自动化科学与技术考题整理.doc

1. 自动化科学与技术发展历史
自动化科学与技术（简称自动化科学技术）发展简史基础上能够分为三个阶段:
孕育阶段:
1922年, 美国N. 米诺尔斯基提出PID控制方法。
1927年, H.S.布莱克提出改善放大器性能负反馈方法。
诞生阶段:
1948年, 美国人N.维纳《控制论》一书出版。
1954年, 中国钱学森《工程控制论》一书出版 。
发展阶段:
1971年, 美国英特尔企业研制出第一台4位微处理机 Intel 4004。
1980年以后, 自动化科学技术取得重大发展, 处于高峰发展阶段。
2. 自动化科学技术研究意义
伴随微电子技术和计算机技术快速发展和普及, 自动化科学技术已广泛应用到制造业、 农业、 交通、 服务业、 航海、 航空、 航天等全部产业部门, 极大地促进国民经济发展和人类社会进步。自动化科学技术广泛地进入社会, 有利于发明更多就业机会, 提升劳动生产率, 改善劳动条件, 提升人民生活质量和全社会文化素质。这些都足以证实自动化科学技术发展一样地促进其它自然科学、 社会科学和人文科学等各学科发展。
3. 线性系统定义
线性系统定义: 用函数描述法表示被控对象时, 能用线性常微分方程或方程组来描述系统称为线性系统。
4. 线性系统理论
古典控制方法: 时域法、 根轨迹法和频域法。
现代控制方法: 状态空间理论、 多变量频域法和其它几何、 代数方法。
5. 非线性系统定义
非线性系统定义: 用函数描述法表示被控对象时, 只能用非线性常微分方程或方程组来描述系统称为非线性系统, 或称为本质非线性系统。
6. 非线性系统理论
1. 古典控制方法
1)近似线性化法
2)正确线性化法
3)相平面分析法
4)渐近展开计算法
5)谐波平衡法（描述函数法 ）
2. 现代控制方法
1)滑模变结构控制法
2)反步设计法
3)齐次控制法
4)微分平滑法
5)*其它多种微分几何方法
7. 分布参数系统定义
分布参数系统定义: 用函数描述法表示被控对象时, 能够用偏微分方程、 微积分方程或带时滞方程来描述一类“无穷维”系统称为分布参数系统。
8. 分布参数系统理论
因为对分布参数系统进行理论分析比较困难, 计算量大, 通常只能用“有穷维近似”方法来处理。上世纪70年代发展了一套基于泛函分析与有穷维线性系统相类似理论, 说明了无穷维系统若干结构性质和概念。
9. 离散事件动态系统定义
离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic Systems-DEDS）定义: 系统状态只能由若干离散值来描述、 其演化是由部分突发事件来驱动系统称为离散事件动态系统。驱动系统状态转移“事件”发生和连续时间能够是确定, 也能够是变量; 系统目标能够是达成一定状态, 也能够是按特定轨道达成一些数字指标最好值。
10. 离散事件动态系统理论
现在已经提出很多数学模型来描述离散事件动态系统逻辑、 时间和各层次特征: 排队网络、 广义半Markov过程、 Petri网、 有限自动机产生形式语言、 有限递归过程、 极大代数下线性动态系统。
11. 复杂系统定义
复杂系统定义: 所谓复杂系统指是系统结构含有多层性、 子系统模型含有多样性、 相互关联含有复杂性、 目标含有多重性及信息含有不确定性系统。诸如大型工业控制系统、 电力系统、 因特尔网络通信系统、 因特尔网络控制系统、 航空航天系统等等。
12. 复杂系统理论
由定义可知, 复杂系统理论是基于知识多层次、 多模型与多视图建模、 仿真及集成控制理论与方法学。
Ø 人机结合、 从定性到定量综合集成法。
从方法论方面来看, 其过程正是从定性到定量在多个层面中反复作用过程, 它是一个现代科学发明方法论。部分综合集成工程实践事例已证实它是科学创新有效手段。
Ø 平行控制理论与方法
中科院自动化所王飞跃先生提出了应用于复杂系统“平行控制理论与方法”, 其关键是传统自适应控制思想自然拓展, 其实质是反复利用优异信息技术和计算方法使原始反馈思绪变成不停探索、 不停改善可计算反馈原理。
13. 鲁棒控制
鲁棒控制要求当被控对象模型结构和参数不正确, 且可能在一定范围内取值时, 控制系统均能正常工作。模型参数改变范围大, 控制系统能正常工作, 则称系统鲁棒性强, 反之则反之。
从1975年起, 前后提出相关理论: Nyquist判据多变量推广; 稳定化赔偿器 “极小灵敏度”参数优化方法; Safonov广义稳定准则和相关鲁棒稳定性结果; LQR/LTR（线性二次型最优控制/回路传输恢复）设计方法; 鲁棒控制频域奇异值方法, 以及为克服奇异值判据保守性而提出结构奇值法等等。上世纪80年代后, 逐步发展为使系统对一些输入响应最小H∞优化设计方法。
14. 自适应控制
自适应控制要求在被控对象或环境特征飘移改变时, 控制系统能自动地跟踪这种改变, 并施加调整, 使系统保持良好控制品质。自适应控制是依据误差来改变系统参数, 这种改变是一个渐变过程。假如被控对象参数不改变, 则自适应控制逐步退化为定常控制。
自适应控制关键有模型参考和自校正两种类型, 分别如图2.2、 图2.3所表示。

