复杂机电控制第一章资料课件.ppt

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1、复杂机电系统的人工智能控制技术机械工程学院智能控制研究室赵升吨 教授/博导2014.9 综上所述，本课程设置的必要性主要体现在以下几个方面：(1)传授系统的自动控制知识的需要古典、古典、现代、智能现代、智能(2)现代复杂机电系统及其控制技术研发(3)人工智能在机电系统中应用第一章 绪论现代机械装备驱动与传动的发展趋势自动控制的基本原理自动控制理论发展的三个阶段机电系统工程的发展方向讲授内容及教学计划本课程预期达到的效果教学效果教材情况一、现代机械装备驱动与传动的发展趋势材料加工的基本要素和流程 三个基本要素：材料、能量和信息 信息流程包括形状信息和性能信息性能信息流程涉及材料的初始性能和通过各

2、种加工过程所产生的材料性能的变化。在材料加工过程中，由于把形状变化信息加于材料，最终形状信息就等于材料的初始形状信息与加工所施加的形状变化信息之和。工件最终的性能则是初始和加工过程两方面性能变化综合作用的结果。形状变化信息是由刀具和工模具（具有一定形状信息量），和加工材料和刀具、工模具之间相对运动共同产生的。也就是说形状变化过程为借助能量流程把相应于信息流程中的形状变化信息施加于材料流程的过程。一般来说，刀具或工模具所包含的形状信息量越少，则它们与加工材料的相对运动对于材料的形状变化所起的作用越大，反之亦然。闭式模锻：传递介质（模锻）已包含了所要求的全部形状信息，因而传递介质与加工材料的相对运

3、动就变得很简单。车削加工：车刀所包含的形状信息量很少，为了形成所需形状零件，甚至要求三种相对运动。一部机器的基本组成(1)(1)原动机原动机：提供能源的装置。：提供能源的装置。例如：电动机，内燃机等例如：电动机，内燃机等(2)(2)传动部件传动部件：是一个中间环节，它把原动机：是一个中间环节，它把原动机的输出的能量和运动经过转换后提供给工的输出的能量和运动经过转换后提供给工作机构。作机构。例如：机械、电力、液体、气压等传动方式例如：机械、电力、液体、气压等传动方式一、现代机械装备驱动与传动的发展趋势(3)(3)工作机构：工作机构：执行机器规定功能的装置。执行机器规定功能的装置。例如：直线运动缸

4、、摆动缸、旋转轮、曲柄连例如：直线运动缸、摆动缸、旋转轮、曲柄连杆滑块机构等。杆滑块机构等。(4)(4)控制部分：控制部分：依据对工作机构的动作要求，对传依据对工作机构的动作要求，对传动系统进行检测、显示、调节的装置。动系统进行检测、显示、调节的装置。例如：开关、阀门、继电器、计算机、按钮等例如：开关、阀门、继电器、计算机、按钮等元器件的逻辑组成。元器件的逻辑组成。布鲁德尔精密高速冲床布鲁德尔精密高速冲床1.精密度精密度:A.设备动静态精度设备动静态精度:平行度平行度 0.030mm 垂直度垂直度 0.005mm 综合间隙综合间隙 0.200mm 下死点动态控制精度下死点动态控制精度 0.00

5、5mmB.冲压料带厚度冲压料带厚度:可以到可以到 0.015mmC.冲头尺寸冲头尺寸:可以小到可以小到 0.100mmD.送料步距送料步距:0.200mmE.送料精度送料精度:0.010mm2.高速高速:500 SPM3.单台设备产能概念单台设备产能概念:A.易开盖成品易开盖成品,大于大于2400只只/分钟，基本盖大于分钟，基本盖大于 4000只只/分钟分钟B.连接器连接器,8000只只/分钟分钟C.制冷电机铁心制冷电机铁心,双列模具双列模具12000套套/天天Bruderer Machinery(Suzhou)Co.,LtdBRUDERER 横轴连杆驱动式横轴连杆驱动式高速冲床的传动系统高速

