自动化学科概论-第4章

1、自动化学科概论,第4章：现代自动化科学与技术,随着现代科学(特别是数学、系统科学)和技术(特别是微电子技术、计算机技术)的发展，自动化科学和技术在过去的几十年中也发生了翻天覆地的变化，控制技术和控制设备日新月异，控制理论也有长足的发展。 面向复杂系统的控制是自动化科学技术发展的动力，计算机及其网络技术的快速进步是自动化科学技术发展的强大支持。为了解决越来越复杂的系统控制问题，系统科学和控制工程的研究者们通过不懈的工作，不断地丰富了自动控制理论和自动化技术，形成了现代自动化科学与技术的许多不同分支。 本章扼要介绍先进的、深奥的自动化科学与技术，这些知识绝大多数已超出本科生学习范围（属于研究生学习

2、的内容）,供同学们拓展自动化知识或今后学习其中某一方面的内容时参考。,自动化学科概论,第4章 现代自动化科学与技术,4.1 复杂系统及其控制 4.2 大系统控制 4.3 集成自动化系统 4.4 自动化科学与技术的最新发展,4.1.1 复杂系统及控制的困难 4.1.2 先进控制技术 4.1.3 智能控制,4.1 复杂系统及其控制,第4章 现代自动化科学与技术,自动化科学和技术所面对的是一个复杂的系统，其复杂性具体表现为：,一、系统结构的复杂性 系统模型的不确定性 强烈的非线性 变量过多、维数太大 二、系统任务的复杂性 三、系统环境的复杂性,4.1.1 复杂系统及控制的困难,一、自适应控制 自适应

3、控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有自校正控制系统、模型参考自适应控制系统两种类型。 自校正控制系统,4.1.2 先进控制技术, 模型参考自适应控制系统,二、鲁棒控制 鲁棒控制是针对被控对象不确定性的一种控制方法。 三、容错控制 容错控制指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。 容错控制当前主要有硬件冗余和解析冗余两种方法。,智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。 模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家控制是比较成熟并且应用最广的三个分支。,4.1.3 智能控制,一、模糊逻辑控制 模糊逻辑控制系统的基

4、本结构，它用模糊控制器替代了传统的控制器，模糊控制器由知识库、模糊化处理、模糊推理、精确化处理四部分组成。,二、人工神经网络控制 人工神经网络（Artificial Neural Network，即ANN）模拟大脑神经元之间的连接，实现信息处理、存储等功能。一个简单的人工神经元模型，它的输入（ ）和输出（ ）关系可以描述为,人工神经网络是由大量人工神经元互连而成的网络，每个神经元是网络的一个节点，它接受多个节点的输出信号，并将自己的输出连接至其它节点。, 神经网络监督控制 系统在原有反馈控制的基础上增加人工神经网络作为控制器的前馈控制。, 神经网络内模控制 系统中NNM为被控对象的模型，用于充

5、分逼近被控对象的动态特性，而NNC（神经网络控制器）为对象的逆模型。,三、专家控制 专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由知识库和推理机两部分组成。, 专家控制系统 是应用专家系统于自动控制的理想形式，它把自动控制系统视为基于知识的系统，并把有关控制的知识分类组织，形成数据库和规则库。 专家控制器 直接用专家系统作为传统反馈控制系统的控制器，使控制器具有智能。,4.2.1 大系统及其控制 4.2.2 系统工程及应用,4.2 大系统控制,第4章 现代自动化科学与技术,一、大系统的概念 给大系统

6、下定义困难，具体界定也困难。认识一个大系统，只能从它所具有的特征出发。通常，一个大系统应该具有如下基本特征： 由一些子系统组成，规模庞大； 子系统间纵横交错，关系复杂； 整个系统目标多样，功能综合； 系统与环境有物质、能量、信息的交换，且往往数量较大； 具有非线性特性和繁殖、扩展能力； 往往是有人参与的系统，人为因素影响大。,4.2.1 大系统及其控制,二、大系统的控制 “化大为小，化整为零” 1.集中控制,2.分散控制,3.分解协调 (1)分级递阶控制,(2)分层,(3)分段控制,一、系统工程的概念 系统工程是一门关于组织管理的技术。对被控过程实行有效的“控制”，其含义相当于将传统的控制系统

7、广义化。 认为它包含了如下几方面的意思： (1)它面对的是一个庞大而复杂的对象； (2)它要达到的目标是系统的综合最优； (3)它根据系统的目标，把自然科学、社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等有机地结合起来，应用于人们的科研、生产、经济和社会活动； (4)它应用数学方法和电子计算机等工具，并有人的参与。,4.2.2 系统工程及其应用,二、系统建立和系统分析 要建造一个系统，通常要经过五个阶段。 系统规划阶段 系统分析阶段 系统设计阶段 系统构建阶段 系统运行阶段,三、系统工程的应用 工程系统工程 (2) 软件工程 (3) 军事系统工程 (4) 社会系统工程 (5) 环境系统工程 (

8、6) 交通系统工程 (7) 企业系统工程,4.3.1 系统的集成和优化 4.3.2 集成自动化系统,4.3 集成自动化系统,第4章 现代自动化科学与技术,Computer-Aided Design，即CAD Computer-Aided Manufacturing，即CAM Material Requirement Planning, 即MRP Manufacturing Resources Planning, 即MRP- Enterprise Resource Planning , 即ERP,4.3.1 系统的集成和优化,集成自动化系统或综合自动化系统,具有以下特点： (1) 系统包括控制和

9、管理两个方面 (2) 系统采用分级递阶结构 (3) 系统的信息集成 (4) 系统的功能集成 (5) 人的介入和参与,一、计算机集成制造系统 计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System, 即CIMS)是面向制造业的集成自动化系统。,4.3.2 集成自动化系统,二、计算机集成过程系统 计算机集成过程系统(Computer Integrated Process System, 即CIPS) ，其中，上面三级属企业级，下面二级属车间或生产单元级。,二、计算机集成过程系统（续） CIPS中信息和数据主要有三部分组成，一部分来自生产过程的实时生产数

10、据；第二部分是企业内部的管理信息；第三部分是企业与外界相联系的信息。,4.4.1 基于网络环境的自动化 4.4.2 人工智能在自动化系统中的进一步应用 4.4.3 其它领域的自动化,4.4 自动化科学与技术的最新发展,第4章 现代自动化科学与技术,4.4.1 基于网络环境的自动化 基于网络环境的自动化控制系统称为网络控制系统。 (1) 网络控制系统具有网络化体系结构。 (2) 通过网络互联技术、动态数据交换技术、开放式数据库连接技术等实现网络水平上的集成。 (3) 网络控制系统通过公共网络传递测量信息和控制信号，从而构成闭合回路。 (4) 网络传输通常可视为可靠性不高的数据传输。,4.4.1 基于网络环境的自动化,人工智能在自动化系统的应用前景广阔 一、脑科学研究对自动化的影响 人的智能来源于大脑的神经系统，是大脑思维活动的结果。 人的智能活动主要有下列几方面的特征： 感知能力 记忆和思维能力 学习能力 行为能力,4.4.2 人工智能在自动化系统中的进一步应用,二、智能优化的应用 优化始终是控制的中心问题，智能优化从大自然的进化中受到启迪，是一类独特的优化方法。 遗传算法 免疫算法 蚁群算法,三、生物控制论 生物控制论一方面深入探讨生