1、电气与信息工程学院电气与信息工程学院第第1414讲讲 信息执行信息执行2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论214.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念一般来说，自动化技术是指使机器、设备、过程或系统无需人的一般来说，自动化技术是指使机器、设备、过程或系统无需人的控制而自动操作、并使其表现出人们所期望的预定行为的技术。控制而自动操作、并使其表现出人们所期望的预定行为的技术。在我国东汉时期出现了记里鼓车在我国东汉时期出现了记里鼓车,每行驶一里路，木人自动击鼓每行驶一里路，木人自动击鼓一次，它是我国自动化技术的先驱。在我国魏晋时期，马钧研制一次，它是我
2、国自动化技术的先驱。在我国魏晋时期，马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。出用齿轮传动的自动指示方向的指南车。东汉末年的记里鼓车 公元公元235235年马钧研制的指南车年马钧研制的指南车 2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论314.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念到了近代自动控制技术得到快速发展。到了近代自动控制技术得到快速发展。1788年，蒸汽机的发明人年，蒸汽机的发明人瓦特发明了用于控制蒸汽机速度的离心式调速器。瓦特发明了用于控制蒸汽机速度的离心式调速器。1868年年,以离心以离心式调速器为背景式调速器为背景,物理学家麦克斯韦尔物理
3、学家麦克斯韦尔(Maxwell)研究了反馈系统的研究了反馈系统的稳定性问题稳定性问题,发表了控制理论最早成果的论文发表了控制理论最早成果的论文“论调速器论调速器(On Governors)”。随后。随后,源自物理学与数学的自动控制理论开始逐步形成。源自物理学与数学的自动控制理论开始逐步形成。17881788年瓦特发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器年瓦特发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论414.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念自动化技术的核心是控制，而控制是以预期目标为引导，研究如自动化技术的核心是控制，而控
4、制是以预期目标为引导，研究如何将对象所呈现的信息加工成为控制策略作用于对象，实现其自何将对象所呈现的信息加工成为控制策略作用于对象，实现其自动化行为。由此可见，控制将信息转换成为控制行为。动化行为。由此可见，控制将信息转换成为控制行为。那么控制是如何将信息转换为控制行为的呢？我们首先看看人是那么控制是如何将信息转换为控制行为的呢？我们首先看看人是如何利用信息来控制其操纵的设备的。由图可见，人调节水温的如何利用信息来控制其操纵的设备的。由图可见，人调节水温的关键因素是实际水温信息能被反馈回来，并与期望水温比较。如关键因素是实际水温信息能被反馈回来，并与期望水温比较。如人不能感受实际水温，则无法调
5、节水温。因此，反馈是人实施控人不能感受实际水温，则无法调节水温。因此，反馈是人实施控制的关键因素。制的关键因素。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论514.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念再举一个鹰捉兔子的例子。从控制角度看，鹰眼是测量机构，鹰再举一个鹰捉兔子的例子。从控制角度看，鹰眼是测量机构，鹰脑是控制机构、鹰的翅膀是驱功机构脑是控制机构、鹰的翅膀是驱功机构(执行机构执行机构)，鹰的身体是被，鹰的身体是被控对象，控制目标是鹰与兔子的位置一致。鹰眼得到兔子的位置控对象，控制目标是鹰与兔子的位置一致。鹰眼得到兔子的位置信息，鹰脑将这一位置信息
6、与自己位置比较，获得位置偏差，再信息，鹰脑将这一位置信息与自己位置比较，获得位置偏差，再根据这个偏差信号向鹰翅膀发出指令，控制自己的身体向兔子接根据这个偏差信号向鹰翅膀发出指令，控制自己的身体向兔子接近来减少位置偏差，经过多次这样的闭环调节过程，最终捉住兔近来减少位置偏差，经过多次这样的闭环调节过程，最终捉住兔子。子。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论614.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念典型控制系统结构如图所示，其基本组成如下：典型控制系统结构如图所示，其基本组成如下：（1 1）被控对象（）被控对象（PlantsPlants）：是控制系