6、冲床的传动系统 机械传动与驱动装置主要承担着能量传输与分配，运机械传动与驱动装置主要承担着能量传输与分配，运动动/力的变换与控制功能，是实现能量传输和运动力的变换与控制功能，是实现能量传输和运动/力控制力控制目标的主要手段。是推动机电装备向高效、节能、高可靠、目标的主要手段。是推动机电装备向高效、节能、高可靠、高精度、高速、智能化方向发展过程中不可或缺的关键单高精度、高速、智能化方向发展过程中不可或缺的关键单元部件和系统。元部件和系统。机械传动与驱动对机械学科的影响机构学与机械动力学机构学与机械动力学机械传动与驱动机械传动与驱动复杂机电系统集成科学复杂机电系统集成科学机械的表面机械的表面/界面

7、科学界面科学高精度、数字化制造高精度、数字化制造高性能洁净成形制造高性能洁净成形制造机械的制造与运行参数及其精度测量机械的制造与运行参数及其精度测量机械结构与系统的安全服役理论机械结构与系统的安全服役理论生机电系统生机电系统与仿生机械与仿生机械 高能束与特种能场制造高能束与特种能场制造微纳机械学与微纳制造微纳机械学与微纳制造机电装备机电装备驱动与传动是机械学科的基础领域之一；是科学原理到工程实现的桥梁，也是装备的基础；直接关系到运载、机器人、机床等机电系统的性能、可靠性与安全性；对机械学科的发展起着支撑作用。“机械系统创新机械系统创新”的四个支撑领域之一的四个支撑领域之一对国民经济和社会影响深

8、远传动与驱动基础件已经严重制约国内大量关键传动与驱动基础件已经严重制约国内大量关键产业的发展：产业的发展：徐工集团，400亿产值，利润小于2%，ARJ21,大于200架才能盈利,数控机床,汽车大量采用国外基础件；航空元件可靠性，航空泵寿命，国内最高3000小时，A380：40000小时；国内飞行器或船舶舵机故障频发,可靠性问题亟待解决;气动能耗，2000亿度电/年，用电量占全国6%，效率只有520%，与空压机和气动元件密切相关;高精度对地观测成像、扫描显微镜控制SPM、天文观测,高精度转台、目标模拟器等对精密传动与驱动提出更高要求.国外国外挑战者号，密封件失效日本H2，舵机故障 在传统机械装备

9、中，电机到工作部件要经过一整套在传统机械装备中，电机到工作部件要经过一整套复杂的转换机构复杂的转换机构,包括齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、包括齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间机械传动环节。联轴器、离合器等中间机械传动环节。这些机械传动环节会带来一系列的问题，如造成较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。这些问题使得机械装备的加工精度、运行可靠性降低；增加维护、维修的时间和成本；造成机械装备的使用效率下降，使用费用增加。所以一直以来，对机械传动环节的传动性能在进行不断的改进，并且获得了很大的效果，但并没有从根本上解决问题。一、现代机械装备驱动与传动的发

10、展趋势l原动机的运动和动力特性越好，则传动部件越简单！l现代机器的原动机综合性能越来越好！l传动部件趋向于系列化与标准化！l伺服直接驱动与近零传动是发展趋势！电磁直驱及近零传动系统的内涵 、研究范围特别是随着电机及其驱动技术的发展,人们自然想到了“直接驱动”的方式，直接驱动方式就是电机不经过任何传动链直接驱动负载。其本质就是取消从电机到工作部件之间一其本质就是取消从电机到工作部件之间一切中间机械传动环节切中间机械传动环节,由电机直接驱动工由电机直接驱动工作部件动作作部件动作,实现所谓实现所谓“零传动零传动”。“直接”意味着：采用低速大转矩电机，省去皮带、齿轮减速箱、偶合器；采用直线电机或直接驱

11、动旋转电机，省去将旋转运动变成直线运动所需的机械部件或直接把旋转电机和负责耦合。采用分体式电机、中空轴电机、外转子的电机，直线电机，电机与传动合为一体。它的特点是：系统响应速度快、灵敏度高、随动性好；速度和位置精度高；结构紧凑、可靠性高、维护简便；转矩（推力）电流特性的线性度好；运动安静、噪声低。电机械转换器作为机械装备的核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是机电装备的动力源头。要提高现代机电设备的性能指标，很大程度上就是要提高电-机械转换器的驱动能力。因此，高性能的电-机械转换器的研究开发一直是一个重要的研究焦点。对电-机械转换器的要求：高频响带负载能力强输出线性好耐高压耐高温可靠