15. 智能控制方法
无模型系统控制理论就是智能控制方法。
智能控制至今尚无一个统一定义。从广义讲, 智能控制方法是一个愈加好地模仿人类智能非传统控制方法。所谓“传统控制方法”, 指是被控对象和环境特征有明确数字描述、 控制目标清楚、 能够量化控制方法,即指上述有模型系统控制理论。
16. 按控制算法来分, 智能控制方法可分为:
1) 模糊集控制
2) 神经网络控制
3) 粗糙集控制
4) 可拓控制
5) 灰色控制
6) 微粒群控制
7) 蚁群控制
8) 遗传控制
9) 免疫控制
10) 进化控制
17. 按体系结构来分, 智能控制方法可分为:
1)递阶分布式控制
2)模糊控制
3)神经网络控制
4)教授系统控制
5)学习控制
6)云计算控制
18. 传感器定义与分类
传感器定义: 把非电量物理量转换为电量器件。
19. 传感器信息融合技术定义
它定义为: 这是一个能够正确、 客观地描述“由多个多个传感器来感知这些传感器所表示物理量所组成环境”技术。
20. 较复杂化系统控制结构框图

21. 传感器信息融合技术作用:
1)增强控制系统可靠性, 降低信息模糊、 不确定性。当部分传感器失灵或受干扰时, 还有其它传感器继续提供信息;
2)扩展探测空间和时间, 提升探测能力;
3)为控制系统决议提供依据。
22. 递阶分布式控制
起初关键采取集中控制方法, 现在绝大部分采取递阶分布式控制。
递阶分布式控制体系结构如图3.4所表示。第一级为组织级, 关键功效是任务描述和任务分配; 第二级为协调级, 关键功效是协调, 即系统实施各自任务同时会产生矛盾与冲突, 需要进行冲突消解; 第三级为现场实施级, 关键功效是子任务实施。
23. 递阶分布式控制体系结构图

24. 递阶分布式控制优点:
1)提升控制系统抗干扰能力及系统性能;
2)实现功效分散、 危险分散, 提升控制系统可靠性;
3)实现测控管一体化。
25. 系统科学概述
系统科学研究对象是复杂系统（在第二章中已提到）。在通常意义下, 系统科学是一门研究“由多个相互作用、 相互联络子系统所组成复杂系统”运动规律、 周围环境特征, 以及怎样进行设计和控制学科。系统科学理论基础是系统学, 其控制理论是由控制论、 信息论与运筹学等理论综合而成。
26. 模式识别定义
模式识别定义: 模式识别又称为模式信息处理, 是一门研究用计算机对通常由人类感觉器官接收图像、 图形、 表格、 文字、 语音等模式信息进行处理、 描述和分类学科。
27. 模式识别方法研究进展
模式识别是基于统计方法而发展起来。上世纪60年代, 研究者们提出了以贝叶斯(Bayes)决议为基础特征空间划分分类器法, 以K均值聚类为代表聚类法和以K-L变换为基础特征选择法。
上世纪70年代、 80年代, 即使句法模式识别和模糊识别方面有了很多新思想, 但统计方法仍然有生命力。到了90年代, 关键研究“统计与句法相结合、 句法与语义相结合”模式识别方法。
28. 机器视觉（计算机视觉）马尔视觉计算理论
1982年美国麻省理工学院马尔(Marr)教授创建了“视觉计算理论”。
马尔视觉计算理论认为, 视觉识别过程分为三个阶段。第一阶段是初始简图(Primal Sketch), 其目是把二维图像中边界、 顶角、 交边等关键信息表示清楚; 第二阶段是“二维半计算”(2.5d Sketch), 描述出景物三维可见表面, 可称为“早期视觉”; 第三阶段是三维景物恢复与识别, 这需要增加约束和利用经验知识。
29. 人工智能研究三大学派
因为研究者对智能本质了解和认识不一样, 从而形成持有不一样学术见解、 采取不一样研究方法三大研究学派。
1. 符号主义（Symbolicism）学派
符号主义又称为逻辑主义, 其理论基础是物理符号系统假设和有限合理性原理。
符号主义认为: 人认知基元是符号, 认知过程是符号操作过程。
符号主义代表性结果: Newell和Simon等人研制 “逻辑理论家”程序LT, 它用于数学定理证实。
符号主义代表人物: 纽威尔（Newell）、 西蒙（Simon）、 罗宾逊（Robinson）、 吴文俊。
2. 联结主义（Connectionism）学派
以网络联结为基础联结主义认为: 人认知基元是神经元, 认知是在一起受激发神经元共同作用结果。
人工神经网络以分布方法存放信息, 以并行方法处理信息, 含有自组织、 自学习能力, 适适用于模拟人形象思维。
联结主义代表性结果: 皮茨（W.Pitts）MP模型; 鲁梅尔哈特、 麦克莱兰等BP网络; 霍普菲尔德（Hopfield）反馈网络。
联结主义代表性人物: 皮茨（W.Pitts）、 鲁梅尔哈特、 麦克莱兰、 霍普菲尔德。
3. 行为主义（Actionism）学派
行为主义又称进化主义或控制论学派。
行为主义认为: 人类智能行为是由“非符号处理”信号所产生, 智能行为是感知→动作过程。
行为主义代表性结果: 布鲁克斯（Brooks）六足机器人（又称机器虫).
行为主义代表性人物: 布鲁克斯、 维纳。