7、统所控制和操纵的对象。）：是控制系统所控制和操纵的对象。（2 2）执行机构（）执行机构（ActuatorActuator）：根据控制器输出信号的大小和方向对）：根据控制器输出信号的大小和方向对被控对象直接操作，使被控对象的状态按要求发生变化。被控对象直接操作，使被控对象的状态按要求发生变化。（3 3）传感器（）传感器（SensorSensor）：用来检测被控对象的输出，将被控量转换）：用来检测被控对象的输出，将被控量转换为与输入信号相同形式的信号，以便与输入信号相比较。为与输入信号相同形式的信号，以便与输入信号相比较。（4 4）控制器（）控制器（ControllerController）：将传
8、感器获得的反馈信号和输入信号）：将传感器获得的反馈信号和输入信号的偏差作为输入信号，采用一定的控制规律对输入信号进行加工处的偏差作为输入信号，采用一定的控制规律对输入信号进行加工处理，来产生控制信号作为输出。理，来产生控制信号作为输出。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论714.1 14.1 控制的基本概念控制的基本概念仿模铣床根据给定模具来加工工件，使工件与模具形状一致。触仿模铣床根据给定模具来加工工件，使工件与模具形状一致。触指用来获得控制（给定）信号。铣刀可获得反馈信号，反馈信号指用来获得控制（给定）信号。铣刀可获得反馈信号，反馈信号反映工件实际
9、加工情况。控制目的是消除控制信号和反馈信号的反映工件实际加工情况。控制目的是消除控制信号和反馈信号的偏差，使得工件与模型形状完全一致。差动轮来检测控制信号和偏差，使得工件与模型形状完全一致。差动轮来检测控制信号和反馈信号的偏差，这一偏差信号被转换为电信号，经放大处理后，反馈信号的偏差，这一偏差信号被转换为电信号，经放大处理后，驱动电机来控制刀架以消除偏差信号。驱动电机来控制刀架以消除偏差信号。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论814.2 14.2 由信息到行为的转换机制由信息到行为的转换机制控制的研究对象不是物质、也不是能量、而是信息。自动控制系统控
10、制的研究对象不是物质、也不是能量、而是信息。自动控制系统是一个使被控对象按照人的意志来自动运行的系统，它按照某种控是一个使被控对象按照人的意志来自动运行的系统，它按照某种控制规律将被控对象呈现的信息转换为施加于被控对象的控制行为。制规律将被控对象呈现的信息转换为施加于被控对象的控制行为。控制器将误差信息转换为控制行为的指令，执行机构再根据这一指控制器将误差信息转换为控制行为的指令，执行机构再根据这一指令产生控制行为作用于被控对象，使被控对象出现人们预期的行为。令产生控制行为作用于被控对象，使被控对象出现人们预期的行为。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导
11、论914.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（1 1）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制）控制系统中如果存在较大惯性元件或滞后元件，自动控制系统在克控制系统中如果存在较大惯性元件或滞后元件，自动控制系统在克服误差调节过程中可能出现振荡。一个很自然的考虑是：使控制作服误差调节过程中可能出现振荡。一个很自然的考虑是：使控制作用的变化超前，即在误差接近零时，控制作用就应该为零。为了达用的变化超前，即在误差接近零时，控制作用就应该为零。为了达到这个目的，控制器仅仅将误差进行简单的到这个目的，控制器仅仅将误差进行简单的“比例比例”放大是不够的，放大是不够的，还应加入能够预测
12、误差变化趋势的还应加入能够预测误差变化趋势的“微分微分”作用。作用。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1014.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（1 1）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制）自动控制系统面临的另一个问题是：被控量（系统输出）能否较精自动控制系统面临的另一个问题是：被控量（系统输出）能否较精确地稳定在所要求的给定值？如果不能，这个控制系统就称为有稳确地稳定在所要求的给定值？如果不能，这个控制系统就称为有稳态误差或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中要引入态误差或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制