12、性高低速拖动能力强直接驱动技术的核心是执行机构直接驱动电机。从运动方式上分为直接驱动直线电机（DDL：Direct Drive Linear）和直接驱动旋转电机（DDR：Direct Drive Rotary）两种。直接驱动直线电机DDL主要可以分为直线直流电动机、直线感应电动机、直线同步电动机、直线步进电动机、直线压电电动机、直线磁阻电动机。目前生产和使用比较广泛的是直线感应电动机和直线同步电动机。直线同步电动机虽然比感应式直线电机工艺复杂、成本较高，但是效率较高、次级不用冷却、控制方便，更容易达到要求的性能。直接驱动旋转电机DDR主要分为五类：直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电动机、

13、变频电动机、开关磁阻电机（SMR）、横向磁场电机（TFM）。其中直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电动机在原理上都与普通控制电机类似，分别对应直流伺服电机、永磁同步电机、步进电机。区别在于为了得到高转矩和低转速，通常设计为长径比较小的圆盘状结构，但同时由于低转速，会带来转矩波动、速度波动、发热量大等问题。电磁直驱的内涵、研究范围研究范围包括新型用于直驱电机理论、直驱电机结构设计理论及其在线测量控制理论、电磁直驱与传动的方式等，其目的是综合电磁学、机械学、力学、材料学以及测量控制技术，研究和揭示电磁直驱的物理学本质，建立相应的直驱电机设计与控制理论，为高端机电装备开发提供科学依据。伺服直驱及

14、近“零”传动的特点（1）定位精度高u直接驱动实现了电机与负载间的刚性耦合，因此消除了原来中间传动机构产生的传动误差。u例如齿轮误差，丝杠螺母误差等，提高了传动精度，也从根本上消除了非线性摩擦力和弹性形变的影响，不存在爬行现象，提高了定位精度和可重复性能。u更容易做到精确控制。伺服直驱及近“零”传动的特点（2）高速或低速大转矩和高加（减）速度如数控机床要求具有超高速运转的大功率精密主轴，而且要有一个反应速度快、高速轻便的进给驱动系统。因为数控机床直线进给行程较短，只有具有很高的加速度，才能瞬时达到设定的高速状态，也必须有很高的减速度才能在高速状态下瞬时准确停止，以保证加工要求的定位精度。其他如一

15、般冲压设备，需要的速度不高，但是必须有很大的转矩，这样就需要驱动系统有低速大转矩性能。电动自行车，舰船也属于此应用领域，此种驱动方式同样需要高加（减）速度。伺服直驱及近“零”传动的特点（3）动态响应速度快直接驱动的响应能力可高于机械变速驱动100倍以上，因为一般系统的电磁时间常数远小于机械时间常数。这意味着直接驱动可具有更大的加（减）速度和更短的定位时间，以及更高的控制精度。因为采用传统驱动方式，由于受制造精度的限制，中间传动环节不可避免地会存在间隙死区，非线性摩擦力等，特别是细长的滚珠丝杠会产生弹性形变，这些都使系统的阶次变高，增加了非线性因素，限制了系统的带宽，会降了系统的动态性能，严重时

16、可能产生机械谐振。伺服直驱及近“零”传动的特点（4）机械刚度和可靠性高 取消了中间传动环节，不存在滞后问题，传动刚度可大大提高，保证了系统的传动精度和定位精度；减小了机械磨损，提高了系统可靠性。（5）噪声低、保养费用低 运动部件减少，降低了噪声；磨损部件只剩下旋转或直线轴承，保养费用大大降低，如果考虑到电气部分增加保养的费用，也低于原来传动系统。电磁直驱及传动系统在国民经济、社会发展和学科发展中的重要意义我国是制造大国，但远不是强国。因此我国将高档数控机床及基础制造装备做为“十六”个重大专项之一投巨资予以发展。而高档数控机床及基础制造装备2009年度第一批课题申报指南中启动的十三个中就专门安排

17、了“项目九 电机及驱动装置：的三个课题。课题19 全数字驱动装置及交流伺服电机、全数字驱动装置及交流伺服电机、主轴电机主轴电机，课题20 大扭矩力矩电机及驱动装大扭矩力矩电机及驱动装置置，课题21 大推力直线电机及驱动装置大推力直线电机及驱动装置”同时启动的项目一七的专用设备几乎均与电磁直驱及传动密切相关。高效高可靠功率传递与驱动方面为了简化传递过程，降低能耗，进而向“零传动”目标努力，为此国内外开展了大量的研究工作，最主要的就是直接驱动理论与技术，主要有（直驱、集成）电机传动与直接驱动，电机调速/力矩，电主轴，精密直线/旋转电机驱动；电液直接驱动，泵控作动器，电静液作动器，二次调节控制，能量

