智能控制系統與工程初識智能控制系統什么是控制百度漢語：1.掌握住不使任意活動或越出范圍，操縱；2.使處于自己的占有、管理或影響之下。百度釋義：掌握住對象不使任意活動或超出范圍；或使其按控制者的意愿活動。初識自動控制什么是自動控制？是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制裝置或控制器），使機器、設備或生產過程（被控對象）的某個工作狀態或參數（被控量）按照預定的規律自動運行。需要控制的對象十分寬泛，如物理系統、信息系統、認知系統、社會系統、生態系統或經濟系統等等。初識自動控制什么是自動控制理論？自動控制理論是研究自動控制共同規律的技術科學。什么是自動控制系統？能夠實現自動控制的系統，一般由控制裝置和被控對象組成。你知道哪些自動控制裝置或系統？日常生活中的自動化設備工業自動化系統農業自動化系統交通運輸自動化系統航天航空自動化系統軍用自動化系統自動控制系統自動控制系統到底是怎么工作的呢？讓我們通過一個恒溫箱溫度控制的實例來比較一下人工控制和自動控制！[動態過程]眼睛觀測恒溫箱內的溫度（被控制量）大腦與給定值比較得到溫度偏差的大小和方向，據此確定調整量手根據大腦指令調節調壓器，控制加熱電阻絲的電流以調節溫度回復到要求值。[實質]檢測偏差再糾正偏差。123[系統框圖]：1.人工控制恒溫箱【人工控制VS自動控制】2.恒溫箱自動控制系統眼睛

測量元件（熱電偶）大腦

自動控制器（比較器、放大器）肌肉、手

執行器（執行電動機）3、自動控制系統的組成我們已經了解了人工控制和自動控制之間的聯系和區別，那么接下來請同學們想想一個自動控制系統應該包含哪些環節或元件才能完成反饋控制功能呢？3、自動控制系統的組成自動控制系統要實現反饋控制的功能，至少要有三種代替人的職能的基本元件：自動控制系統一定包括被控對象和控制裝置，從控制功能角度看，控制裝置包含以下基本元件：執行元件、測量元件、控制器測量元件控制元件執行元件3、自動控制系統的組成測量元件：測量被控量的實際值，并進行物理量的變換，包括傳感器、變送器等控制元件：即控制器，提供設定值，比較測量值和設定值，獲得偏差并根據偏差產生控制信號、放大控制信號以驅動執行器，達成控制目標、改善控制性能。執行元件：根據控制信號改變操縱變量（調節閥、操作閥），作用于被控對象，減小偏差。4、自動控制系統的原理框圖這些基本元件與被控對象相連接，一起構成一個自動控制系統。下圖是典型控制系統方框圖。框圖的組成：環節、作用線、比較點（綜合點）、引出點（分叉點）自控系統的作用量輸入量又稱控制量或參考輸入量，輸入量的角標常用i（或r）。通常由給定信號電壓構成，或通過檢測元件將非電量轉化為電量。輸出量又稱被控制量或被調量，輸出量的角標常用o（或c）。它是被控對象的輸出，是自動控制的目標。反饋量反饋量的角標常用f。通過檢測元件將輸出量轉變成與給定信號性質相同且數量級相同的信號擾動量又稱干擾或噪聲，輸出量的角標常用d（或n）。它通常指引起輸出量發生變化的各種因素。分為外擾動和內擾動兩種。中間變量它是各環節之間的作用量。它是前一個環節的輸出量，也是后一個環節的輸入量。恒溫箱自動控制系統方框圖恒溫箱控制系統結構的一般形式控制器4.自動控制系統的系統框圖反饋控制原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。反饋控制的本質：檢測偏差再糾正偏差。控制器擾動5.反饋控制原理課堂練習：1.簡述水位控制系統的人工控制和自動控制的工作原理。討論：列舉出你知道的人工控制與自動控制的實例。做一做：同學們還記得恒溫箱的自動控溫系統框圖是怎么畫的嗎？動手畫一畫吧！做一做：你做對了嗎？電爐箱恒溫自控系統思考：請指出該自動控制系統的被控對象、被控量、控制裝置的各基本元件，并繪制系統框圖。電爐箱恒溫自控系統框圖被控對象：電爐被控量：爐內溫度測量元件：熱電偶執行機構：電動機給定量：參考電壓干擾量？物料溫度自動系統被控對象：加熱罐被控量：出料溫度測量元件：檢測變送器執行機構：調節閥給定量：物料溫度TC變送器控制器蒸汽進料出料檢測變送控制器調節閥加熱罐TCIqTU干擾量呢？軋鋼自動控制系統軋鋼自動控制系統框圖被控對象：軋鋼機被控量：厚度、張力測量元件：厚度傳感器、張力傳感器執行機構：電動機給定量：厚度、張力干擾量？液位控制系統液位控制系統框圖被控對象：儲液罐被控量：液位測量元件：液位測量變送器執行機構：調節閥給定量：液位數控機床加工控制過程被控對象：數控機床被控量：工作臺位置執行機構：步進電動機給定量：加工程序指令數控機床加工系統框圖練習：液位自動控制系統倉庫大門自動開閉控制系統水溫控制系統TT穩定快速準確注意：

