控制科学与工程

控制科学与工程2009/2010学年《电子信息技术导论》系列讲座专题王国利、自动控制技术的广泛应用二、控制科学与信息技术三、控制科学的发展趋势四、自动控制系统的控制方式五、自动控制系统的分类七、智能控制简介八、钱学森与控制论自动控制技术的广泛应用日常生活中的自动控制技术应用电梯由于有自动控制才能准确地停在相应楼层。卫生间用的抽水马桶是一水量自动调节控制系统。空调、冰箱、电热水器是一个温度调节控制系统。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工作如此稳定。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。无规矩，不成方圆！自动控制无处不在！自动控制技术的广泛应用(续)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。其中涉及的自动控制技术包括：自动控制理论方法、传感器件、自动控制设备系统、控制软件技术、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。自动控制已形成“控制科学”的综合性学科。自动控制技术的广泛应用(续)全自动柔性喷涂机器人巡航导弹控制计算机电机/驱动器光码盘总线机器人手臂GPS接收系统惯性导航系统数字化地图取景相机自动控制技术的广泛应用(续)先进控制系统的应用领域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发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础对于该对象的调节、操纵、管理、指挥、监督的过程和作用，就叫作控制。控制的基础是信息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，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。结论：控制与信息技术密不可分。控制科学与信息技术(续)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，都可以看作是一个自动控制系统。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=信息传输和处理的过程控制科学与信息技术(续)反馈通道的作用反馈是控制论的核心问题。控制论就是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈，使系统能自动按照人们预定的程序、参数运行，并最终达到最优目标或行为效果。反馈通道的性能参数，往往关系整个控制系统性能及稳定性。控制科学的萌芽自动控制的概念在18世纪瓦特己用于蒸汽机中，但未形成系统的理论。1788年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机离心调速器控制科学与信息技术(续)控制科学的里程碑1932年奈魁斯特（H.Nyquist）有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。控制技术在工业生产中得到了广泛的应用。50年代在空间技术发展的推动下，控制理论得到了大发展。60年代随着计算机技术的发展，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，促进了智能控制的应用，形成了智能控制理论和技术。现代信息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，从而控制论也向大系统理论发展。而形成了一个新的学科——控制科学。控制科学：是自动控制、计算机科学、通信技术、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渗透形成的一门交叉、综合性学科。控制科学与信息技术(续)控制科学与工程的主要理论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模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信工程相关课程相关学科系统辨识最优控制与工业信息化建设的关系1、产品生产过程信息化：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。2、生产信息化：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。3、生产管理信息化：办公自动化、材料需求信息化、企业资源信息化等。控制科学与信息技术(续)控制科学与计算机科学与技术、信息与通信工程相结合，正在推动国家的工业信息化建设向前发展！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控制科学的发展及应用控制科学的发展历程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70年代始，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。控制科学的发展及应用(续)控制科学研究的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自动控制系统的控制方式控制类型开环控制闭环控制开环控制自动控制系统的控制方式(续)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。开环控制系统框图ug放大器和控制装置udnd直流电机开环调速系统例：自动控制系统的控制方式(续)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为负反馈；若相加，则称为正反馈。自动控制系统的控制方式(续)ug放大器和控制装置udndub直流电机闭环调速系统直流电机速度的闭环控制说明：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，根据偏差的极性和大小来调整转速，使电机转速恒定。自动控制系统的控制方式(续)控制类型比较闭环控制精度较高，结构复杂，分析困难，难于设计。开环控制精度较低，结构简单，容易分析，便于设计。控制类型比较两类系统各有特点自动控制系统的分类（一）按参考输入形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）按信号的传递形式分成连续系统和离散系统（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自动控制系统的分类按参数特性分类自动控制系统的分类(续)按控制类型分类控制类型智能型非智能型自动控制系统的分类(续)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。按照不同标准和应用可以分成不同的类型。智能控制简介传统控制方法面临的挑战1、控制对象存在严重的不确定性，控制模型未知或模型的结构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耦合；3、控制任务要求复杂，例如，在智能机器人系统中，要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障碍达到目的地的能力。面对上述挑战的有效解策略：利用人工智能的方法，使控制系统具有自学习、自适应、自组织的能力，解决难以用数学的方法精确描述的复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题智能控制简介(续)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立的模糊逻辑。所谓模糊逻辑，就是一种能够在容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。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？这一问题如果用精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岁的人如果身体不好肯定也会遵为老年人。这就出现了判别上的差异，模糊逻辑是为了实现这种类智能。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。评述：模糊控制技术是一种人工智能策略，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。智能控制简介(续)模糊控制技术进一步诠释模糊控制是要根据系统输入输出模型完成模糊推理。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产品中！智能控制简介(续)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。智能控制简介(续)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。智能控制简介(续)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、迅速地进行工作。(2)专家系统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。(4)专家系统使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼。4、专家系统的优点规划型专家系统：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。智能控制简介(续)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深层的推理能力专家系统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。智能控制简介(续)模式识别模式识别(PatternRecognition)：计算机实现模式的自动处理和判读。智能技术中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对环境及客体的识别。智能控制简介(续)人工