自動(dòng)化學(xué)科概論第4章

1、 隨著現(xiàn)代科學(xué)(特別是數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué))和技術(shù)(特別 是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù))的發(fā)展，自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù) 在過去的幾十年中也發(fā)生了翻天覆地的變化，控制技術(shù) 和控制設(shè)備日新月異，控制理論也有長(zhǎng)足的發(fā)展。 面向復(fù)雜系統(tǒng)的控制是自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的動(dòng) 力，計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速進(jìn)步是自動(dòng)化科學(xué)與技 術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大支持。為了解決越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)控制問 題，系統(tǒng)科學(xué)和控制工程的研究者們通過不懈的工作， 不斷地豐富了自動(dòng)控制理論和自動(dòng)化技術(shù)，形成了現(xiàn)代 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的許多不同分支。 本章扼要介紹先進(jìn)的、深?yuàn)W的自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)， 這些知識(shí)絕大多數(shù)已超出本科生學(xué)習(xí)范圍（屬于研究生 學(xué)習(xí)的內(nèi)容）,供同學(xué)們拓

2、展自動(dòng)化知識(shí)或今后學(xué)習(xí)其中 某一方面的內(nèi)容時(shí)參考。 4.1 復(fù)雜系統(tǒng)及其控制 4.2 大系統(tǒng)控制 4.3 集成自動(dòng)化系統(tǒng) 4.4 自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)的最新發(fā)展 4.1.1 復(fù)雜系統(tǒng)及控制的困難 4.1.2 先進(jìn)控制技術(shù) 4.1.3 智能控制 第第4 4章章 現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù) 自動(dòng)化科學(xué)和技術(shù)所面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜 的系統(tǒng)，其復(fù)雜性具體表現(xiàn)為： 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 系統(tǒng)模型的不確定性 強(qiáng)烈的非線性 變量過多、維數(shù)太大 二、系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性 三、系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性 一、自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)辨識(shí)與控制技術(shù) 的結(jié)合，通常有自校正控制系統(tǒng)、模型參考自 適應(yīng)控制系統(tǒng)兩種類型

3、。 自校正控制系統(tǒng) 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng) 二、魯棒控制 魯棒控制是針對(duì)被控對(duì)象不確定性的一種 控制方法。 三、容錯(cuò)控制 容錯(cuò)控制指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)施必要 的決策和控制，使系統(tǒng)仍然保持穩(wěn)定運(yùn)行，并 具有可以接受的性能指標(biāo)。 容錯(cuò)控制當(dāng)前主要有硬件冗余和解析冗余 兩種方法。 智能控制是一種應(yīng)用擬人化的思維方式和決 策方法實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象有效控制的技術(shù)。 模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控 制是比較成熟并且應(yīng)用最廣的三個(gè)分支。 一、模糊邏輯控制 模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，它用模糊 控制器替代了傳統(tǒng)的控制器，模糊控制器由知 識(shí)庫(kù)、模糊化處理、模糊推理、精確化處理四 部分組成。 二、人工神經(jīng)網(wǎng)

4、絡(luò)控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network， 即ANN）模擬大腦神經(jīng)元之間的連接，實(shí)現(xiàn)信息 處理、存儲(chǔ)等功能。一個(gè)簡(jiǎn)單的人工神經(jīng)元模型， 它的輸入（ ）和輸出（ ）關(guān)系可以描述為 1 xxn y 1 n i i i yfwx 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量人工神經(jīng)元互連 而成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)神經(jīng)元是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 它接受多個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)，并將自己的輸 出連接至其它節(jié)點(diǎn)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制 系統(tǒng)在原有反饋控 制的基礎(chǔ)上增加人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制器的前 饋控制。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂?系統(tǒng)中NNM為被控對(duì) 象的模型，用于充分逼近被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性， 而NNC（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器）為對(duì)象的

5、逆模型。 三、專家控制 專家系統(tǒng)是人工智能的重要內(nèi)容，它主 要是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，內(nèi)部包含某 個(gè)領(lǐng)域的專家水平的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，并利用來(lái) 處理該領(lǐng)域的問題。專家系統(tǒng)通常由知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù) 和推理機(jī)推理機(jī)兩部分組成。 專家控制系統(tǒng) 是應(yīng)用專家系統(tǒng)于自動(dòng) 控制的理想形式，它把自動(dòng)控制系統(tǒng)視為基于 知識(shí)的系統(tǒng)，并把有關(guān)控制的知識(shí)分類組織， 形成數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。 專家控制器 直接用專家系統(tǒng)作為傳統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)的控制器，使控制器具有智能。 4.2.1 大系統(tǒng)及其控制 4.2.2 系統(tǒng)工程及應(yīng)用 第第4 4章章 現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù) 一、大系統(tǒng)的概念 給大系統(tǒng)下定義困難，具體界定也困難