1不同性質的控制系統，對穩定性、精確性和快速性要求各有側重。

2系統的穩定性、精確性、快速性相互制約，應根據實際需求合理選擇。對自動控制系統的基本要求7、控制系統的性能指標動態過程指系統受到外加信號（給定值或擾動）作用后，被控量隨時間變化的全過程。動態過程可以反映系統內在性能的好壞，評價系統優劣的性能指標也是從動態過程中定義出來的。穩定性是指系統動態過程的振蕩傾向及其恢復平衡狀態的能力。穩定的系統當輸出量偏離平衡狀態時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態。穩定性是控制系統正常工作的先決條件。穩定與不穩定系統的示例穩定系統(b)不穩定系統(c)小范圍穩定系統fDfCf穩定性穩定性穩定臨界穩定不穩定臨界穩定和不穩定的系統是無法正常工作的快速性快速性是通過動態過程時間長短來表征的，即從開始響應到被控量達到設定值的時間。快慢準確性輸入給定值與輸出響應的終值之間的差值定義為系統的穩態誤差。它反映了系統的穩態精度和準確性。ess:穩態誤差穩態誤差:系統的調整（過渡）過程結束而趨于穩定狀態時，系統輸出的實際值與給定量之間的差值。精確性：控制精度，以穩態誤差來衡量。tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)1.穩態性能指標最大超調量:輸出最大值與輸出穩態值的相對誤差延遲時間：輸出量達到穩態值一半所需的時間上升時間：第一次達到穩態值所對應的時間（對有振蕩系統）;輸出量從輸出穩態值的10%到90%的時間（對無振蕩系統）tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)2.動態性能指標過渡過程時間（或稱調節時間）：輸出量進入并一直保持在穩態輸出值附近的允許誤差帶內所需的時間。振蕩次數:調節時間內振蕩周期數tdtrtptsc(t)Δc(∞)D=0.02或0.05c(tp)r(∞)c(∞)e(∞)2.動態性能指標小結自動控制的基本概念反饋控制基本原理自動控制系統的基本構成對控制系統的基本要求自動控制系統的初步分析初步分析直流電動機調速系統控制方案一控制方案二初步分析直流電動機調速系統1.直流電動機調速系統控制方案一：2.直流電動機調速系統控制方案二：觸發器整流器電動機n給定電壓Ur觸發器整流器電動機n給定電壓Ur測速發電機放大器Uf-Ue自動控制系統的基本類型1.按控制方式分類：設定值Input被控對象測量元件設定值(SP)測量值(PV)閉環控制系統(有反饋)被控對象控制器實際值Output-

開環控制系統(無反饋)控制器控制信號ControlSignal

實際值開環控制VS閉環控制開環控制優點：結構簡單，成本低廉，工作穩定，當輸入信號和擾動能預先知道時，控制效果較好。缺點：不能自動修正被控制量的偏離，系統的元件參數變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大。閉環控制優點：由于引入了反饋，具有自動修正被控制量出現偏離的能力，可以修正元件參數變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高。缺點：結構復雜，使用設備多，出現了穩定性問題。2.按輸入量變化規律分類

恒值控制系統(FixedSet-PointControlSystem)系統的設定值（輸入量）是恒量，并且要求系統的輸出量相應地保持恒定。

隨動控制系統（Follow-UpControlSystem）系統的設定值隨機變化，并且要求系統的輸出量能跟隨輸入量的變化而作出相應的變化。

程序控制系統(ProgrammeControlSystem)設定值按照一定的時間函數變化，并且要求輸出量隨之變化。例如數控伺服系統以及一些自動化生產線等。R3.按系統傳輸信號分類

連續控制系統（ContinuousControlSystem）系統內各處信號都是以連續的模擬量傳遞的系統，因此它又稱為模擬控制系統。連續控制系統的運動規律通?？捎梦⒎址匠虂砻枋觥?/p>

離散控制系統(DiscreteControlSystem)系統內某處或多處信號是以脈沖序列或數碼形式傳遞的系統，又稱采樣數據控制系統。連續控制系統的運動規律通?？捎梦⒎址匠虂砻枋?。y(t)ttτ0T2T···脈沖序列討論

