電子信息導論第七章控制科學與工程

電子信息導論第七章控制科學與工程2024/10/26電子信息導論第七章控制科學與工程第七章控制科學與工程

提綱一、自動控制技術的廣泛應用二、控制科學與信息技術

三、控制科學的發(fā)展及應用

四、智能控制簡介五、自動控制系統(tǒng)的控制方式

六、自動控制系統(tǒng)的分類

七、我國在工程控制方面的成就小結

電子信息導論第七章控制科學與工程一、自動控制技術的廣泛應用（一）日常生活中的自動控制技術應用電梯由于有自動控制才能準確地仃在各相應樓層。衛(wèi)生間用的抽水馬桶是一水量自動調(diào)節(jié)的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)?？照{(diào)、冰箱、電熱水器是一個溫度自動調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)。自動洗衣機采用了多種自動控制技術。彩色電視機的行掃描、場掃描、圖像顯示都是由于采用了自動控制技術才使其工作如此穩(wěn)定。移動通信手機的發(fā)射功率會隨著手機與基站距離的遠近而自動調(diào)整。自動控制無處不在！電子信息導論第七章控制科學與工程一、自動控制技術的廣泛應用（二）自動控制技術廣泛用于工業(yè)、國防自動控制技術在煉鋼、軋鋼、化工、石油、電力、造紙、紡織、皮革、食品和醫(yī)藥等工業(yè)中廣泛應用。沒有自動控制技術現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)將無法進行。航空、航海、汽車和鐵路運輸離不開自動控制技術和系統(tǒng)。自動控制技術包括：自動控制理論和方法、各種傳感器器件、自動控制設備系統(tǒng)、控制軟件技術、自動控制工業(yè)計算機、控制總線、可靠性分析和診斷技術等。飛機、導彈、衛(wèi)星、火炮、魚雷、飛船都是復雜綜合控制技術系統(tǒng)的集成。自動控制已發(fā)展為“控制科學”的綜合性學科。電子信息導論第七章控制科學與工程二、控制科學與信息技術控制的定義：為了“改善”某個或某些受控對象的功能或發(fā)展，需要獲得并使用信息，以這種信息為基礎對于該對象的調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督的過程和作用，就叫作控制。(一）控制的基礎是信息1948年諾伯特·維納發(fā)表論著：《控制論（Cybernetics）——關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，開創(chuàng)了一個新的學科領域—控制科學。整個控制過程是一個信息流通的過程，控制是通過信息的傳輸、變換、加工、處理來實現(xiàn)的。結論：控制與信息技術密不可分。電子信息導論第七章控制科學與工程二、控制科學與信息技術無論自動機器，生物神經(jīng)系統(tǒng)、動物生命系統(tǒng)，以至經(jīng)濟系統(tǒng)、社會系統(tǒng)，撇開各自的物理形態(tài)特征，都可以看作是一個自動控制系統(tǒng)。(二）控制系統(tǒng)的通用模型信息獲取分折決策規(guī)則策略調(diào)節(jié)操縱管理指揮監(jiān)督被控對象反饋自動控制系統(tǒng)的通用模型信息信息信息信息信息信息控制過程=信息傳送過程電子信息導論第七章控制科學與工程二、控制科學與信息技術（三）反饋通道的作用反饋是控制論的核心問題?？刂普摼褪茄芯咳绾卫每刂破?，通過信息的變換和反饋，使系統(tǒng)能自動按照人們預定的程序、參數(shù)運行，并最終達到最優(yōu)目標或行為效果。反饋通道的性能參數(shù)，往往關系整個控制系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性。（四）關于控制科學自動控制的概念在18世紀瓦特己用于蒸汽機中，但未形成系統(tǒng)的理論。1788年瓦特發(fā)明了離心調(diào)速器和節(jié)氣閥蒸汽機離心調(diào)速器電子信息導論第七章控制科學與工程二、控制科學與信息技術（四）關于控制科學（續(xù)）1932年奈魁斯特（H.Nyquist）有關反饋放大器穩(wěn)定性論文，開創(chuàng)了定量分析的閉環(huán)控制理論?？刂萍夹g在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。50年代在空間技術發(fā)展的推動下，控制理論得到了大發(fā)展。60年代隨著計算機技術的發(fā)展，許多新方法和技術進入工程化、產(chǎn)品化階段，顯著加快了工業(yè)技術更新的步伐，促進了智能控制的應用，形成了智能控制理論和技術?，F(xiàn)代信息技術與控制理論相結合，使控制系統(tǒng)顯現(xiàn)出規(guī)模龐大，結構復雜，因素眾多，功能綜合的特點，從而控制論也向大系統(tǒng)理論發(fā)展。