控制科学与工程课件.ppt

1、日常生活中的自动日常生活中的自动控制技术应用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。自动自动控制技术广泛用于工业、国防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过

5、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，并最终达到

6、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，机中，但未形成系统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到

7、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，从而控制

8、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、复杂

9、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

10、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；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 直流电机速度的直流电机速度的闭

11、环控制闭环控制说明：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

12、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、控制对象具有高度的非线性特征和多输入多输出耦合；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

13、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

14、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

15、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。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

16、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

17、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与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系结构，系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、综通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等几部分组释机制和人机接口等几部分组成。随专家系统的类型、功能成。随专家系统的类型、功能和规模的不同，专家系统的体和规模的不同，专家系统的体系结构而有所差异。系结构而有所差异。3 3、：根据对症状

18、的观察分析，推导出产生症状的原因：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。以及排除故障方法的一类系统，如医疗、机械、经济等。：根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系：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。统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。：根据现状预测未来的一类系统，如气象预报、：根据现状预测未来的一类系统，如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。人口预测、水文预报、经济形势预测等。：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建 筑设计

19、、机械产品设计等。筑设计、机械产品设计等。：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系 统。统。专家系统的优良性能包括下列几个方面：专家系统的优良性能包括下列几个方面：(1)(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速地进行工作。专家系统能够高效率、准确、周到、迅速地进行工作。(2)(2)专家系统不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。专家系统不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。(3)(3)可以使专家的专长不受时间和空间的限制。可以使专家的专长不受时间和空间的限制。(4)(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。专家系统使各领域专家的专业知

20、识和经验得到总结和精炼。4 4、专家系统的优点、专家系统的优点：用于制定行动规划的一类专家系统，如自动程序设：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。计、军事计划的制定等。：对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类：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。专家系统，如机场、仓库监视，森林监测等。：对失灵的对象给出处理意见和方法。调试专家系统：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

21、量。设备、调整、测量。专家系统专家系统的发展的发展 使专家系统使专家系统具有学习的能力具有学习的能力具有处理具有处理常识的能力常识的能力获取与更新获取与更新知识的能力知识的能力分布式分布式专家系统专家系统发展不同层次发展不同层次解释的能力解释的能力深层的推深层的推理能力理能力专家系统发展的总趋势是进一步提高智能：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；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；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。知识库有规划、分

22、类、结构模式及行为模式的动态知识表述。模式识别模式识别生物神经元生物神经元人工神经元人工神经元神经元输入神经元输入输出1 1、神经元、神经元每个神元经细胞都每个神元经细胞都长着一根像电线一长着一根像电线一样的称为轴突样的称为轴突(axon)(axon)，用来将信，用来将信号传递给其他的神号传递给其他的神经细胞。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。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。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

23、神经元和链接层面。隐藏层：是输入层和输出层之间神经元和链接层面。2 2、人工神经网络、人工神经网络人工神经网络是一种应用类人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。构进行信息处理的数学模型。通常为多层网络。通常为多层网络。网络通过训练样本的训练、校正，对各个层的权重进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。通而不同。3 3、人

24、工神经网络的学习（训练）、人工神经网络的学习（训练）神经网络学习系统框图神经网络学习系统框图 神经网络模型以神经元的数学模型为基础，它有自学习、自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：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。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。分布存储及学习能力。4能充分逼近复杂的非线性关系。能充分

25、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。制；显然这是一种十分振奋人心的智能技术和方法。4 4、人工神经网络的优点、人工神经网络的优点

26、 中国载人航天工程是中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、模最大、系统组成最复杂、技术难度和安全可靠性要技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点求最高的跨世纪国家重点工程，包括：航天员、空工程，包括：航天员、空间应用、载人飞船、运载间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、火箭、发射场、测控通信、着陆场、空间实验室等八着陆场、空间实验室等八大系统组成。大系统组成。在工程实施方面主要在工程实施方面主要又包括：卫星、神舟载人又包括：卫星、神舟载人飞船和嫦娥探月三大系统。飞船和嫦娥探月三大系统。载人航天载人航天 卫星测控卫星测控地面测控站地面测

27、控站我国已建成了比较完整的陆我国已建成了比较完整的陆海基测控网，能完成从近地海基测控网，能完成从近地轨道卫星到地球同步卫星的轨道卫星到地球同步卫星的测控任务。我国的测控技术测控任务。我国的测控技术的某些方面己处于国际先进的某些方面己处于国际先进水平。水平。测控是工程控制科学与通信测控是工程控制科学与通信技术结合的一体化工程，其技术结合的一体化工程，其特点有：特点有：1 1）多任务测控；）多任务测控；2)2)深空跟踪；深空跟踪；3 3）卫星测控设备；）卫星测控设备；4 4）测控和通信。）测控和通信。钱学森在控制论科学领域的钱学森在控制论科学领域的 开创性成就开创性成就“工程控制论工程控制论”19

28、80年前后摄年前后摄2019年感动中国年度人物年感动中国年度人物钱学森钱学森（1911.12.11-2009.10.311911.12.11-2009.10.31）应用）应用力学、航天技术和系统工程科学家。力学、航天技术和系统工程科学家。19551955年回国。早年在应用力学和火箭、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。独立研究以及和冯作。独立研究以及和冯.卡门合作研究提卡门合作研究提出的许多理论，为应用力学、航空工程出的许多理论，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、中国工了重大贡献。中国科学院院士、中国工程院院士。程院院士。20192019年评为感动中国人物。年评为感动中国人物。