智能控制基礎(chǔ)(智能控制概述及傳感技術(shù))

智能控制基礎(chǔ)第一節(jié)智能控制概述第二節(jié)傳感技術(shù)智能控制概述1第一節(jié)一、智能控制的提出智能控制是一門交叉學科，是人工智能和自動控制相結(jié)合的新技術(shù)。傳統(tǒng)控制方法在實際應(yīng)用中遇到很多難以解決問題主要表現(xiàn)在以下幾點①實際系統(tǒng)由于存在復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，無法獲得準確的數(shù)學模型。②針對實際系統(tǒng)往往需要進行一些比較苛刻的線性化假設(shè)，而這些假設(shè)往往與實際系統(tǒng)不符合。③某些復雜的和包含不確定性的控制過程無法用傳動的數(shù)學模型來描述既無法解決建模的問題。④實際控制任務(wù)復雜而傳統(tǒng)的控制任務(wù)要求低，對于復雜的控制任務(wù)如智能機器人的控制等無能為力。智能控制研究對象具備以下特點：不確定性的模型、高度非線性、復雜的任務(wù)要求。二、智能控制的發(fā)展過程1965年，著名學者美籍華人K.S.Fu（傅京遜）教授把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學習系統(tǒng),為控制技術(shù)邁向智能化揭開了嶄新的一頁。1966年，Mendel提出了“人工智能控制”的新概念。1967年,Leondes和Mendel首次使用了“智能控制(IntelligentControl)”一詞,并把記憶、目標分解等技術(shù)應(yīng)用于學習控制系統(tǒng)。1971年K.S.Fu（傅京遜）從發(fā)展學習控制的角度首次提出智能控制這一新興學科，歸納了三種類型的智能控制系統(tǒng)：人作為控制器的控制系統(tǒng)、人機結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)、無人參與的自主控制系統(tǒng)。1977年Saridis出版了《隨機系統(tǒng)的自組織控制》，引入了運籌學提出了三元論的智能控制概念1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術(shù)討論會二、智能控制的發(fā)展過程1965年，著名學者美籍華人K.S.Fu（傅京遜）教授把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學習系統(tǒng),為控制技術(shù)邁向智能化揭開了嶄新的一頁。1966年，Mendel提出了“人工智能控制”的新概念。1967年,Leondes和Mendel首次使用了“智能控制(IntelligentControl)”一詞,并把記憶、目標分解等技術(shù)應(yīng)用于學習控制系統(tǒng)。1971年K.S.Fu（傅京遜）從發(fā)展學習控制的角度首次提出智能控制這一新興學科，歸納了三種類型的智能控制系統(tǒng)：人作為控制器的控制系統(tǒng)、人機結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)、無人參與的自主控制系統(tǒng)。1977年Saridis出版了《隨機系統(tǒng)的自組織控制》，引入了運籌學提出了三元論的智能控制概念1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術(shù)討論會三、智能控制的主要方法1.專家系統(tǒng)和專家控制一般的專家控制系統(tǒng)由三部分組成：（1）控制機制，它決定控制過程的策略，即控制哪一個規(guī)則被激活、什么時候被激活等。（2）推理機制，它實現(xiàn)知識之間的邏輯推理以及與知識庫的匹配。（3）知識庫，包括事實、判斷、規(guī)則、經(jīng)驗以及數(shù)學模型.2.模糊控制模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗而不是依賴控制對象模型，因此模糊控制器實現(xiàn)了人的某些智能。模糊控制的三個基本組成部分：模糊化、模糊決策、精確化計算。3.神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)元控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式,從本質(zhì)上看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴模型的自適應(yīng)函數(shù)估計器。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中所起的作用可大致分為四大類（1）在基于模型的各種控制結(jié)構(gòu)中充當對象的模型；（2充當控制器；（3）在控制系統(tǒng)中起優(yōu)化計算的作用；（4）與其它智能控制如專家系統(tǒng)、模糊控制相結(jié)合為其提供非參數(shù)化對象模型、推理模型等4.學習控制它通過重復各種輸入信號，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對特定輸入具有特定響應(yīng)。學習控制根據(jù)系統(tǒng)工作對象的不同可分為兩大類（1）對具有可重復性的被控對象利用控制系統(tǒng)的先前經(jīng)驗，尋求一個理想的控制輸入。而這個尋求的過程就是對被控對象反復訓練的過程。這種學習控制又稱為迭代學習控制。（2）自學習控制系統(tǒng)。它不要求被控過程必須是重復性的。它能通過在線實時學習，自動獲取知識，并將所學的知識用來不斷地改善具有未知特征過程的控制性能。四、智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理智能系統(tǒng)是指具備一定智能行為的系統(tǒng)。具體地說，若對于一個問題的激勵輸入，系統(tǒng)具備一定的智能行為，它能夠產(chǎn)生合適的求解問題的響應(yīng)，這樣的系統(tǒng)就稱為智能系統(tǒng)。典型的原理結(jié)構(gòu)可由六部分組成：執(zhí)行器、傳感器、感知信息處理、規(guī)劃與控制、認知、通訊交互接口，智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