而形成了一個新的學科——控制科學。控制科學：是自動控制、計算機科學、通信技術數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學、統(tǒng)計力學和行為科學多種科學技術相互滲透形成的一門交叉、綜合性學科。電子信息導論第七章控制科學與工程二、控制科學與信息技術（四）控制科學與工程的主要理論技術自動控制原理智能控制模糊控制專家系統(tǒng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別傳感器與檢測技術測控技術與系統(tǒng)過程控制與系統(tǒng)控制科學與工程計算機科學與技術相關課程信息與通信工程相關課程相關學科系統(tǒng)辨識最優(yōu)控制電子信息導論第七章控制科學與工程20世紀70年代開始，控制論由工程控制論、生物控制論向經(jīng)濟控制論、社會控制論發(fā)展。電子計算機的廣泛應用和人工智能研究的開展，使控制系統(tǒng)顯現(xiàn)出規(guī)模龐大，結構復雜，因素眾多，功能綜合的特點，從而控制論也向大系統(tǒng)理論發(fā)展。50年代末到60年代初﹐工程實踐﹐尤其是航天技術的發(fā)展﹐涉及多輸入多輸出系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題﹐用經(jīng)典的控制理論已難于解決﹐于是產(chǎn)生了以極大值原理﹑動態(tài)規(guī)劃和狀態(tài)空間法等為核心的現(xiàn)代控制理論。20世紀40年代用經(jīng)典控制理論解決火炮控制﹑魚雷導航﹑飛機導航等技術問題﹐逐步形成了以分析和設計單變量控制系統(tǒng)為主要內(nèi)容的經(jīng)典控制理論與方法。經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)控制理論三、控制科學的發(fā)展及應用（一）控制科學的發(fā)展歷程電子信息導論第七章控制科學與工程三、控制科學的發(fā)展及應用（二）大系統(tǒng)控制理論研究的領域工程控制論大生產(chǎn)過程控制自動火炮控制導彈控制衛(wèi)星、飛船控制機器人控制電子信息導論第七章控制科學與工程三、控制科學的發(fā)展及應用（三）智能控制理論面臨的挑戰(zhàn)1，控制對象存在嚴重的不確定性，控制模型未知或模型的結構和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變化；2，控制對象具有高度的非線性特征和多輸入多輸出信息接口；3，控制任務要求復雜，例如，在智能機器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對一個復雜的任務具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動躲避障礙達到目的地的能力。面對上述挑戰(zhàn)的有效解策略：利用人工智能的方法，使控制系統(tǒng)具有自學習、自適應、自組織的能力，解決難以用數(shù)學的方法精確描述的復雜的、隨機的、模糊的、柔性的控制問題，電子信息導論第七章控制科學與工程（四）控制科學與工業(yè)信息化建設的關系及應用1，工業(yè)信息化建設與控制科學相關內(nèi)容產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息化：包括：決策支持系統(tǒng)、計算機輔助設計、專家系統(tǒng)、檢驗、測試、質(zhì)量控制系統(tǒng)等。生產(chǎn)信息化：計算機集成制造系統(tǒng)、計算機輔助制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)、復雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)等。生產(chǎn)管理信息化：包括：辦公自動化、材料需求信息化、企業(yè)資源信息化等。三、控制科學的發(fā)展及應用控制科學與計算機科學與技術、信息與通信工程相結合，正在推動國家的工業(yè)信息化建設向前發(fā)展！電子信息導論第七章控制科學與工程三、控制科學的發(fā)展及應用（四）控制科學與工業(yè)信息化建設的關系及應用2，智能控制系統(tǒng)的應用領域1智能機器人系統(tǒng)2航天航空控制系統(tǒng)3交通運輸系統(tǒng)4環(huán)保與能源系統(tǒng)5社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)電子信息導論第七章控制科學與工程三、控制科學的發(fā)展及應用全自動柔性噴涂機器人巡航導彈電子信息導論第七章控制科學與工程

