自动化与控制科学.ppt

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1、第七章自动化与控制科学,电子信息科学与技术导论,在生产和科学技术的发展过程中，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受着自动化带来的便利。随着计算机技术的发展，“自动化和控制科学”同计算机技术相结合形成了“控制科学与工程”一级学科。自动化与控制科学不仅广泛应用在工业生产部门，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地位；自动化还应用到了生物、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究“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”、“过程装备与控制工

2、程”、“机械工程及自动化”、“制造自动化与测控技术”等。本章主要针对自动化与控制科学的主要技术和理论进行简单的介绍，以便读者对本学科有一个基本的了解。,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指标 7.6 工业自动化与信息化 7.7 中国在工程控制方面所取得的成就,7.1 自动控制和自动控制系统概述,一、基本概念,电梯由于有自动控制才能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节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节的自动控制系统。,自动

3、洗衣机采用了多种自动控制技术。,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。,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，利用控制装置，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。,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。,自动控制技术还应用于：通信、交通、医学、环境保护、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

4、，自动控制应用的广泛性,3，什么是自动控制系统？,自动控制系统就是为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体。,三、控制科学的发展及应用,全自动柔性喷涂机器人,巡航导弹,（1）自动控制系统实例：,由计算机通过控制电动机来带动机器人的手臂自动工作。计算机是控制装置，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。,由全球卫星定位接收装置、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，攻击精确度可达“米级”的误差水平。,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

5、的物理形态特征，都是一个自动控制系统，并可用通用模型对系统进行分析。,（2）自动控制系统的通用模型：,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：处理信息。通信机：传送信息。执行器：应用信息。,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，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理和应用来实现的。,20世纪70年代开始，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。,50年代末到60年代初工程实

6、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,二、发展历程,1，经典控制系统实例：1788年J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题。,离心调速器,瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用的新时期，促进了控制科学的形成与发展。,2，现代控制理论的主要内容,理论核心：极大值原理动态规划和状态空间法等

7、,控制方法和结构：自适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。,应用对象：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联合企业国民经济系统等；与计算机网络相融合出现了管理信息系统办公自动化决策支持系统并开始综合利用传感技术通信技术计算机系统控制和人工智能等方法来解决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。,在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中数学家提出了判定系统稳定性的理论判据使自动控制逐渐由经验走向科学。,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

8、学，开创了一个新的学科领域控制科学。,3，大系统控制实例,如：大型电力系统交通运输系统钢铁联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。,大系统控制理论研究的主要领域,控制科学的印迹,1932年,19501960代,19601970年代,奈魁斯特（H.Nyquist）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。,随着计算机技术的发展，形成了智能控制理论和技术，电子信息科学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

9、，功能综合的特点，使控制论向大系统理论发展，形成了一个新的学科控制科学。,4，控制科学的发展,控制科学：是自动控制、计算机科学、通信技术、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渗透形成的一门交叉、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通过精确的数学表达式，而是容许定义在二值之间的模糊地带。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。,智能控制（Intelligent Control）研究将人类的智能，如学习、自适应和探索的能力引入控制系统，使其具有自学习、自组织、自动识别和自动判断、决策的功能。,1974

10、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。,模糊控制技术是近代控制理论中的一种人工智能策略，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。,模糊控制的主要技术：是根据系统输入输出信号模型进行模糊推理。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

11、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，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。,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

12、统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，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。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。,近

13、十多年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的能力越来越大，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、迅速和不知疲倦地进行工作。(2)专家系统解决实际问题时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，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。(4)专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。(6)军事专家系统的水平是一个

14、国家国防现代化的重要标志之一。(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能的各个领域的发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，专家系统的发展,专家系统是有着广泛用途的一类智能系统，其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。,三、模式识别,模式识别(Pattern Recognition)：是通过计算机用数学方法来研

15、究模式的自动处理和判读。,我们所指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生命体对环境及客体的识别。,四、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

16、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应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。通常为多层网络。（人工神经网络模型现在有数十种之多）,二、智能控制简介,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。,

17、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。,4，人工神经网络的优点,随着计算机技术、信息处理技术

18、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。,7.3 机器人,机器人概念：智能控制的典型应用就是机器人（Robot），机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领去行动。,机器人技术：机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学技术的产物，用来协助或代替人类工作。,机器人应用：机器人可用于生产制造业，可以替代人从事危险的工作。它在制造业、医学、农业、建筑业、军事等领域。,一、机器人的发展史,1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说，创造出“机器人”这

19、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工作，具有通用性和灵活性。,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年约翰霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。,1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并

20、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已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。,2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。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,家庭服务机器人,智能机器人,机器人战车,侦察机器人,机器人战车,战争机器人,仿真机器人,R

21、2宇航人形机器人，于2011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“工作人员”，用来帮助空间站的宇航员完成一些日常工作。将来R2的改进型将可以代替宇航员出仓完成一些危险作业。,机器人生产、机器人清扫、机器人战争的时代将会到来！,机器人的分类,二、机器人的分类,三、人类与机器人,机器人的终极目标：利用人工智能原理发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能力、推理能力、语言能力和形成自己的观点的能力。机器人专家还远远无法实现这种水平的人工智能，但他们已经在有限的人工智能领域取得了很大进展。,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

22、发展机器人产业带来巨大商机。,机器人造福人类：机器人代替人们去完成一些单调、枯燥或是危险的工作。考察世界工业发展的潮流，已经证明：发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，人仍然是主人。,军用机器人：发展用于战场阻击、扫雷、侦察各类军用机器人，将可能改变未来战争形式，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,一、开环控制,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,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

23、，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。,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。,四、自动控制系统的控制方式,控制方式比较,两类系统各有特点,三、自动控制系统的分类,7.5 自动控制系统的性能指标,7.

24、6 工业自动化与信息化,一、信息技术与工业自动化,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）信息技术用于产品质量控制,2.现代工业自动化,传统的工业自动化：即机电一体化。主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、信号处理单元、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、有机融合和集成，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,生产管理级,过程控制级,设备控制级,检测驱动级,现代工业自动化系

25、统的5级结构,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,2，业务资源管理系统,3分散控制系统,4现场总线控制系统,工业信息化特征：,产品生产过程信息化：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。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。生产管理信息化：包括：办公自动化、材料需求信息化、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，正在推动当代社会向工业信息化方向发展！,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

26、家重点工程，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。,一、中国的载人航天工程,7.7 中国在工程控制方面所取得的成就,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。,二、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

27、的芯片化，软件化，一体化；4）测控和通信的有机融合。,望远号海洋测控船,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,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。,本章小结,自动化和控制科学是一个综合性学科。自动控制技术己应用在人们的日常生活产品中；也己应用于工业大生产流程或航空航天这样的大系统中；它还可以用于社会、能源或者经济管理。自动化和控制科学是综合信息科学各学科的研究成果，是信息科学与工程的一个重要领域。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，深刻影响人类社会进步和科学技术的进一步发展。,Thank You!,第七章（完）,