13、器中要引入“积分积分”项，它对误差取关于时间的积分。项，它对误差取关于时间的积分。由于由于PIDPID控制器的控制效果好，实现简单，调整方便，在工业过程控控制器的控制效果好，实现简单，调整方便，在工业过程控制中应用非常广泛。在实际生产中，往往采用电阻、电容和电子放制中应用非常广泛。在实际生产中，往往采用电阻、电容和电子放大器组成比例积分微分电路，实现大器组成比例积分微分电路，实现PIDPID控制器功能。控制器功能。dteTdtdeTeKuid12电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1114.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（2）最优控制）最优控制对
14、于非常复杂的被控对象，例如电动机拖动控制，航天飞行器的控对于非常复杂的被控对象，例如电动机拖动控制，航天飞行器的控制等，这类控制系统对性能指标要求较高，制等，这类控制系统对性能指标要求较高，PID控制器就很难达到控制器就很难达到技术要求。技术要求。电机拖动控制希望大型电机的启动、反转或制动所需时间越短越好；电机拖动控制希望大型电机的启动、反转或制动所需时间越短越好；对于航天飞行器则希望飞行所消耗的燃料越少越好。这类控制系统对于航天飞行器则希望飞行所消耗的燃料越少越好。这类控制系统都有一定的技术指标，但与都有一定的技术指标，但与PID控制不同的是：控制器要使某个技控制不同的是：控制器要使某个技术
15、指标达到极值（极大或极小），这样的控制称为最优控制。最优术指标达到极值（极大或极小），这样的控制称为最优控制。最优控制研究的中心问题是：在给定限定条件和性能指标下（评价函数控制研究的中心问题是：在给定限定条件和性能指标下（评价函数或目标函数），去寻求适当的控制规律，使得系统性能或品质的某或目标函数），去寻求适当的控制规律，使得系统性能或品质的某个个“指标指标”在一定意义下达到最优值。在一定意义下达到最优值。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1214.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（3 3）自适应控制）自适应控制在工程实际中，由于受到无法测量的
16、外来扰动的影响，很难获得被在工程实际中，由于受到无法测量的外来扰动的影响，很难获得被控对象的准确数学模型，因此常常采用被控对象的近似模型。当实控对象的准确数学模型，因此常常采用被控对象的近似模型。当实际被控对象面临较大扰动时，这样设计的控制器的控制效果将变差，际被控对象面临较大扰动时，这样设计的控制器的控制效果将变差，甚至不稳定。甚至不稳定。自适应控制可以根据实际被控对象的变化，自动调整控制器，以使自适应控制可以根据实际被控对象的变化，自动调整控制器，以使得控制系统的性能维持在最优状态。其基本思想是：实时、在线地得控制系统的性能维持在最优状态。其基本思想是：实时、在线地获得被控对象数学模型变化
17、，再根据模型变化来改变控制器的参数，获得被控对象数学模型变化，再根据模型变化来改变控制器的参数，达到保持控制系统性能的目的。达到保持控制系统性能的目的。目前成熟的自适应控制方法主要有两种：目前成熟的自适应控制方法主要有两种：（1 1）模型参考自适应控制：由参考模型、被控对象、反馈控制器）模型参考自适应控制：由参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成。和调整控制器参数的自适应机构等部分组成。（2 2）自校正控制：由被控对象、参数估计器、控制器和控制器设）自校正控制：由被控对象、参数估计器、控制器和控制器设计计算等部分组成。参数估计和控制器设计必须在线、实时实现。计计算
18、等部分组成。参数估计和控制器设计必须在线、实时实现。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1314.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（3）自适应控制）自适应控制自校正控制的原理如图所示。参数估计器实时、在线估计被控对自校正控制的原理如图所示。参数估计器实时、在线估计被控对象参数变化，然后根据被控对象参数来进行控制器设计、调整控象参数变化，然后根据被控对象参数来进行控制器设计、调整控制器参数。这样，当被控对象参数变化时，控制系统能够检测这制器参数。这样，当被控对象参数变化时，控制系统能够检测这一变化并据此调节控制器，以保持控制系统的性能品质。一变化并
