【豆丁精选】控制科学与工程.ppt

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1、日常生活中的自动控制技术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。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。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。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。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。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移动通

2、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。近而自动调整。自动控制技术广泛用于工业、国防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。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航空、航海、汽车和铁路运输离不开自动控制技术和系统。系统。其中涉及的自动控制技术包括：自动控制理论方法、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

3、制设备系统、控制软件技术、工业传感器件、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。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。控制技术系统的集成。全自动柔性喷涂机器人全自动柔性喷涂机器人巡航导弹巡航导弹控制计算机控制计算机电机电机/驱动器驱动器光码盘光码盘总线总线机器人手臂机器人手臂GPSGPS接收系统接收系统惯性导航系统惯性导航系统数字化地图数字化地图取景相机取景相机先进控制系统的应用领域先进控制系统的应用领域控制的定义：控制的定义：为了为了“改善

4、改善”某个或某些受控对象的功能或发展，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，就的调节、操纵、管理、指挥、监督的过程和作用，就叫作控制。叫作控制。控制的基础是信息控制的基础是信息1948 年诺伯特年诺伯特维纳发表论著维纳发表论著控制论（控制论（Cybernetics）关于在动物和机器中控制和通讯的科学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开创了一个新的学科领域控制科学。控制科学。整个控制过程是一个信息流通的过程，控制是通整个控制过程是一个信息流通的

5、过程，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。无论自动机器，生物神经系统、动物生命系统，以至无论自动机器，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。可以看作是一个自动控制系统。反馈是控制论的核心问题。控制论就是研究如何利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人们预定的程序、参数运行，并最终达

6、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。性能及稳定性。自动控制的概念在自动控制的概念在1818世纪瓦特己用于蒸汽世纪瓦特己用于蒸汽机中，但未形成系统机中，但未形成系统的理论。的理论。1788年瓦特发明了离心年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机调速器和节气阀蒸汽机 离心离心调速器调速器控制科学的里程碑控制科学的里程碑 1932年奈魁斯特（年奈魁斯特（H.Nyquist）有关反馈放大器稳定）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

7、到了广泛的应用。工业生产中得到了广泛的应用。50年代在年代在空间技术空间技术发展发展的推动下，控制理论得到了大发展。的推动下，控制理论得到了大发展。60年代年代随着随着计算机计算机技术技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶的发展，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

8、制论也向大系杂，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统理论发展。而形成了一个新的学科控制科学。控制科学。控制科学与工程的主要理论技术控制科学与工程的主要理论技术与工业信息化建设的关系与工业信息化建设的关系1 1、产品生产过程信息化：、产品生产过程信息化：决策支持系统决策支持系统 、计算机辅助设计、专家系统、计算机辅助设计、专家系统 、检验、检验、测试、质量控制系统等。测试、质量控制系统等。2 2、生产信息化：、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。造系统、复

9、杂工业过程控制系统等。3 3、生产管理信息化：、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。办公自动化、材料需求信息化、企业资源信息化等。控制科学的发展历程控制科学的发展历程控制科学研究的领域控制科学研究的领域生物控制论生物控制论神经控制论神经控制论医学控制论医学控制论仿生学仿生学人工智能人工智能社会控制论社会控制论生产管理生产管理城市建设城市建设能源安全能源安全环境保护环境保护交通运输交通运输工程控制论工程控制论大生产过程控制大生产过程控制自动火炮控制自动火炮控制导弹控制导弹控制卫星、飞船控制卫星、飞船控制机器人控制机器人控制控制类型控制类型开环开环控制控制闭环闭环控制控制

10、开环控制系统框图开环控制系统框图ug放大器和放大器和控制装置控制装置udnd直流电机开环调速系统直流电机开环调速系统 例：例：闭环控制闭环控制闭环系统原理框图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。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。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

11、；若相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。加，则称为正反馈。ug放大器和控制装置udndub直流电机闭环调速系统直流电机闭环调速系统 直流电机速度的闭环控制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。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由速度传感器完成变换。最后，根据偏差的极性和大

12、小来调整转速，使电机转速恒定。调整转速，使电机转速恒定。按控制类型分类按控制类型分类传统控制方法面临的挑战传统控制方法面临的挑战1 1、控制对象存在严重的不确定性，控制模型未知或模、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；型的结构和参数在很大的范围内变化；2 2、控制对象具有高度的非线性特征和多输入多输出耦合；、控制对象具有高度的非线性特征和多输入多输出耦合；3 3、控制任务要求复杂，例如，在智能机器人系统中，、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

13、动躲避障碍达到目的地的能力。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，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、难以用数学的方法精确描述的复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题柔性的控制问题 模糊控制技术模糊控制技术 1965年美国加利福尼亚州立大学伯克利分校年美国加利福尼亚州立大学伯克利分校Zedeh提出的提出的模糊集模糊集合合和创立的和创立的模糊逻辑模糊逻辑。所谓所谓模糊逻辑模糊逻辑，就是一种能够在容

14、许定义的二值之间的模糊地带，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。糊逻辑之后，其控制能力更接近人类的思维方式。比如，比如，70岁以上的人是老年人，那么岁以上的人是老年人，那么69岁的人是不是老年人呢？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，而在岁的人为老年人，而在现实生活现实生活69岁的人如果身体不好肯定也会遵为老年人。这就出现了岁的人如果身体不好肯定也会遵

15、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。判别上的差异，模糊逻辑是为了实现这种类智能。1974年，年，Mamdani提出了基于模糊语言描述控制规则的提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控模糊控制器制器，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，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

16、。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。性提高，它己成为智能控制技术的一个重要分支。模糊控制技术进一步诠释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。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逻辑推理系统专家系统专家系统1 1、专家系统概念、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。的计算机智能程序系统。2 2、专家系统的体系结构：、专家系统的体系结构：专家系统与传统的计算机程序专家系统