自动化导论全套课件

自动化导论

荆晓远教授

南京邮电大学自动化学院本课程总课时16本课程目的:

自动化是什么？哪里需要自动化？

自动化的知识结构？

怎样跨入自动化的大门？

本课程的学习方法：

认真听课+适当笔记+浏览参考书本课程考查方法

40%(平时考勤)+60%(开卷考试)参考书自动化（专业）概论，武汉理工大学出版社，2001年模式识别，模式识别，边肇祺，张学工等编著，清华大学出版社，2002年第2版。

课程主要内容自动化专业介绍、发展简史古代、近代控制系统现代控制系统智能控制技术模式识别技术简介模式识别系统构造图像识别理论与方法生物特征识别技术及应用什么是自动化？自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。自动控制是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。两个实例：水温控制系统导弹制导系统什么是自动化？

(a)手动控制漫画(b)自动控制

水温的手动控制和自动控制的示意图图中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。导弹制导1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机4-导弹发射架自动化涉及的范围极其广阔:

从深度来看——以工业生产为例，小到一个普通的设备电机，大到企业的整个加工、制造系统乃至企业的整个生产过程；从广度来看——涉及第二产业工业自动化、第一产业农业自动化、第三产业服务自动化（如办公自动化、楼宇自动化、商务自动化、交通自动化等等），涉及的系统可有人造系统（如机器系统、交通系统、电力系统、军事系统）和自然系统（如生命系统、生态系统），涉及的过程有生产过程、管理过程、决策过程等等。汽车电子汽车电子产品（18个嵌入式控制模块）——CAN总线网络Google公司的无人驾驶自动汽车已经累计行驶20万英里。除了Google之外，各大汽车公司都在研发全自动汽车。全自动汽车的反应速度超过人类驾驶员，而且可以同时处理更多信息，对紧急情况的反应更快。它从不惊慌失措，从不发脾气，从不分心，甚至连眼睛都不眨一下，无论从哪个方面看都优于人类。google无人驾驶塞巴斯蒂安-特龙（SebastianThrun）:谷歌的无人驾驶汽车之父

是斯坦福大学从事计算机科学研究的教授、一个“谷歌人”、美国国家工程院和德国科学院成员。他以研究机器人学和机器学习而著称，尤其在无人驾驶车辆方面的工作。谷歌无人驾驶汽车自2005年起持续开发研究，并在2012年6月试驾成功，将无人驾驶由理想变为现实，推进智能行车前进了一大步。

壹贰叁肆感知系统，负责感知周围的路面环境；它的“神经”控制系统，负责控制刹车、油门及方向等；决策系统，通过复杂的计算机设备及配套软件，选择驾驶路线电脑资料库，精确的储存了每条道路的限速标准及出入口位置，和下载实时路况。系统

2011年7月14日，由国防科技大学贺汉根教授技术团队自主研制的红旗HQ3无人驾驶汽车，首次完成了从长沙到武汉286公里的高速全程无人驾驶试验，实测全程自主驾驶平均时速87公里，创造了我国自主研制的无人车在复杂交通状况下自主驾驶的新纪录。智能机器人管理自动化销售自动化自动化调温设备自动化生产现场自动控制与自动化技术本学科的一些典型应用与研究领域工业控制工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础智能玩具与机器人现代化智能家庭新能源自动化的作用1.提高社会生产率和工作效率；2.节约能源和原材料消耗；3.保证产品质量；4.改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动；5.改进生产工艺和管理体制。自动化是一个国家或社会现代化水平的重要标志自动化的研究内容有反馈控制和信号处理两个方面，包括理论、方法、应用、硬件和软件等。从应用观点来看，研究内容有过程自动化、机械制造自动化、武器及军事自动化、办公室自动化和家庭自动化等。主要工具：数学/计算机自动化学什么?主要专业课C语言、电路原理、电子技术基础（数电、模电）、微机原理及应用、单片机原理及应用、嵌入式系统原理与设计、自动控制、信号与系统、数字信号处理、计算机网络、电机与电力拖动基础、电力电子技术、运筹学、微机控制、过程控制、运动控制、计算机软件基础……从方向角度分软件：C语言、vc++，.net,java