18、回收系统；发动机集成液压泵，发动机活塞直接控制泵活塞；电机集成液压泵，集成结构，油冷却。电机电机/泵一体化泵一体化发动机发动机直驱泵直驱泵技术技术板料冲压超柔性加工各种工艺滑块速度曲线交流伺服压力机典型特点交流伺服压力机典型特点1990年位于德国的Parker Hannifin公司申请了采用伺服电机驱动定量液压泵控制对称缸的专利，用于飞机操控系统，原理如左图所示。泵控缸技术研究泵控缸技术研究pApB 日本网野公司液压式伺服压力机不使用油泵和溢流阀，用伺服电日本网野公司液压式伺服压力机不使用油泵和溢流阀，用伺服电机驱动油缸机驱动油缸电力消耗少（电力消耗少（1/31/3）、）、发热少、发热少、噪声

19、震动少到（噪声震动少到（75dB(A)75dB(A)）、）、工作油少（工作油少（1/101/10）快速伺服液压机的国内外研究现状快速伺服液压机的国内外研究现状二、自动控制的基本原理1.自动控制的内涵 所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使在一定的外界条件（输入与干扰）作用下机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。即自动控制是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。控制三要素：控对象、控制目标、控制装置机械工程控制论的研究任务 从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控

20、制论的任务主要有以下三种：1.已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；2.已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；3.已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。当输入已知时，确定系统，且所确定的系统应使得输出尽可能符合给定的最佳要求，即最优设计问题；当输出已知时，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，即滤波和预测问题。l自动控制和人工控制的基本原理是相同的,它们都是建立在“测量偏差,修正偏差”的基础上,并且为了测量偏差,必须把系统的实际输出反馈到输入端。l自动控制和人工控制的区别在于自动控制用控制器代替人完成控制。l总之,所谓自动控制就是在没有人直接参与的情

21、况下,利用控制装置使被控对象中某一物理量或数个物理量准确地按照预定的要求规律变化。恒温系统恒温系统 实现恒温控制有两种方法-人工控制和自动控制（1）.人工控制通过改变调压器的电压来达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的。图 人工控制的恒温箱（1）.人工控制a.观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱（被控制元件）的温度；-测量测量 b.与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向；-比较比较c.根据偏差大小和方向再进行控制：当温度高于所要求的给定温度值时，就调节调压器动触头使电压减小，温度降低；若温度低于给定的值，则调节调压器动触头，使电压增加，温度升高；-调节调节d.如温度还达不

22、到要求时，要反复进行上面的步骤操作。-循环循环 因此，人工控制的过程就是测量、求偏差、再控制以纠正偏差的过程。也就是“检测偏差用以纠正偏差”的过程。（2）.自动控制自动控制 对于这样简单的控制形式，如果能找到一个控制器控制器来代替人的职能，这样人工控制系统就变成自动控制系统了。图 恒温箱的自动控制系统-发动机的瓦特式速度调节器根据希望的发动机速度与实际的发动机速度之差对进入到发动机内的燃料数量进行调整。当发动机工作于期望的转速时，高压油将不进入动力油缸的任何一侧，进入发动机的燃料流量和发动机转速均保持稳定。如果由于扰动，使得实际速度下降到低于希望值，则速度调节器的离心力下降，导致控制阀向下移动

23、，从而对发动机的燃料供应增多，发动机的速度增大，直到达到希望的速度时为止。,图 瓦特速度控制系统 2.系统及控制系统系统 能完成一定任务的一些部件的组合。机械系统 以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统，称为机械系统。对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。控制系统 系统的可变输出，如果能按照要求由参考输入或控制输入进行调节的，即称作控制系统。被控对象：在控制理论和控制技术中，运动规律或状态需要控制的装置或元件称为被控对象（控制对象）。控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号（指令信

24、号）的元件。反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出量），产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。被控量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出（输出量）。指令值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称参考输入）。偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输出值）。控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数，因此，也可将偏差看成为控制量。控制器被控对象指令传感器输出量/被控量控制量希望值/指令值控制系统基本概念对控制系统的基本要求(稳、快、准)1.系统的稳定性l是指系统在受到外界扰动作用时，系统地输出将偏离平衡位置，当这个