分析比較開環控制與閉環控制的特征、優缺點和應用場合的不同。指出下列系統中哪些屬開環控制，哪些屬閉環控制:(1)家用電冰箱(2)家用空調(3)家用洗衣機

(4)抽水馬桶(5)普通車床(6)掃地機器人(7)多速電風扇(8)智能路燈(9)調光臺燈思考自動控制系統、自動控制理論孰先孰后？自動控制的發展歷史自動控制系統、自動控制理論孰先孰后？自動控制裝置自動控制理論指南車銅壺滴漏瓦特改良蒸汽機初識人工智能初識人工智能什么是智能控制？“智能控制”術語由立昂茲等人于1967年提出，目前沒有統一定義。IEEE控制系統協會：智能控制必須具有模擬人類學習和自適應的能力。具有一定智能的控制。一般認為：人工智能融合于自動控制中促成了智能控制。智能控制是現今自動控制的最高層次。初識人工智能古希臘待者機器人公元850年，古希臘就有制造機器人幫助人們勞動的神話傳說中國三國時期諸葛亮造木牛流馬的傳說人工智能的夢想人工智能的起萌十二世紀末至十三世紀初年間，西班牙的神學家和邏輯學家Romen

Luee試圖制造能解決各種問題的通用邏輯機十七世紀法國物理學家和數學家B.Pascal制成了世界上第一臺會演算的機械加法器初識人工智能人工智能的近代思想近代人工智能是源于1956年，由Dartmouth人工智能夏季研究會提出。其目標就是讓計算機能夠象人一樣思考。人工智能的標志性事件——計算機聰明起來深藍計算機下國際象棋1997年5月，IBM公司研制的深藍（DeepBlue）計算機戰勝了國際象棋大師卡斯帕洛夫（Kasparov）初識人工智能人工智能的主要發展階段計算機時代人工智能的開端人工智能程序積累階段超越人類的臨界點現代人工智能的發展得益于計算機的發明與使用人工智能的開端Wiener及自動調溫器20世紀50年代，著名的圖靈測試誕生，并預言了人類智能與機器之間的聯系。最早人工智能原型——自動調溫器（NorbertWiener）最原始的智能理論——反饋控制理論（NorbertWiener）第一個人工智能程序——“邏輯專家”（Newell和Simon，1955）“人工智能”領域確立——“Dartmouth人工智能夏季研究會”（1956，人工智能之父的John?McCarthy組織，由美國心理學家、數學家、計算機科學家、信息論學家組成）智能程序的積累20世紀50~60年代，積累了大量的程序，如在60年代末出現的“STUDENT”可以解決代數問題，“SIR”可以理解簡單的英語句子70年代另一個進展是專家系統，專家系統可以預測在一定條件下某種解的概率。大量專家設計軟件：CAD、股市預測軟件、地礦預測軟件某醫院專家會診管理系統超越人類的臨界點AlphaGo與韓國棋手李世石對弈1997年，IBM“深藍”計算機擊敗國際象棋世界大師卡斯帕羅夫。2011年，IBM的自然語言智能程序“沃森”參加美國智力問答節目打敗人類冠軍。2016年，Google的AlphaGo戰勝世界圍棋冠軍李世石。2022年，微軟旗下人工智能研究實驗室OpenAI團隊研發的ChatGPT發布。人工智能的分類弱人工智能擅長某一特定任務，是針對這一任務訓練和開發的。通用人工智能能夠完成一個人所有智能行為或智能任務的機器系統。人工智能的定義定義1智能機器(intelligentmachine)能夠在各類環境中自主地或交互地執行各種擬人任務的機器定義2人工智能學科與應用斯坦福大學Nilsson教授提出人工智能是關于知識的科學。v從學科的界定來定義：人工智能（學科）是計算機科學中涉及研究、設計和應用智能機器的一個分支。它的近期主要目標在于研究用機器來模仿和執行人腦的某些智能功能，并開發相關理論和技術。v從人工智能所實現的功能來定義：人工智能（能力）是智能機器所執行的通常與人類智能有關的功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設計、思考、規劃、學習和問題求解等思維活動。定義3人工智能=會運動+會看懂+會聽懂+會思考思考人工智能=智能控制嗎？自動控制、人工智能、智能控制的關系？課堂任務搜索一個具體的智能控制系統，并簡要說明其控制原理。初識智能控制系統思考人工智能=智能控制嗎？自動控制、人工智能、智能控制的關系？智能控制，顧名思義，就是智能化的控制，是人工智能在自動控制領域的應用，有別于常規控制。智能控制是具有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，是控制理論發展的高級階段，主要用來解決那些用傳統方法難以解決的復雜系統的控制問題。世界公認的第一個控制器1769年，瓦特發明了飛球調速器，用來與蒸汽機的進氣閥連接構成蒸汽機轉速的閉環自動調速系統。在調速器中有二顆重球錐擺，其旋轉速度和蒸汽機相同，當蒸汽機的速度提高時，重球因離心力移向外側，并帶動傳動機構，關小蒸汽機進氣閥門，使蒸汽機速度下降，當蒸汽機速度過低時，重球會移向內側，開大蒸汽機進氣閥門，從而將蒸汽機的速度控制在一定范圍內。自動控制理論的發展歷史自動控制理論的發展通常可分為三個階段。