软件工程师,软件测试员,网络工程师..硬件：C语言、电路原理、电子技术基础（数电、模电）、微机原理及应用、单片机原理及应用、嵌入式系统原理与设计 单片机工程师,硬件工程师,嵌入式工程师..重要的考研专业课电路自动控制原理微机原理数电信号与系统通信原理[控制科学与工程]学科组成自动控制电气工程及其自动化工业自动化机械制造自动化电力系统自动化自动化专业的培养目标培养德、智、体全面发展，掌握科学思维方法并具有实际动手能力的控制科学与工程领域的高级专门人才。

在自动控制理论、控制系统分析与设计、工业控制、人工智能、计算机应用、信号处理、系统建模与仿真以及检测技术等方面，掌握坚实的基础理论和系统的专业知识;具备在工业、农业、交通、能源、国防各部门和行业从事信息及控制系统的设计、分析、集成、管理、维护及开发的能力;具有创新和开拓精神以及从事科学研究的基本素质。

如何将培养目标具体化、时代化学科属性科学（Science）是指对各种事实和现象进行观察、分类、归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。技术（Technology）是指人类根据生产实践经验和自然科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一个专门领域。技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产品为人类服务。工程（Engineering）是指应用科学知识使自然资源最好地为人类服务的专门技术。关键术语系统（System）是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些部分组成的具有某种功能的有机整体。控制（Control）是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。反馈（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。调节（Regulation）是指通过系统的反馈信息自动校正系统的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或在给定范围之内的过程。相关概念信息（Information）是指符号、信号或消息所包含的内容，用来消除对客观事物认识的不确定性。管理（Management）是指为了充分利用各种资源来达到一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。决策（DecisionMaking）是指为最优地达到目标，对若干准备行动的方案进行选择。END古代、近代控制系统

荆晓远教授

南京邮电大学自动化学院1历史沿革

古代1.1

近代1.2

经典1.31.1古代控制时期

独领风骚的中国公元前14世纪 自动计时漏壶公元前6世纪 孙子兵法、周易公元前3世纪 都江堰公元2世纪 候风地动仪

漏水转浑天仪

记里鼓车公元235年 齿轮传动的指南车公元1086年 水运仪象台公元1178年 饮酒速度自动调节器公元1637年

《天工开物》提花织机

铜壶滴漏

铜壶滴漏中国古代的自动计时（测量时间）装置，又称刻漏或漏刻。根据宋朝杨军的《六经图》（公元1155）转述：莲华漏（图左）由4个壶组成。天地壶、平水壶逐级向平水小壶供水。平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴（见图上平水壶前的一个小鸟式装置）。周易；“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦”；

2600年前的二进制记数。90年代中期，MIT的尼葛洛庞帝，“数字化生存”一书，把

bit称为信息DNA。侯风地动仪公元132年东汉张衡发明。用于观察地震。工作原理：反映信号的方向；小偏差稳定，大偏差不稳定。next侯风地动仪剖面图漏水转浑天仪漏水转浑天仪简称浑天仪。为东汉科学家张衡创制的一件天文仪器。是一种水运浑象。用一个直径四尺多的铜球，球上刻有二十八宿、中外星官以及黄赤道、南北极、二十四节气、恒显圈、恒隐圈等，成一浑象，再用一套转动机械，把浑象和漏壶结合起来。以漏壶流水控制浑象，使它与天球同步转动，以显示星空的周日视运动，如恒星的出没和中天等。它还有一个附属机构即瑞轮冥菜，是一种机械日历，由传动装置和浑象相连，从每月初一起，每天生一叶片；月半后每天落一叶片。它所用的两级漏壶是现今所知最早的关于两级漏壶的记载。漏水转浑天仪对中国后来的天文仪器影响很大，唐宋以来就在它的基础上发展出更复杂更完善的天象表演仪器和天文钟。意义漏水转浑天仪是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。在浑天仪中应用到的齿轮机构和凸轮机构十分复杂，这中间的转动如果不使用逐渐减速的齿轮系统，很难作到。远在一千八百多

