更新知识的才干分布式专家系统开展不同层次解释的才干开展深层 的推理才干专家系统是有着广泛用途的一类智能系统，其开展的总趋势是进一步提高智能：能经

15、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，仿真系统情况；知识库有规划、分类、构造方式及行为方式的动态知识表述。.三、方式识别方式识别(Pattern Recognition)：是经过计算机用数学方法来研讨方式的自动处置和判读。 我们所指的方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、生物信息等对象进展方式丈量、分类和辨识。 图像识别、文字识别和语音识别是方式识别技术最有价值的代表性成果。方式是环境与客体的统称。信息处置过程的一个重要方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

16、都长着一根像电线一样的称为轴突axon，用来将信号传送给其他的神经细胞。 人工神经元是模拟生物神经元的一个信息处置单元。.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运用类似于大脑神经突触联接的构造进展信息处置的数学模型。通常为多层网络。人工神经网络模型如今有数十种之多二、智能控制简介. 网络经过训练样本的训练、

17、校正，对各个层的权重进展调整后，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。详细的学习方法那么因网络构造和模型不通而不同。3，人工神经网络的学习训练神经网络学习系统框图经过学习训练后的网络即可用于控制、识别等实践系统中。.神经网络模型以神经元的数学模型为根底，它有自学习、自组织才干，它在控制、识别和信息处置系统中其所以对人们有宏大吸引力主要在以下几点： 1并行分布处置，处置信息的效率极高。2高度鲁棒性和容错才干对损伤有冗余性(tolerance 。 3分布存储及学习才干。 4能充分逼近复杂的非线性关系。 在控制领域的研讨课题中，不确定性系统的控制问题长期以来都是控制实际研讨中的难点

18、。利用神经网络的学习才干，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，自动顺应系统随时间、输入及环境的特性变异，以求到达对系统的最优控制；显然这是一种非常振奋人心的智能技术和方法。 4，人工神经网络的优点随着计算机技术、信息处置技术和仿生学、神经心思学的研讨进展，人工神经网络的性能将日益改善，运用将越来越广泛，这将是必然趋势。.7.3 机器人 机器人概念：智能控制的典型运用就是机器人Robot，机器人是自动执行任务的机器安装。它既可以接受人类指挥，又可以运转预先编排的程序，还可以根据人工智能技术制定的原那么纲领去行动。机器人技术：机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、资料和仿生学技

19、术的产物，用来协助或替代人类任务。机器人运用：机器人可用于消费制造业，可以替代人从事危险的任务。它在制造业、医学、农业、建筑业、军事等领域。一、机器人的开展史 1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说，发明出“机器人这个词。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Elektro。它由电缆控制，可以行走。.1954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。机械手能按照不同的程序从事不同的任务，具有通用性和灵敏性。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

20、翰霍普金斯大学运用物理实验室研制出Beast机器人。 Beast曾经能经过声纳系统、光电管等安装，根据环境校正本人的位置。1968年美国斯坦福研讨所公布他们研发胜利的机器人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曾经完全成熟。 PUMA至今依然任务在工厂第一线。2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开妨碍，自动设计行进道路，还能在电量缺乏时，自动驶向充

21、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 .仓库管理机器人机械手.智能清洁机器人 清洁机器人家庭效力机器人.智能机器人. 机器人战车 侦查机器人 机器人战车 战争机器人.仿真机器人 R2宇航人形机器人，于2021年2月24日由“发现号航天飞机带进太空站，作为常住空间站“任务人员，用来协助空间站的宇航员完成一些日常任务。未来R2的改良型将可以替代宇航员出仓完成一些危险作业。.机器人消费、机器人清扫、机器人战争的时代将会到来！.按运用分类按“智能分类机器人的分类二、机器人的分类工业机器人初级智能机器人高级智能机器人工业机器人特种机器人除工业机器人之外的一切机

22、器人.三、人类与机器人机器人的终极目的：利用原理开展具有人类智能的人造机器。人工智能包括学习任何知识的才干、推理才干、言语才干和构本钱人的观念的才干。机器人专家还远远无法实现这种程度的人工智能，但他们曾经在有限的人工智能领域获得了很大进展。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，分担家务劳动，为开展机器人产业带来宏大商机。机器人造福人类：机器人替代人们去完成一些单调、枯燥或是危险的任务。调查世界工业开展的潮流，曾经证明：开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，人依然是主人。军用机器人：开展用于战场阻击、扫雷、侦查各类军用机器人，将能够改动未来战争方式，

