控制科学与工程.ppt
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1、控制科学与工程,2009/2010学年电子信息技术导论系列讲座专题,王国利 http:/human-,信息科学与技术学院 中山大学 2009年11月,提 要,一、自动控制技术的广泛应用 二、控制科学与信息技术 三、控制科学的发展趋势 四、自动控制系统的控制方式 五、自动控制系统的分类 七、智能控制简介 八、钱学森与控制论,自动控制技术的广泛应用,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。,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。,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用了
2、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近而自动调整。,无规矩,不成方圆!自动控制无处不在!,自动控制技术的广泛应用(续),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。,航空、航海、汽车和铁路运输离不开自动控制技术和系统。,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。,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。,自动控制已形成
3、“控制科学”的综合性学科。,自动控制技术的广泛应用(续),全自动柔性喷涂机器人,巡航导弹,控制计算机 电机/驱动器 光码盘 总线 机器人手臂,GPS接收系统 惯性导航系统 数字化地图 取景相机,自动控制技术的广泛应用(续),先进控制系统的应用领域,控制科学与信息技术,控制的定义: 为了“改善”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的调节、操纵、管理、指挥、监督的过程和作用,就叫作控制。,控制的基础是信息,1948 年诺伯特维纳发表论著控制论(Cybernetics) 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控制科学。,整个控制过程是一个
4、信息流通的过程,控制是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。,结论:控制与信息技术密不可分。,控制科学与信息技术(续),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,都可以看作是一个自动控制系统。,控制系统的通用模型,控制过程=信息传输和处理的过程,控制科学与信息技术(续),反馈通道的作用,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,使系统能自动按照人们预定的程序、参数运行,并最终达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性能及稳定性。,控制科学的萌芽,自动控制的概念在18世纪瓦特己用于蒸汽机
5、中,但未形成系统的理论。,控制科学与信息技术(续),控制科学的里程碑,1932年奈魁斯特(H.Nyquist)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。控制技术在工业生产中得到了广泛的应用。50年代在空间技术发展的推动下,控制理论得到了大发展。60年代随着计算机技术的发展,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控制科学。,控制科学:是自动控制、计算机科学、通信技
6、术、数理逻辑、神经生理学、统计力学和行为科学多种科学技术相互渗透形成的一门交叉、综合性学科。,控制科学与信息技术(续),控制科学与工程的主要理论技术,自动控制原理,传感器与检测技术,测控技术与系统,过程控制与系统,控制科学与工程,相关学科,系统辨识,最优控制,与工业信息化建设的关系,1、产品生产过程信息化: 决策支持系统 、计算机辅助设计、专家系统 、检验、测试、质量控制系统等。 2、生产信息化: 计算机集成制造系统、计算机辅助制造系统、柔性制造系统、复杂工业过程控制系统等。 3、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。,控制科学与信息技术(续),控制科学与计算机科学与
7、技术、信息与通信工程相结合,正在推动国家的工业信息化建设向前发展!,20世纪40年代用经典控制理论解决火炮控制鱼雷导航飞机导航等技术问题逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。,经典控制理论,现代控制理论,大系统控制理论,控制科学的发展及应用,控制科学的发展历程,50年代末到60年代初工程实践尤其是航天技术的发展涉及多输入多输出系统的最优控制问题用经典的控制理论已难于解决于是产生了以极大值原理动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论 。,20世纪70年代始,控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展,使控制
8、系统显现出规模庞大,结构复杂,因素众多,功能综合的特点,从而控制论也向大系统理论发展。,控制科学的发展及应用(续),控制科学研究的领域,自动控制系统的控制方式,控制类型,开环控制,自动控制系统的控制方式(续),开环控制的特点是控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向作用的连接方式,即系统的输出量对输入量没有影响。,开环控制系统框图,自动控制系统的控制方式(续),闭环控制,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。 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。 若
9、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。,自动控制系统的控制方式(续),直流电机闭环调速系统,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。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。,自动控制系统的控制方式(续),控制类型比较,开环控制,精度较低, 结构简单,容易分析, 便于设计。,控制类型比较,两类系统各有特点,自动控制系统的分类,自动控制系统的分类,按参数特性分类,自动控制系统的分类(续),按控制类型分类,控制
10、类型,自动控制系统的分类(续),自动控制系统的分类方法种类繁多、错综复杂,大系统尤其如此。 按照不同标准和应用可以分成不同的类型 。,智能控制简介,传统控制方法面临的挑战,1、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; 2、控制对象具有高度的非线性特征和多输入多输出耦合; 3、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 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,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、柔性的控
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