1）

經典控制理論（傳遞函數）經典控制理論產生并發展于20世紀40～60年代。

2）

現代控制理論（狀態空間描述）現代控制理論于20世紀60年代中期發展成熟。

3）智能控制理論（無模型或各種描述形式）智能控制理論是20世紀70年代后，控制理論向廣度和深度發展的結果。控制科學的發展過程控制的復雜性進展方向經典控制SISO線性定常系統恒值、隨動控制現代控制MIMO時變非線性計算機、制導航天智能控制大規模復雜系統一、智能控制的定義自動控制：在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數按照預定的規律自動運行。智能控制：是采用智能化理論和技術驅動控制系統自主地實現其目標的過程。智能控制就是一類無需人的干預就能夠自主地驅動智能機器實現其目標的自動控制。智能化理論和技術包括人工智能和智能計算的相關理論和技術。智能控制系統：用于驅動智能以實現目標的而無需操作人員干預的系統。智能控制系統的理論基礎是人工智能、控制論、運籌學和信息論等學課的交叉。二、智能控制與計算機智能控制技術在實際工程系統中的應用，離不開計算機技術。（智能控制是一種使用計算機技術來控制設備和過程的方法。）智能控制技術實現的核心是智能控制算法，通過對計算機編程得到。智能控制系統的典型結構也是一個計算機控制系統的典型結構。其中智能控制器部分就是按照智能控制算法編寫的計算機軟件。三、智能控制系統的組成請同學們想一想一個經典的自動控制系統應該包含哪些環節或元件才能完成反饋控制功能呢？自動控制系統的組成這些基本元件與被控對象相連接，一起構成一個自動控制系統。下圖是典型控制系統方框圖。智能控制系統的組成智能控制系統的遞階結構傳統控制系統的分析和設計建立在精確的數學模型上，但很多現代復雜系統已經無法用數學描述。傳統控制理論在處理系統的不確定性時，能力非常有限?，F代復雜系統往往集視覺、聽覺、觸覺、接近覺于一體，而傳統控制系統無法適應周圍環境的變化，從而做出合適的控制決策。四、智能控制系統的類型遞階控制系統遞階智能控制是從工程控制論角度，總結人工智能、自適應、自學習和自組織的關系后形成的。遞階控制系統由組織級、協調級和執行級三級組成。系統層級按“精度隨智能提高而降低”的原則分級。四、智能控制系統的類型專家控制系統專家控制系統是將人工智能與反饋控制機制相結合的一種智能控制系統。專家系統能模擬人類專家的控制經驗與知識，具有龐大的知識庫和推理機制。四、智能控制系統的類型模糊控制系統模糊控制系統是以人的經驗和決策為基礎，應用模糊集合理論的控制系統。模糊控制的控制規律可以用知識或語言描述，對于顯著具有不確定性的非線性系統能獲得很好的控制效果。四、智能控制系統的類型神經網絡控制系統用由很多人工神經元按照并行結構經過可調連接權構成的人工神經網絡模擬人腦控制被控對象的控制系統。人工神經網絡具有可逼近任意非線性函數的能力，因此既可以用來建立系統的動態模型，又可以直接構建控制器。五、智能控制的特點

同時具有以知識表示的非數學廣義模型和數學模型的混合控制，無需建立精確數學模型。具有分層遞階的控制組織結構。其核心在高層控制，即組織級。底層控制級通常采用經典控制，也是智能控制系統必不可少的組成部分。智能控制系統的設計重點不在常規控制器上，而在于智能模型或智能算法?？刂频聂敯粜浴⒆赃m應性好、學習進化能力強。智能控制的實現需要硬件、軟件和智能相結合。本章小結什么是自動控制？什么是自動控制系統？自動控制系統的基本類型反饋控制基本原理自動控制系統的基本構成自動控制系統的性能指標習題1-1分析比較開環控制與閉環控制的特征、優缺點和應