23、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 控制方式 开环控制闭环控制.一、开环控制开环控制的特点是控制安装与被控对象之间只需正向控制造用而没有反向作用的衔接方式，即系统的输出量对输入量没有影响。开环控制系统框图ug放大器和控制安装udnd直流电机开环调速系统 例：.二、闭环控制闭环系统原理框图闭环控制：在控制器与被控对象之间，不仅有正向作用通路，而且存在着反响作用通路。即系统的被控量对输入量有直接影响。这里的反响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。假设反响信号是与输入信号相减那么称为负反响；假设相加，那么称为正反响。.u

24、g放大器和控制安装udndub直流电机闭环调速系统 直流电机速度的闭环控制阐明：首先，对电动机的转速进展丈量、转换。然后将丈量信号与输入量进展比较。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应的电压信号。由速度传感器完成变换。最后，根据偏向的极性和大小来调整转速，使电机转速恒定。.四、自动控制系统的控制方式 控制方式比较闭环控制精度较高，构造较复杂，分析设计较难。 开环控制精度较低，构造较简单，分析设计较易。控制方式比较两类系统各有特点.自动控制系统的分类 1，按参考输入方式分为恒值系统和随动系统 2，按系统特性分成线性系统和非线性系统 3，按信号的传送方式 分成延续系统和

25、离散系统 4，按信号的多少分为单输入单输出与多输入多输出系统 5，按参数变化分 为定 常系统和时变系统 三、自动控制系统的分类.7.5 自动控制系统的性能目的是系统任务稳定性，它是保证控制系统可以正常任务的首要条件，是控制系统的一项最重要的目的。是系统控制准确性，它反映系统的被控输出最终复现系统期望输出值的才干。要求稳态误差越小越好。是指输出过渡过程继续时间的长短，要求系统快速进入稳态。即快速性稳自动控制系统的三大目的.7.6 工业自动化与信息化 一、信息技术与工业自动化四大技术：微电子技术计算机技术通讯技术软件技术企业管理产品消售管理物流供应消费过程控制消费设备控制、检测和诊断信息技术与工业

26、自动化信息技术工业自动化现代工业自动化是自动控制技术与信息技术相结合的产物，是工业自动化开展的必然趋势。.1. 信息技术与企业的关系1信息化扩展了企业的市场空间2信息技术引发产品设计的变革 3信息技术用于产质量量控制 信息技术与企业关系网络把企业的资金、物流、消费、市场、采购等信息实时、准确提供应管理者，实现了管控一体化。CAD软件使设计者不再运用图板。三维 CAD软件不仅可以实体外型，还可以进展产品模拟分析。数字技术提高消费过程的自动检测程度和控制精度、优化安装和过程控制效果，实现添加产量、提高质量。.2. 现代工业自动化传统的工业自动化：即机电一体化。主要是对设备和消费过程的控制，即由机械

27、本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、信号处置单元、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、有机交融和集成，组成工业自动化系统。现代工业自动化：综合运用系统科学、认知科学、信息科学、控制科学与工程的综合科学。企业管理级消费管理级过程控制级设备控制级检测驱动级现代工业自动化系统的5级构造计算机技术 软件技术 网络技术 通讯技术支撑技术机电一体化技术现场总线技术传感器技术数字交流调速支撑技术智能控制技术控制工程方法支撑技术.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.质监系统公共效力网.2，业务资源管理系统.3分散控制系统DPU：分散处置单元OPU：操作员站ENG：工程师站LS/HSR：记录效力器/历史站DLS：数据链接站网线.4现场总线控制系统.工业信息化特征：产品消费过程信息化：包括：决策支持系统 、计算机辅助设计、专家系统 、检验、测试、质量控制系统等。消费信息化：计算机集成制造系统、计算机辅助制造系统、柔性制造系统 、复杂工业过程控制系统等。消费管理信息化：包括：办公自动化、资料需求信息化、企业资源管理信息化等。自动化与控制科学同计算机科学与技术、网络技术相结合，正在推进当代社会向工业信息化方向开展！. 中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规