6、。 認(rèn)識(shí)一個(gè)大系統(tǒng)，只能從它所具有的特征出 發(fā)。通常，一個(gè)大系統(tǒng)應(yīng)該具有如下基本特 征： 由一些子系統(tǒng)組成，規(guī)模龐大； 子系統(tǒng)間縱橫交錯(cuò)，關(guān)系復(fù)雜； 整個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)多樣，功能綜合； 系統(tǒng)與環(huán)境有物質(zhì)、能量、信息的交換，且往 往數(shù)量較大； 具有非線性特性和繁殖、擴(kuò)展能力； 往往是有人參與的系統(tǒng)，人為因素影響大。 二、大系統(tǒng)的控制 “化大為小，化整為零” 1.集中控制 2. 分散控制 3.分解協(xié)調(diào) (1)分級(jí)遞階控制 (2)分層 (3)分段控制 一、系統(tǒng)工程的概念 系統(tǒng)工程是一門關(guān)于組織管理的技術(shù)。對(duì) 被控過程實(shí)行有效的“控制”，其含義相當(dāng) 于將傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)廣義化。 認(rèn)為它包含了 如下幾方面的意思

7、： (1)它面對(duì)的是一個(gè)龐大而復(fù)雜的對(duì)象； (2)它要達(dá)到的目標(biāo)是系統(tǒng)的綜合最優(yōu)； (3)它根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，把自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)中 的某些思想、理論、方法、策略和手段等有機(jī)地結(jié) 合起來(lái)，應(yīng)用于人們的科研、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活 動(dòng)； (4)它應(yīng)用數(shù)學(xué)方法和電子計(jì)算機(jī)等工具，并有人 的參與。 二、系統(tǒng)建立和系統(tǒng)分析 要建造一個(gè)系統(tǒng)，通常 要經(jīng)過五個(gè)階段。 系統(tǒng)規(guī)劃階段 系統(tǒng)分析階段 系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段 系統(tǒng)構(gòu)建階段 系統(tǒng)運(yùn)行階段 三、系統(tǒng)工程的應(yīng)用 (1) 工程系統(tǒng)工程 (2)(2) 軟件工程 (3) 軍事系統(tǒng)工程 (4) 社會(huì)系統(tǒng)工程 (5) 環(huán)境系統(tǒng)工程 (6) 交通系統(tǒng)工程 (7) 企業(yè)系統(tǒng)工程 4

8、.3.1 系統(tǒng)的集成和優(yōu)化 4.3.2 集成自動(dòng)化系統(tǒng) 第第4 4章章 現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù) Computer-Aided Design，即即CADCAD Computer-Aided Manufacturing，即即CAMCAM Material Requirement Planning, 即即MRPMRP Manufacturing Resources Planning, 即即MRP-MRP- Enterprise Resource Planning , 即即ERPERP 集成自動(dòng)化系統(tǒng)或綜合自動(dòng)化系統(tǒng),具有以 下特點(diǎn)： (1) 系統(tǒng)包括控制和管理兩個(gè)方面 (2) 系統(tǒng)

9、采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu) (3) 系統(tǒng)的信息集成 (4) 系統(tǒng)的功能集成 (5) 人的介入和參與 一、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System, 即CIMS)是面向制造業(yè)的集 成自動(dòng)化系統(tǒng)。 二、計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)(Computer Integrated Process System, 即CIPS) ，其中， 上面三級(jí)屬企業(yè)級(jí)，下面二級(jí)屬車間或生產(chǎn)單 元級(jí)。 二、計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（續(xù)） CIPS中信息和數(shù)據(jù)主要有三部分組成，一 部分來(lái)自生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)；第二部分 是企業(yè)內(nèi)部的管理信息；第三部分是

10、企業(yè)與外 界相聯(lián)系的信息。 4.4.1 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自動(dòng)化 4.4.2 人工智能在自動(dòng)化系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用 4.4.3 其它領(lǐng)域的自動(dòng)化 第第4 4章章 現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)現(xiàn)代自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù) 4.4.1 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自動(dòng)化 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的自動(dòng)化控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控 制系統(tǒng)。 (1) 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)。 (2) 通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、 開放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)水平上的集成。 (3) 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過公共網(wǎng)絡(luò)傳遞測(cè)量信 息和控制信號(hào)，從而構(gòu)成閉合回路。 (4) 網(wǎng)絡(luò)傳輸通?？梢暈榭煽啃圆桓叩臄?shù)據(jù) 傳輸。 人工智能在自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊 一、腦科學(xué)研究對(duì)自動(dòng)化的影響 人的智能來(lái)源于大腦的神經(jīng)系統(tǒng)，是大腦思 維活動(dòng)的結(jié)果。 人的智能活動(dòng)主要有下列幾方面的特征： 感知能力 記憶和思維能力 學(xué)習(xí)能力 行為能力 二、