电子信息导论第七章控制科学与工程

第七章控制科学与工程<电子信息技术导论>编制李璋第七章控制科学与工程提纲一、自动控制技术的广泛运用二、控制科学与信息技术三、控制科学的开展及运用四、智能控制简介五、自动控制系统的控制方式六、自动控制系统的分类七、我国在工程控制方面的成就小结一、自动控制技术的广泛运用〔一〕日常生活中的自动控制技术运用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。彩色电视机的行扫描、场扫描、图像显示都是由于采用了自动控制技术才使其任务如此稳定。挪动通讯手机的发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！一、自动控制技术的广泛运用〔二〕自动控制技术广泛用于工业、国防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。自动控制技术包括：自动控制实际和方法、各种传感器器件、自动控制设备系统、控制软件技术、自动控制工业计算机、控制总线、可靠性分析和诊断技术等。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。自动控制已开展为“控制科学〞的综合性学科。二、控制科学与信息技术控制的定义：为了“改善〞某个或某些受控对象的功能或开展，需求获得并运用信息，以这种信息为根底对于该对象的调理、支配、管理、指挥、监视的过程和作用，就叫作控制。(一〕控制的根底是信息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。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、处置来实现的。结论：控制与信息技术密不可分。二、控制科学与信息技术无论自动机器，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，都可以看作是一个自动控制系统。(二〕控制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=信息传送过程二、控制科学与信息技术〔三〕反响通道的作用反响是控制论的中心问题。控制论就是研讨如何利用控制器，经过信息的变换和反响，使系统能自动按照人们预定的程序、参数运转，并最终到达最优目的或行为效果。反响通道的性能参数，往往关系整个控制系统性能及稳定性。〔四〕关于控制科学自动控制的概念在18世纪瓦特己用于蒸汽机中，但未构成系统的实际。1788年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机离心调速器二、控制科学与信息技术〔四〕关于控制科学〔续〕1932年奈魁斯特〔H.Nyquist〕有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。控制技术在工业消费中得到了广泛的运用。50年代在空间技术开展的推进下，控制实际得到了大开展。60年代随着计算机技术的开展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，显著加快了工业技术更新的步伐，促进了智能控制的运用，构成了智能控制实际和技术。现代信息技术与控制实际相结合，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。而构成了一个新的学科——控制科学。控制科学：是自动控制、计算机科学、通讯技术数理逻辑、神经生理学、统计力学和行为科学多种科学技术相互浸透构成的一门交叉、综合性学科。二、控制科学与信息技术〔四〕控制科学与工程的主要实际技术自动控制原理智能控制模糊控制专家系统人工神经网络方式识别传感器与检测技术测控技术与系统过程控制与系统控制科学与工程计算机科学与技术相关课程信息与通讯工程相关课程相关学科系统辨识最优控制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﹐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三、控制科学的开展及运用〔一〕控制科学的开展历程三、控制科学的开展及运用〔二〕大系统控制实际研讨的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三、控制科学的开展及运用〔三〕智能控制实际面临的挑战1，控制对象存在严重的不确定性，控制模型未知或模型的构造和参数在很大的范围内变化；2，控制对象具有高度的非线性特征和多输入多输出信息接口；3，控制义务要求复杂，例如，在智能机器人系统中，要求系统对一个复杂的义务具有自行规划和决策的才干，有自动躲避妨碍到达目的地的才干。面对上述挑战的有效解战略：利用人工智能的方法，使控制系统具有自学习、自顺应、自组织的才干，处理难以用数学的方法准确描画的复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题，〔四〕控制科学与工业信息化建立的关系及运用1，工业信息化建立与控制科学相关内容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、企业资源信息化等。三、控制科学的开展及运用控制科学与计算机科学与技术、信息与通讯工程相结合，正在推进国家的工业信息化建立向前开展！三、控制科学的开展及运用〔四〕控制科学与工业信息化建立的关系及运用2，智能控制系统的运用领域1智能机器人系统2航天航空控制系统3交通运输系统4环保与能源系统5社会经济管理系统三、控制科学的开展及运用全自动柔性喷涂机器人巡航导弹

四、智能控制简介〔一〕模糊控制技术1965年美国加利福尼亚州立大学伯克利分校Zedeh提出的模糊集合和创建的模糊逻辑。所谓模糊逻辑，就是一种可以在允许定义的二值之间的模糊地带，有选择地正确执行某一指令的技术，称模糊技术。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。比如，70岁以上的人是老年人，那么69岁的人是不是老年人呢？这一问题假设用准确逻辑推算就只能确认70岁的人为老年人，而在现实生活69岁的人假设身体不好一定也会遵为老年人。这就出现了判别上的差别，模糊逻辑是为了实现这种类智能。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。评述：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。四、智能控制简介〔一〕模糊控制技术〔续〕模糊控制的主要技术是要根据系统输入输出信信模型完成模糊推理。推理是建立在模糊逻辑规那么根底上的信息处置过程。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！四、智能控制简介〔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。四、智能控制简介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。

四、智能控制简介

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，专家系统的优点四、智能控制简介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。四、智能控制简介〔三〕方式识别方式识别(PatternRecognition)：是经过计算机用数学技术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、智能控制简介〔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〕四、智能控制简介网络经过训练样本的训练、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。四、智能控制简介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。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。四、智能控制简介3，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。五、自动控制系统的控制方式控制类型开环控制闭环控制(一)开环控制五、自动控制系统的控制方式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：五、自动控制系统的控制方式(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。五、自动控制系统的控制方式ug放大器和控制安装udndub直流电机闭环调速系统(三)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。五、自动控制系统的控制方式控制类型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。(四)控制类型比较两类系统各有特点自动控制系统的分类〔一〕按参考输入方式分为恒值系统和随动系统〔二〕按系统特性分成线性系统和非线性系统〔三〕按信号的传送方式分成延续系统和离散系统〔四〕按信号的多少分为单输入单输出与多输入多输出系统〔五〕按参数变化分为定常系统和时变系统六、自动控制系统的分类〔一〕按参数特性分类六、自动控制系统的分类〔二〕按控制类型分类控制类型智能型非智能型六、自动控制系统的分类自动控制系统的分类方法种类繁多、错综复杂，大系统尤其如此。按照不同规范和运用可以分成不同的类型。七、我国在工程控制方面的成就中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技术难度和平安可靠性要求最高的跨世纪国家重点工程，包括：航天员、空间运用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通讯、着陆场、空间实验室等八大系统组成。在工程实施方面主要又包括：卫星、神舟载人飞船和嫦娥探月三大系统。〔一〕载人航天七、我国在工程控制方面的成就载人航天是多学科协同结合的特大型系统工程，工程控制技术、控制系统和设备是保证载人航天顺利进展的关键之一。

〔二〕卫星测控地面测控站我国已建成了比较完好的陆海基测控网，能完成从近地轨道卫