四、智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理智能系統(tǒng)是指具備一定智能行為的系統(tǒng)。具體地說，若對于一個問題的激勵輸入，系統(tǒng)具備一定的智能行為，它能夠產(chǎn)生合適的求解問題的響應(yīng)，這樣的系統(tǒng)就稱為智能系統(tǒng)。典型的原理結(jié)構(gòu)可由六部分組成：執(zhí)行器、傳感器、感知信息處理、規(guī)劃與控制、認知、通訊交互接口，智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳感技術(shù)2

第二節(jié)

一、傳感器概述1.傳感器的組成傳感器的組成框圖如圖4-3所示1）敏感元件：直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。2）轉(zhuǎn)換元件：以敏感元件的輸出為輸入，把輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。3）接口電路：上述電路參數(shù)接入接口電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。

2、傳感器的分類（1）按工作原理分類1）物理傳感器2）化學傳感器3）生物傳感器（2）按輸入信息分類

3、自動測控系統(tǒng)1）開環(huán)自動測控系統(tǒng)

2）閉環(huán)自動測控系統(tǒng)

二、溫度傳感器溫度傳感器，通常是由感溫元件部分和溫度顯示部分組成，如圖4-6所示。1.熱電偶傳感器兩種不同材料的導體組成一個閉合回路時，若兩接點溫度不同，則在該回路中會產(chǎn)生電動勢，該電動勢稱為熱電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

2.熱電阻傳感器溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)3.熱敏電阻熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的半導體傳感器。它的溫度系數(shù)很大，適用于測量微小的溫度變化。熱敏電阻體積小、熱容量小、響應(yīng)速度快，能在空隙和狹縫中測量。

4.溫度傳感器的典型應(yīng)用（1）溫度顯示器與溫度控制箱（2）熱敏電阻體溫計、電熱水器溫度控制和CPU溫度測量

三、力傳感器及霍爾傳感器力傳感器組成1.電阻式傳感器把位移、力、壓力、加速度、扭矩等非電物理量轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。

電阻式傳感器應(yīng)用舉例（1）汽車衡稱重系統(tǒng)

（2）超市打印秤和吊鉤秤2.電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換

３.電容傳感器電容傳感器的基本理想公式如下式，改變A、d、三個參量中的任意一個量，均可使平板電容的電容量C改變。固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器即變面積式電容傳感器、變極距式電容傳感器、變介電常數(shù)式電容傳感器。電容器式傳感器應(yīng)用舉例

４.壓電傳感器當晶體帶電或處于電場中時，晶體的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)或逆壓電效應(yīng)壓電傳感器的典型應(yīng)用舉例

５.霍爾傳感器在置于磁場中的導體或半導體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅鞣譃橄旅鎺最悾ǎ保┗魻栭_關(guān)集成傳感器（２）霍爾線性集成傳感器霍爾傳感器的典型典型應(yīng)用舉例

四.光電傳感器光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射常用光電傳感器有如下幾類１.紅外線傳感器紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外光傳感器的應(yīng)用

２.光固體圖像傳感器CCD全稱電荷耦合器件，它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。CCD的典型應(yīng)用

五、位置傳感器1.光柵傳感器計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵光柵的外形及在數(shù)控機床中的應(yīng)用

數(shù)控機床位置控制框圖

2.磁柵磁柵可分為長磁柵和圓磁柵。長磁柵主要用于直線位移測量，圓磁柵主要用于角位移測量磁柵外形圖磁柵傳感器的應(yīng)用1）可以作為高精度的測量長度和角度的測量儀器2）可以用于自動化控制系統(tǒng)中的檢測元件（線位移）。

3.碼盤式傳感器將機械轉(zhuǎn)動的模擬量（位移）轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號，這類傳感器稱為編碼器。CCD全稱電荷耦合器件，它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。碼盤按結(jié)構(gòu)可以分為接觸式、電磁式和光電式三種，后兩種為非接觸式測量

（1）增量式編碼器增量式編碼器結(jié)構(gòu)示意圖（2）絕對式碼盤絕對式碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖

編碼器的典型應(yīng)用

六、智能傳感器智能傳感器（intelligentsensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一