年前的时候，中国古人就可以造出这样复杂的仪器是很值得自豪的。可惜的是，这套复杂的传动系统因为年代久远没有能够流传下来。理论学说在汉代以前，我国的宇宙理论，大体分为三种，分别是盖天说、宣夜说和浑天说。在这三种学说中，浑天说在我国古代一直占据着主要地位，被认为是正统的官方学说。从汉代开始以后的千余年中长期广泛流行，支配着历代的天文观测和历法的指定。浑天说认为地在天之中，天似蛋壳、地似蛋黄，日月星辰附着在天壳之上，随天周日旋转。为了演说浑象并观测天体方位，西汉耿寿昌发明了浑天仪。东汉中期，张衡在前人制作的基础上，大胆创新，于公元117年设计并制造了完整的演示浑天说思想的漏水转浑天仪。记里鼓车记里鼓车是中国古代用于计算道路里程的车，由“记道车”发展而来。有关记道车的文字记载最早见于汉代刘歆的《西京杂记》：“汉朝舆驾祠甘泉汾阳……记道车，驾四，中道。”可见至迟在西汉时期，即已有了这种可以计算道路里程的车。到后来，因为加了行一里路打一下鼓的装置，故名“记里鼓车”。记里鼓车这是一种会自动记载行程的车辆，是中国古代社会的科学家、发明家研制出的自动机械物体，被机器人专家称为是一种中国古代机器人。原理记里鼓车的基本原理和指南车相同，也是利用齿轮机构的差动关系。当年，张衡制造的记里鼓车可惜没有较详细的记载，东汉以后，有关记里鼓车的记载虽然有些零星的字句，但都太简略。到北宋时的记里鼓车制造方法更有改进，《宋史·舆服志》记载比较详细，大体说记里鼓车外形是独辕双轮，车箱内有立轮、大小平轮、铜旋风轮等，轮周各出齿若干，“凡用大小轮八，合二百八十五齿，递相钩锁，犬牙相制，周而复始。”记里车行一里路，车上木人击鼓，行十里路，车上木人击镯。总之，指南车和记里鼓车的形状虽然在历代制造时都有些改进，但它的差动齿轮原理可以肯定在1800多年前已经被张衡所应用了。记里鼓车的记程功能是由齿轮系完成的。车中有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行一里时正好回转一周，车子上层的木人受凸轮牵动，由绳索拉起木人右臂击鼓一次，以示里程。至于“十里击镯”的记程机构记里鼓车的机构：

记里鼓车结构示意图车轮(H)的圆周长1丈8尺。车轮转一圈，则车行1丈8尺。古时以6尺为一步，则车轮转一圈车行3步。立轮(齿轮G)附于左车轮，并与下平轮(齿轮F)相吻合。立轮齿数为18，而下平轮齿数为54，所以前者转一圈，后者才转1/3圈。铜旋风轮(K)与下平轮装在同一贯心竖轴(c)之上，并与中立平轮(E)相吻合。铜旋风轮的齿数为3，而中立平轮的齿数为100；所以前者转一圈，后者才转3/100圈。小轮(L)与中立平轮装在同一贯心竖轴(B)之上，并与上平轮(D)相吻合。小轮齿数为10，而上平轮齿数为100，所以前者转一圈，后者才转1/10圈。车行一里(即为百步)车轮和立轮都转100圈，下平轮和铜旋风轮才转100/3圈，中立平轮(E)才转3/100×100/3—1圈。而上平轮才转1/10圈。也就是说，行车一里，竖轴B才转一圈；行车十里，竖轴A才转一圈。而在这两个竖轴上，还各附装一个拨子。因此；行车一里，竖轴B上的拨子便拨动上层木偶击鼓一次；行车十里，竖轴A上的另一拨子便拨动下层木偶击鼓一次。系统工程典范：

都江堰蜀群太守李冰父子组建。内江外江总体目标最优：把岷江水4、6分流，解决水、旱灾。选址最优：为自动分级排沙。址选岷江出山口和平原结合部，灌县。采用弯道环流，形成正面走水，侧面走沙等自动排沙机制。利用地形自动调节水量。春天，水少，外/内江按4/6分水。夏天，水多，比例自动变为6/4。end指南车始于公元前26世纪黄帝时代；前11世纪周成王已使用；东汉张衡、三国马钧、南齐祖冲之都改进制造过。车箱内有自动离合齿轮。由齿轮抵消车子转弯产生的方向变化。复杂度超过“计里鼓车”。原理：采用扰动补偿的开环定向调节系统。被控制量是方向。next指南车原理框图饮酒速度调节器宋朝仇士良著的《岭外代答》（公元1178）曾记载中国南方和西南方部落村民的一种习俗，就是常用长0.6米以上的饮酒管饮酒。在这种竹制饮酒管中一条银质小鱼，作为可动的“关捩”（浮子式阀门）饮酒时吸得太快或太慢，小孔就会被小鱼自动堵塞。这种浮子式阀门可用来保持均匀的饮酒速度。原理分析关于浮子式阀门：所谓的浮子式阀门即是通过控制流体的流速，使液体内固体升降，从而达到控制液体出入的简单装置。这一装置在古代机械装置中得到广泛使用。原理分析力学分析如图可设设浮子的下表面积为,周围流体速度为,酒的密度为,浮子下表面受力为，浮子质量为