25、扰动作用去除后，系统恢复到原来的平衡状态或者区域一个新的平衡状态的能力。l由于系统存在着惯性，当系统的各个参数分配不恰当时，将会引起系统的震荡而失去工作能力。稳定性的要求是系统正常工作的首要条件。对控制系统的基本要求(稳、快、准)2.响应的快速性 是指当系统实际输出量与期望的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速性。这是在系统稳定的前提下提出的。对控制系统的基本要求 (稳、快、准)3.响应的准确性 是指在调整过程结束后输出量与期望的输出量之间的偏差，或称为静态精度。这是衡量系统工作性能的重要指标。对控制系统的基本要求 (稳、快、准)l不同的被控对象，对稳、快、准的要且各有侧重。例如：随动系统

26、：快速性；调速系统：稳定性。同一系统稳、快、准三方面的要求有时相互制约的。同一系统稳、快、准三方面的要求有时相互制约的。l提高了系统的快速性，可能导致系统的不稳定，可能会有强烈振荡；l改善了系统的稳定性，又可能使系统的稳态精度降低，控制过程可能又过于迟缓工作在不同场合下的自动控制系统，对它有不同的性能要求。图示为在阶跃输入信号下，几种系统的被控量的变化过程。图中x(t)表示输入，y(t)表示输出。图 控制系统的阶跃输入输出 机电系统在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。因此，机电系统不仅是人的肢体的延伸，还是人的

27、感官与头脑的延伸。具有“智能化”的特征是机电系统与机械电气化在功能上的本质差别。机电系统工程知识的内容1).系统理论和系统思想贯穿始终，因此系统科学是机电系统工程的思维基础。2).人们在设计、规划、控制和运筹机电系统是，总是追求总体最优，因而必然要涉及大量的运筹学、控制论和信息论的技术和方法，这些构成了机电系统工程的技术基础。3).机电系统所设计的工艺、方法、技术、设备等市机电系统工程赖以生存的基石，它们构成了整个机电系统工程的专业基础。三、自动控制理论发展的三个阶段欧洲往往以理论研究为主导美国将技术研究作为热点日本着重从事应用技术的开发工作，也就是将技术变为可赚钱的产品而智能控制更实用！研究

28、及应用领域亟待开发！美国著名的控制论创始人维纳（N.Wiener，1894-1964年）系统地总结了前人的研究成果，1948年发表了控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的科学著作。书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念（目的性行为可以用反馈来代替，从而突破了生命体和非生命体（机器）的界限），为控制论这门学科的产生及应用奠定了坚实的基础。F.H.George在控制论基础中明确指出，控制论的焦点就是模拟和综合人类的智能问题。3、自动控制理论发展的三个阶段1）.古典控制理论阶段（20世纪20-50年代）依据被控对象的数学模型（传递函数），解决在频率域上线性、定常、单输入、单输出系统的反馈控制

29、问题2）.现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）依靠被控对象的数学模型（状态方程），解决在时间域上对非线性、时变系统的多输入多输出系统的有效控制问题。3）.大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）不依靠被控对象的数学模型，解决复杂不确定的大系统的人工智能控制问题。1）.古典控制理论阶段 从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，古典控制论的任务主要有以下三种：a.已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；b.已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；c.已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨识问题。被控对象：在控制理论和控制技术中，运动

30、规律或状态需要控制的装置或元件称为被控对象（控制对象）。控制器：在控制系统中，除被控对象以外的所有装置，统称为控制器。给定元件：控制系统中主要用于产生给定信号（指令信号）的元件。反馈元件（测量元件）：控制系统中用于测量被控量（输出量），产生反馈信号的元件。反馈信号与输出量之间往往存在确定的函数关系。被控量：表征被控对象运动规律或状态的物理量。实质上是系统的输出（输出量）。指令值：希望的被控对象运动规律或状态的物理量（或称参考输入）。偏差：系统的输入量与反馈量之差或之和（即比较环节的输出值）。控制量：被控对象的输入量。由于往往是偏差的某种函数，因此，也可将偏差看成为控制量。控制器被控对象指令传感

31、器输出量/被控量控制量希望值/指令值控制系统基本概念古典控制理论（自动调节原理）的发展历程18世纪，詹姆斯瓦特（James,Watt）1765年发明了蒸汽机，1868年发表了调节器一文，文中指出控制品质可用微分方程来描述，而稳定性可用特征方程根的位置来分析，进一步为控制蒸汽机速度而设计了离心调节器。从而标志着自动控制理论的诞生。1922年，迈纳斯基研制出船舶操纵自动控制器，并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正弦输入的开环响应，确定闭环系统的稳定性。1934年，黑曾提出了用于位置控制系统的伺服机构的