四、智能控制簡介（一）模糊控制技術1965年美國加利福尼亞州立大學伯克利分校Zedeh提出的模糊集合和創(chuàng)立的模糊邏輯。所謂模糊邏輯，就是一種能夠在容許定義的二值之間的模糊地帶，有選擇地正確執(zhí)行某一指令的技術，稱模糊技術。微處理器采用模糊邏輯之后，其控制能力更接近人類的思維方式。比如，70歲以上的人是老年人，那么69歲的人是不是老年人呢？這一問題如果用精確邏輯推算就只能確認70歲的人為老年人，而在現(xiàn)實生活69歲的人如果身體不好肯定也會遵為老年人。這就出現(xiàn)了判別上的差異，模糊邏輯是為了實現(xiàn)這種類智能。1974年，Mamdani提出了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器，將模糊集和模糊語言邏輯用于工業(yè)過程控制，之后又成功地研制出自組織模糊控制器，使得模糊控制器的智能化水平有了較大提高。模糊控制的形成和發(fā)展，以及與人工智能的相互滲透，對智能控制理論的形成起了十分重要的推動作用。電子信息導論第七章控制科學與工程評述：模糊控制技術是近代控制理論中的一種人工智能策略，是模擬人的推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應性和合理性提高，它己成為智能控制技術的一個重要分支。四、智能控制簡介（一）模糊控制技術（續(xù)）模糊控制的主要技術是要根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出信信模型完成模糊推理。推理是建立在模糊邏輯規(guī)則基礎上的信息處理過程。模糊邏輯推理系統(tǒng)模糊控制己應用于家用電器、彩色電視顯像控制等眾多產(chǎn)品中！電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介（二）專家系統(tǒng)1，專家系統(tǒng)概念:運用特定領域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復雜的、具體的問題，達到與專家具有同等解決問題能力的計算機智能程序系統(tǒng)。2，專家系統(tǒng)的體系結構：

專家系統(tǒng)與傳統(tǒng)的計算機程序系統(tǒng)有著完全不同的體系結構，通常它由知識庫、推理機、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取機制、解釋機制和人機接口等幾部分組成。隨專家系統(tǒng)的類型、功能和規(guī)模的不同，專家系統(tǒng)的體系結構而有所差異。電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介3，專家系統(tǒng)類型：

診斷型專家系統(tǒng)：根據(jù)對癥狀的觀察分析，推導出產(chǎn)生癥狀的原因以及排除故障方法的一類系統(tǒng)，如醫(yī)療、機械、經(jīng)濟等。

解釋型專家系統(tǒng)：根據(jù)表層信息解釋深層結構或內(nèi)部情況的一類系統(tǒng)，如地質(zhì)結構分析、物質(zhì)化學結構分析等。

預測型專家系統(tǒng)：根據(jù)現(xiàn)狀預測未來情況的一類系統(tǒng)，如氣象預報、人口預測、水文預報、經(jīng)濟形勢預測等。

設計型專家系統(tǒng)：根據(jù)給定的產(chǎn)品要求設計產(chǎn)品的一類系統(tǒng)，如建筑設計、機械產(chǎn)品設計等。

決策型專家系統(tǒng)：對可行方案進行綜合評判并優(yōu)選的一類專家系統(tǒng)。

規(guī)劃型專家系統(tǒng)：用于制定行動規(guī)劃的一類專家系統(tǒng)，如自動程序設計、軍事計劃的制定等。

監(jiān)測型專家系統(tǒng)：對某類行為進行監(jiān)測并在必要時候進行干預的一類專家系統(tǒng)，如機場、倉庫監(jiān)視，森林監(jiān)測等。

調(diào)試型專家系統(tǒng)：對失靈的對象給出處理意見和方法。調(diào)試專家系統(tǒng)同時具有規(guī)劃、設計、預報和診斷等專家系統(tǒng)的功能。可用于維修設備、調(diào)整、測量。

電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介

近十多年來，專家系統(tǒng)獲得迅速發(fā)展，應用領域越來越廣，解決實際問題的能力越來越大，專家系統(tǒng)的優(yōu)良性能包括下列幾個方面：

(1)專家系統(tǒng)能夠高效率、準確、周到、迅速和不知疲倦地進行工作。

(2)專家系統(tǒng)解決實際問題時不受周圍環(huán)境的影響，也不可能遺漏忘記。

(3)可以使專家的專長不受時間和空間的限制，以便推廣珍貴和稀缺的專家知識與經(jīng)驗。

(4)專家系統(tǒng)能促進各領域的發(fā)展，它使各領域專家的專業(yè)知識和經(jīng)驗得到總結和精煉，能夠廣泛有力地傳播專家的知識、經(jīng)驗和能力。