根据动量原理：对等式两边求微分：整理得对于浮子进行整体受力分析,根据牛顿第二定律：

吸入饮者口中的酒来自酒桶中的酒原理分析当液体流速比较小的时候，合外力向下，导致浮子堵塞下管口。当液体流速比较大的时候，合外力向上，导致浮子堵塞上管口。只有当流速控制在合理的范围内时，重力与流体对浮子的力近似相等，使得浮子可以在管中浮动，不会堵塞管口。故而保证饮酒者可以有较为稳定的饮酒速度。V合适时吸入饮酒者中的酒V变大时V变小时V继续变小V变大V恢复为合适速度酒杯中的酒动画演示水运仪象台水运仪象台是中国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。水运仪象台整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着1台浑仪，屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。工作原理水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。仪器组成根据《新仪象法要》记载，水运 仪象台是一座底为正方形、下宽 上窄略有收分的木结构建筑，高 大约有十二米，底宽大约有七米， 共分为三大层。上层是一个露天的平台，设有浑仪一座，用龙柱支持，下面有水槽以定水平。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶，为了便于观测，屋顶可以随意开闭，构思比较巧妙。露台到仪象台的台基有七米多高。

中层是一间没有窗户的“密室”，里面放置浑象。天球的一半隐没在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠机轮带动旋转，一昼夜转动一圈，真实地再现了星辰的起落等天象的变化。下层包括报时装置和全台的动力机构等。设有向南打开的大门，门里装置有五层木阁，木阁后面是机械传动系统。报时装置第一层木阁又名“正衙钟鼓楼”，负责全台的标准报时。木阁设有三个小门。到了每个时辰（古代一天分做十二个时辰，一个时辰又分为时初和时正）的时初，就有一个穿红衣服的木人在左门里摇铃；每逢时正，有一个穿紫色衣服的木人在右门里敲钟；每过一刻钟，一个穿绿衣的木人在中门击鼓。第二层木阁负责报告时初、时正。这一层的机轮边有二十四个司辰木人手拿时辰牌，牌面依次写着子初、子正、丑初、丑正等。每逢时初、时正，司辰木人按时在木阁门前出现。第三层木阁负责报告时刻。这一层的机轮边有九十六个司刻木人手拿刻数牌，牌面依次写着刻数。每逢时刻，司刻木人按时在木阁门前出现。第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。第五层木阁装置有三十八个木人，木人位置可以随着节气的变更，报告昏、晓、日出以及几更几筹等详细情况。每层木阁内都有相应的机轮或轮辋，上挂抱牌木人；或用拨牙拨动门口木人手臂敲打乐器。这些机轮都装在一根机轮轴上。机轮轴有传动机构和天柱相连。天柱是贯通全台上中下三隔的传动轴。天柱下有个下轮，与枢轮轴伸出的地毂相结合。当作为原动轮的枢轮转动时就经过地毂传动，使天柱旋转起来，由此带动全仪。动力机构在下隔的中央部分设有一个直径达3米多的枢轮。枢轮上有72条木辐，挟持着36个水斗和勾状铁拨子。枢轮顶部和边上附设一组杠杆装置，它们相当于钟表中的擒纵器。在枢轮东面装有一组两级漏壶。壶水注入水斗，斗满时，枢轮即往下转动。但因擒纵器的控制，使它只能转过一个斗。这样就把变速运动变为等间歇运动，使整个仪器运转均匀。枢轮下有退水壶。在枢轮转动中各斗的水又陆续回到退水壶里。另用一套打水装置，由打水人搬转水车，把水打回到上面的一个受水槽中，再由槽中流入下面的漏壶中去。因此，水可以循环使用。打水装置和打水人则安置在下隔的北部。整个机械轮系的运转依靠水的恒定流量，推动水轮做间歇运动，带动仪器转动，因而命名为“水运仪象台”。