32、概念，讨论了精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。1945年，伯德（H.W.Bode）提出了简便而实用的频率域中的伯德图法，判断系统的稳定性及用来设计和改进新系统。1948年，伊凡思（W.R.Evans）提出了直观而形象的判断系统稳定性的根轨迹法。20世纪40-50年代初，劳斯(E.J.Routh)和赫尔维茨（Hurwitz）提出了系统稳定性的代数判据。现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）伴随着多输入多输出的现代设备变得愈来愈复杂，需要大量方程来描述现代控制系统，因为数字计算机的出现为复杂系统的时域分析提供了可能性。系统辨识：依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数。系统辨识：依据对

33、象的输入输出数据，不断地辨识模型参数。自适应控制：控制系统能修正自身的特性，以适应对象和扰自适应控制：控制系统能修正自身的特性，以适应对象和扰动的动态特性。动的动态特性。l自适应控制的对象结构已知，仅仅是参数未知，仍基于数学模型。l自适应控制与常规反馈控制及最优控制的区别只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少。需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善。p 模型参考自适应控制系统(Model Refernce Adaptive System,简称MRAS）.由参考模型，被控对象，反馈控制器和调整控制其参数自适应机构组成。p 自校正调节器（Self-tuning

34、 Regulator,简称STR）。具有一个被控对象数学模型的在线辨识环节。现代控制理论阶段（20世纪60-70年代）最优控制：根据已建立的被控对象的数学模型，选择一个容许的控制律，使得被控对象按预定要求运行，并使给定的某一性能指标达到极小值（或极大值）。往往表现为系统性能指标的泛函最小的“系统最佳控制”。是求解一类带有约束条件的泛函极值问题。卡尔曼滤波：是利用系统在时间上的转移关系所获得的一套适合于计算机运算的递推公式，属于时域法。不同于早期的频域法中的维纳-霍夫（Wiener-Hoff）滤波理论。现代控制工程，绪方胜彦，卢伯英译，科学出版社，1976年大系统智能控制阶段（20世纪80年代至

35、今）1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会，1987年1月在美国举行了第一次国际智能控制大会，标志着智能控制领域的形成。1994年6月在美国奥兰多召开了IEEE全球性的职能大会，将模糊化、神经网络、进化行为三方面内容和在一起召开，引起了国际各界的广泛关注。大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）大系统理论 使用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制 是研究模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律。研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。智能控制源于被控对象的

36、三高三性：高度的复杂性高度的不确定性越来越高的控制性能 智能信息、智能反馈和智能决策是智能控智能信息、智能反馈和智能决策是智能控制论的三要素制论的三要素大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）1.不确定性：物理量：复杂性、非线性、时变性、不完全性、不确定性大系统智能控制阶段（20世纪80年代至今）2.复杂性：无法获取数学模型系统和环节种类繁多，层次各异系统结构和参数具有高维性，时变性，突变性和随机性系统干扰具有多样性，时变性，随机性和高强度传感器和执行器数目大且分散决策机构具有分级分布特征信息结构复杂处理数据庞大，算法复杂有些系统具有人机交互功能3.高性能要求（1）稳定性：系统状态、输入输出

37、和参数等变量在干扰的影响下总是有界的。（2）收敛性：在给以的初如条件下，算法能渐进地达到其预期目标，并在收敛过程中所有变量有界。（3）鲁棒性：在存在干扰和未建模动态特性的条件下，系统能保持其稳定性和一定动态特性的能力。四 机电系统工程的发展方向1)智能化l 对机电系统的高性能要求，特别是适应性要求，使得一些新的机电系统被采用。l典型的智能机电系统有机器人、智能型数控设备、智能仪器仪表等。l这些新型的机电系统有一个共同的特点，那就是它们具有一定的人工智能，能够根据环境条件的变化进行分析、推理，并作出合适的响应。l智能机器人能通过自身的视觉、听觉或触觉来感知周围环境的状态及其变化，并对此作出相应的