(5)專家系統(tǒng)能匯集多領域專家的知識和經(jīng)驗以及他們協(xié)作解決重大問題的能力，它擁有更淵博的知識、更豐富的經(jīng)驗和更強的工作能力。

(6)軍事專家系統(tǒng)的水平是一個國家國防現(xiàn)代化的重要標志之一。

(7)專家系統(tǒng)的研制和應用，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

(8)研究專家系統(tǒng)能夠促進整個科學技術的發(fā)展。專家系統(tǒng)對人工智能的各個領域的發(fā)展起了很大的促進作用，并將對科技、經(jīng)濟、國防、教育、社會和人民生活產(chǎn)生極其深遠的影響。

4，專家系統(tǒng)的優(yōu)點電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介5，專家系統(tǒng)的發(fā)展專家系統(tǒng)的發(fā)展使專家系統(tǒng)具有學習的能力具有處理常識的能力獲取與更新知識的能力分布式專家系統(tǒng)發(fā)展不同層次解釋的能力發(fā)展深層的推理能力專家系統(tǒng)是有著廣泛用途的一類智能系統(tǒng)，其發(fā)展的總趨勢是進一步提高智能：能經(jīng)由感應直接接受外界資料；或由外部知識庫獲得資料；在推理機中能擬定規(guī)劃，仿真系統(tǒng)狀況；知識庫有規(guī)劃、分類、結構模式及行為模式的動態(tài)知識表述。電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介（三）模式識別模式識別(PatternRecognition)：是通過計算機用數(shù)學技術方法來研究模式的自動處理和判讀。我們所指的模式識別主要是對語音波形、地震波、心電圖、腦電圖、圖片、照片、文字、符號、生物信息等對象進行模式測量、分類和辨識。圖像識別、文字識別和語音識別是模式識別技術最有價值的代表性成果。模式——是環(huán)境與客體的統(tǒng)稱。信息處理過程的一個重要形式是生命體對環(huán)境及客體的識別。電子信息導論第七章控制科學與工程四、智能控制簡介（四）人工神經(jīng)網(wǎng)絡生物神經(jīng)元人工神經(jīng)元神經(jīng)元輸入輸出1，神經(jīng)元每個神元經(jīng)細胞都長著一根像電線一樣的稱為軸突（axon），用來將信號傳遞給其他的神經(jīng)細胞。人工神經(jīng)元是模仿生物神經(jīng)元的一個信息處理單元。電子信息導論第七章控制科學與工程輸入層神經(jīng)元：接受非線形輸入信息。輸出層：輸出各層神經(jīng)元鏈接中傳輸、分析、加權后的輸出信息。隱藏層：簡稱“隱層”，是輸入層和輸出層之間眾多神經(jīng)元和鏈接組成的各個層面。隱層可以有多層，習慣上會用一層。隱層的節(jié)點(神經(jīng)元)數(shù)目不定，但數(shù)目越多神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性越顯著，從而神經(jīng)網(wǎng)絡的性能、特性會更好。2，人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種應用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結構進行信息處理的數(shù)學模型。通常為多層網(wǎng)絡。（人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型現(xiàn)在有數(shù)十種之多）四、智能控制簡介電子信息導論第七章控制科學與工程網(wǎng)絡通過訓練樣本的訓練、校正，對各個層的權重進行調(diào)整后，即確定了網(wǎng)絡參數(shù)，這一建立模型的過程，稱為自動學習過程。具體的學習方法則因網(wǎng)絡結構和模型不通而不同。3，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的學習（訓練）神經(jīng)網(wǎng)絡學習系統(tǒng)框圖通過學習訓練后的網(wǎng)絡即可用于控制、識別等實際系統(tǒng)中。四、智能控制簡介電子信息導論第七章控制科學與工程神經(jīng)網(wǎng)絡模型以神經(jīng)元的數(shù)學模型為基礎，它有自學習、自組織能力，它在控制、識別和信息處理系統(tǒng)中其所以對人們有巨大吸引力主要在下列幾點：1．并行分布處理，處理信息的效率極高。2．高度魯棒性和容錯能力對損傷有冗余性(tolerance）。3．分布存儲及學習能力。4．能充分逼近復雜的非線性關系。在控制領域的研究課題中，不確定性系統(tǒng)的控制問題長期以來都是控制理論研究中的難點。利用神經(jīng)網(wǎng)絡的學習能力，使它在對不確定性系統(tǒng)的控制過程中自動學習系統(tǒng)的特性，自動適應系統(tǒng)隨時間、輸入及環(huán)境的特性變異，以求達到對系統(tǒng)的最優(yōu)控制；顯然這是一種十分振奮人心的智能技術和方法。四、智能控制簡介3，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)點隨著計算機技術、信息處理技術和仿生學、神經(jīng)心理學的研究進展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的性能將日益改善，應用將越來越廣泛，這將是必然趨勢。電子信息導論第七章控制科學與工程五、自動控制系統(tǒng)的控制方式控制類型開環(huán)控制閉環(huán)控制電子信息導論第七章控制科學與工程(一)開環(huán)控制五、自動控制系統(tǒng)的控制方式開環(huán)控制的特點是控制裝置與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反向作用的連接方式，即系統(tǒng)的輸出量對輸入量沒有影響。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖ug放大器和控制裝置udnd直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