19、据此调节控制器，以保持控制系统的性能品质。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1414.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（4）智能控制）智能控制最优控制器和自适应控制器都是基于被控对象的数学模型来设计的。最优控制器和自适应控制器都是基于被控对象的数学模型来设计的。实际被控对象往往很复杂，并且存在外界不确定扰动，这样的被控实际被控对象往往很复杂，并且存在外界不确定扰动，这样的被控对象难以建立数学模型，很难用常规控制器的设计，并且控制效果对象难以建立数学模型，很难用常规控制器的设计，并且控制效果也不一定理想。然而，对于某些复杂被控对象，例如，将汽车停
20、在也不一定理想。然而，对于某些复杂被控对象，例如，将汽车停在指定的车位，人却可以轻而易举的做到，而要设计这样的自动控制指定的车位，人却可以轻而易举的做到，而要设计这样的自动控制系统则非常复杂。系统则非常复杂。人在控制过程中，无需建立被控对象的数学模型，而是凭着经验对人在控制过程中，无需建立被控对象的数学模型，而是凭着经验对复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。智能控制就是借助人工复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。智能控制就是借助人工智能方法来模拟人的控制方式进行控制的。根据所采用的人工智能智能方法来模拟人的控制方式进行控制的。根据所采用的人工智能方法，智能控制可分为模糊控制、神经控制、专家
21、系统控制等等。方法，智能控制可分为模糊控制、神经控制、专家系统控制等等。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1514.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（4）智能控制）智能控制模糊控制模糊控制70年代中期以年代中期以E.H.Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，标致着模糊控制的正式诞生。模糊控制的基本思想是把人类对念，标致着模糊控制的正式诞生。模糊控制的基本思想是把人类对特定对象或过程的控制策略总结成一系列特定对象或过程的控制策略总结成一系列“IF(如果如果)，THEN(那么那么)”形式的控制规则，通
22、过模糊推理得到控制策略，作用于被控对象。形式的控制规则，通过模糊推理得到控制策略，作用于被控对象。如，当人感受到水温时，人利用头脑中的知识和当前水温进行推理如，当人感受到水温时，人利用头脑中的知识和当前水温进行推理判断，产生控制策略来调节阀门方向和开度。模糊控制器利用模糊判断，产生控制策略来调节阀门方向和开度。模糊控制器利用模糊规则产生决策行为的情况与此类似。对于给定温度偏差的实际值，规则产生决策行为的情况与此类似。对于给定温度偏差的实际值，首先将其模糊化，转换为温度偏差的模糊值；然后，利用这一模糊首先将其模糊化，转换为温度偏差的模糊值；然后，利用这一模糊值和模糊控制规则进行模糊推理，产生一个
23、阀门开度的模糊值；最值和模糊控制规则进行模糊推理，产生一个阀门开度的模糊值；最后，将阀门开度的模糊值进行清晰化处理，获得阀门开度的实际值后，将阀门开度的模糊值进行清晰化处理，获得阀门开度的实际值作为控制决策。作为控制决策。2电气与信息工程学院电气与信息工程学院信息执行信息执行信息科学导论信息科学导论1614.3 14.3 基本控制方法基本控制方法（4）智能控制）智能控制神经控制神经控制 神经网络具有学习的能力，可通过反向传播学习算法调节神经网络神经网络具有学习的能力，可通过反向传播学习算法调节神经网络的联结权值，使其逼近任意非线性函数。利用神经网络的这一特点，的联结权值，使其逼近任意非线性函数。利用神经网络的这一特点，可用神经网络作为被控对象的前馈控制器。这种控制方法的思想为：可用神经网络作为被控对象的前馈控制器。这种控制方法的思想为：如果神经网络充分逼近被控对象的逆动力学特性，则输入值与输出如果神经网络充分逼近被控对象的逆动力学特性，则输入值与输出值的偏差为值的偏差为0，从而达到控制的目的。，从而达到控制的目的。
