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1、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http:/human-,信息科学与技术学院中山大学2009年11月,提 要,一、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
2、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
3、”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,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
4、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,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。,控
5、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
6、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,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,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
7、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
8、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,自动控制系统的控制方式,控制类型,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,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
9、称为正反馈。,自动控制系统的控制方式(续),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,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,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,自动控制系统的分类(续),自动控制系统的分类方
10、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
11、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
12、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
13、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
14、、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
15、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(Pattern Recognition)：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
16、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),人工神经网络,生物神经元,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)，用来将信号传递给其他的神经细胞。,人工神经元是模仿生物神经元的一个信息处理单元。,输入层：接受非线形输入信息。输出层：各层神经元链接中传输、分析、加权的输出信息。隐藏层：是输入层和输出层之间神经元和链接层面。,2、人工神经网络,人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构
17、进行信息处理的数学模型。通常为多层网络。,智能控制简介(续),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）,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、识别等实际系统中。,智能控制简介(续),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点：1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(tolerance）。3分布存储及学习能力。4
18、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。,智能控制简介(续),4、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。,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、技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点
19、工程，包括：航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、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。,载人航天,我国在工程控制方面的成就(续),载人航天是多学科协同联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行的关键之一。,卫星测控,地面测控站,我国已建成了比较完整的陆海基测控网，能完成从近地轨道卫星到地球同步卫星的测控任务。我国的测控技术的某些方面己处于国际先进水平。,测控是工程控制科学与通信技术结合的一体化工程，其特点有：1）多任务测控；2)深空跟踪；3）卫星测控设备；4）测控和通信。,我国在工程控
20、制方面的成就(续),钱学森在控制论科学领域的 开创性成就“工程控制论”,1980年前后摄,2007年感动中国年度人物,我国在工程控制方面的成就(续),钱学森（）应用力学、航天技术和系统工程科学家。1955年回国。早年在应用力学和火箭、导弹技术的许多领域都做过开创性的工作。独立研究以及和冯.卡门合作研究提出的许多理论，为应用力学、航空工程和火箭导弹技术的发展奠定了基础。回国后长期担任火箭、导弹和卫星研制的技术领导职务，为创建和发展我国的导弹、航天事业作出了杰出贡献。在工程控制论、系统工程和系统科学、思维科学和人体科学以及马克思主义哲学等许多理论领域都进行过创造性研究，作出了重大贡献。中国科学院院士、中国工程院院士。2007年评为感动中国人物。,我国在工程控制方面的成就(续),结束语,控制科学与工程是一个综合性学科。控制科学与工程是综合信息科学各学科的研究成果，是信息科学与工程中的一个重要领域。当前控制科学已进入了智能控制的发展阶段。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，智能控制的理论和技术必然更加成熟，能更有效地解决大系统中的复杂、综合性问题。,