例：電子信息導論第七章控制科學與工程五、自動控制系統(tǒng)的控制方式(二)閉環(huán)控制閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖閉環(huán)控制：在控制器與被控對象之間，不僅有正向作用通路，而且存在著反饋作用通路。即系統(tǒng)的被控量對輸入量有直接影響。這里的反饋是指把輸出量檢測出來反送到系統(tǒng)的輸入端并與輸入信號比較以影響控制的過程。若反饋信號是與輸入信號相減則稱為負反饋；若相加，則稱為正反饋。電子信息導論第七章控制科學與工程五、自動控制系統(tǒng)的控制方式ug放大器和控制裝置udndub直流電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

(三)直流電機速度的閉環(huán)控制說明：首先，對電動機的轉速進行測量、轉換。然后將測量信號與輸入量進行比較。由于轉速之間不容易直接比較大小，因此，將輸入與輸出轉速變換成相應的電壓信號。由速度傳感器完成變換。最后，根據(jù)偏差的極性和大小來調(diào)整轉速，使電機轉速恒定。電子信息導論第七章控制科學與工程五、自動控制系統(tǒng)的控制方式控制類型比較閉環(huán)控制精度較高，結構較復雜，分析設計較難。

開環(huán)控制精度較低，結構較簡單，分析設計較易。(四)控制類型比較兩類系統(tǒng)各有特點電子信息導論第七章控制科學與工程自動控制系統(tǒng)的分類

（一）按參考輸入形式分為恒值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)（二）按系統(tǒng)特性分成線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)（三）按信號的傳遞形式分成連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（四）按信號的多少分為單輸入單輸出與多輸入多輸出系統(tǒng)

（五）按參數(shù)變化分為定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)

六、自動控制系統(tǒng)的分類（一）按參數(shù)特性分類電子信息導論第七章控制科學與工程六、自動控制系統(tǒng)的分類（二）按控制類型分類控制類型智能型非智能型電子信息導論第七章控制科學與工程六、自動控制系統(tǒng)的分類

自動控制系統(tǒng)的分類方法種類繁多、錯綜復雜，大系統(tǒng)尤其如此。按照不同標準和應用可以分成不同的類型。電子信息導論第七章控制科學與工程七、我國在工程控制方面的成就

中國載人航天工程是我國航天史上迄今為止規(guī)模最大、系統(tǒng)組成最復雜、技術難度和安全可靠性要求最高的跨世紀國家重點工程，包括：航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發(fā)射場、測控通信、著陸場、空間實驗室等八大系統(tǒng)組成。在工程實施方面主要又包括：衛(wèi)星、神舟載人飛船和嫦娥探月三大系統(tǒng)。（一）載人航天電子信息導論第七章控制科學與工程七、我國在工程控制方面的成就

載人航天是多學科協(xié)同聯(lián)合的特大型系統(tǒng)工程，工程控制技術、控制系統(tǒng)和設備是保證載人航天順利進行的關鍵之一。電子信息導論第七章控制科學與工程

（二）衛(wèi)星測控地面測控站我國已建成了比較完整的陸?；鶞y控網(wǎng)，能完成從近地軌道衛(wèi)星到地球同步衛(wèi)星的測控任務。我國的測控技術的某些方面己處于國際先進水平。測控