38、反应。l智能仪器仪表能够根据不同的状态或时段进行不同的计算、复杂计算、实时监测和数据传输、语音提示和图像显示等。四 机电系统工程的发展方向2).集成性l集成性就是机电系统工程强调综合运用机电系统所涉及的多学科知识，来研究和处理机电系统的设计、制造、管理、运行、更新、发展等重大问题。l而这种集成性变得越来越广泛，许多新的机电系统就其每一部分来说，不是什么新的东西，但把各部分有机地集成在一起，就成了具有新颖特色的整体，形成了一种新型的机电系统。柔性制造系统（FMS)，就其各部分来说，包括控制系统、监测系统、物料流系统、计算机数控（CNC）机床、加厂中心等。就这些单元孤立地来看均是已有的理论和技术，

39、但有机地组合起来，就形成了一种新型的机电系统。为了便于系统集成，机电系统的结构越来越趋向于模块化和开放性。模块化:使得许多单一功能或基本功能以子系统的形式产品化，可以缩短系统构成周期，降低系统制造成本；开放性:是指在一定标准支持下，使得系统可以灵活组态，进行任意组合，并可以通过总线进行数据通信与共享。四 机电系统工程的发展方向3)微型化l一些特殊的应用领域（如军事、医疗、家用器具、娱乐用具等）不仅要求机电系统具有优良的性能，还要求体积尽量的小、重量尽可能的轻。l微电子技术的迅速发展，使得电子元器件的尺寸越来越小，再加上安装工艺的不断改进，如表面安装技术（SMT），特别是绑定（banding）技

40、术可以直接把芯片安装在PCB 上，一个功能强大的控制装置的体积可以做得非常的小。l另一方面，精密微细加工技术发展使得微机电系统（MEMS）取得了突破性的进展，实现了将机构及其驱动、传感监测、控制器以及电源集成在一个很小的晶片上。这是未来机电系统微型化的研究主题。五、讲授内容及教学计划第一章第一章 绪论绪论 4 4学时学时1.1 现代机械装备驱动与传动的发展趋势1.2 自动控制的基本原理1.3 自动控制理论发展的三个阶段1.4 机电系统工程的发展方向1.5 讲授内容及教学计划1.6 本课程预期达到的效果主要参考文献第二章第二章 人工智能及智能控制理论简介人工智能及智能控制理论简介 2 2学时学时

41、2.1 人工智能简介人工智能简介2.2 智能控制简介智能控制简介第三章第三章 复杂开放机电系统的基本理论复杂开放机电系统的基本理论 2 2学时学时2.1 机电控制系统的基本内容机电控制系统的基本内容2.2 典型机电控制系统典型机电控制系统2.3 耗散结构论耗散结构论2.4 协同学与突变论协同学与突变论2.5 混沌学混沌学第四章第四章 人工智能中的知识工程人工智能中的知识工程 4 4学时学时3.1 专家系统的基本结构专家系统的基本结构3.2 知识的表示知识的表示3.3 知识的获取知识的获取3.4 智能学习系统智能学习系统第五章第五章 模糊控制系统模糊控制系统 10学时学时5.1 模糊控制的数学基

42、础模糊控制的数学基础5.2 模糊控制的原理模糊控制的原理5.3 模糊控制器设计的基本方法模糊控制器设计的基本方法5.4 PID模糊控制器模糊控制器5.5 模糊控制器的设计举例模糊控制器的设计举例第六章第六章 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 12学时学时6.1 人工神经网络简介人工神经网络简介6.2 人工神经网络的结构与工作方式人工神经网络的结构与工作方式6.3 单神经网络的特性单神经网络的特性6.4 神经网络的学习方式神经网络的学习方式6.5 BP网络网络6.6 RBF网络网络6.7 神经网络控制的结构方案神经网络控制的结构方案6.8 神经网络神经网络PID控制控制第七章第七章 迭代学习控制系统迭代学习控制系统 6 6学时学时7.1 迭代学习控制概述迭代学习控制概述7.2 迭代学习控制的基本原理迭代学习控制的基本原理7.3 迭代学习控制系统举例迭代学习控制系统举例六本课程预期达到的效果教学效果 此课程在机械学院开设7年来，每年选修此课程的人数均超过30人。使学生系统掌握了复杂机电系统、人工智能及智能控制的基本知识。通过此课程的学习：改变学生的思维方式，开拓了学生视野！体会人工智能、自动控制、机电系统等学科交叉的内涵！提高创新能力！为今后科研方面的应用智能控制理论及方法奠定良好的基础！