织锦机

南京云锦博物馆的织机综上所述，中国古代人民在原始的自动装置的创造和发明上取得过辉煌的成就。1.2近代控制时期

（1）工业革命的欧洲最先自觉地运用反馈原理，形成近代自动化技术。

调节器是最早被研究的控制装置。16世纪初C.Drebbel（荷） 温度调节器 C.惠更斯 钟摆理论1765 I.Polzunov（俄）浮球式液位调节器1788 J.瓦特（英）离心式速度调节器1840 J.C.麦克斯韦（法）《论调速器》， （以后有）K.N.康斯坦丁诺夫

电磁调速器1870-1900动态系统稳定性问题是研究焦点 next浮子水位

调节器进水管离心调速器构成闭环的转速调节系统。开创了近代自动控制的新纪元。Watt1736-1819电磁离合器使得动力的传递方便、灵活电磁离合器稳定性问题

离心调速器使用有时会造成系统不稳定振荡；船舶自动操舵机稳定性等实际问题迫使数学家研究动态系统的稳定性问题。Maxwell1831-1879Lyapunov1857-19181868年法国科学家麦克斯韦，首次全面论述反馈系统稳定性问题，经平衡点处线性化，获得代数特征方程，并以其根判断稳定性。1892A.M.李雅普诺夫（俄） 先后提出“近似法”和“直接法”。不仅可用来研究小偏移”下稳定性，而且可用来研究“大范围”稳定性

end1876年俄国机械学家N.A.维什涅格拉茨基，采用“摄动理论”，把问题简化为“线性齐次微分方程”的通解稳定性问题。1875-1895E.J.劳斯（英），A.霍尔维茨（德） 分别提出“代数稳定性判据”桥：风扰动系统不稳定美国华盛顿州Tacoma峡谷上建造的第一座大桥于1940年7月1日通车。发现，在风较大时，该桥发生震荡。同年11月7日，终于在一阵大风中，震荡不断加大而坍塌。 end破坏前破坏后稳定性概念：（锥中轴线与垂线夹角）/（轴线与水平夹角）非线性函数的线性化稳定性问题的数学描述（2）20年代开始利用频率法研究反馈控制时代1922N.米诺尔斯基（美） PID船舶驾驶伺服机1925布什（美） 大型模拟计算机Heaviside（英） 运用Laplace变换研究运算微积分， 开创了控制的频率法时代1927 布莱克（贝尔实验室） 研究电子管放大器时， 引入“反馈”概念1932H.奈奎斯特（美瑞）

频率响应判断稳定性1934H.H.沃兹涅先斯基（俄）《自动调整原理》 H.黑曾（美）《伺服机构理论》1938 A.B.米哈伊诺夫（苏） 《频率法》1939苏联成立 自动学远动学实验室 美国MIT 伺服实验室 经典控制理论开始形成 nextMinorsky和PIDMinorsky俄裔美国科学家1922年提出PID，并成功用于美国军舰Bush1890-1974大型模拟计算机目前美国：只有少数大学用它做实验；部分大学用它作为模拟负载。运算放大器、电阻、电容构成；信号由连续电量实现；可进行加减乘除、微分积分。Laplace变换（时域<==>频域）Laplace变换用于研究微分方程前向通路反馈通路幅相频率特性曲线根据幅相频率特性曲线与(-1,0)的几何代数关系判断闭环系统是否稳定Nyquest1889-1976对数频率曲线Bode1905-1982轧钢伺服装置拉丝伺服装置Hazen1901-19801934年在研究网络模拟计算机期间提出了“伺服控制理论”软驱伺服机构磁带机伺服机构光盘电机聚焦电机聚焦光束轨道跟踪电机伺服实验室（3）30年代提出程序控制和自动机 新思想的萌芽1933C.巴贝奇（英）程序控制（穿孔卡片）1936A.M.图灵（英）

图灵机和自动机理论1938C.E.香农（美）、中岛（日） 舍斯塔科夫（苏） 双态逻辑控制

end

飞机自动驾驶仪、火炮定位仪、雷达控制仪等武器研制促使经典控制理论（研究单变量控制）成熟，控制系统设计由“手艺”走向“工程”（系统化、程式化）。 （1）40—50年代 控制论、计算机、信息论的产生 （2）50年代 进入局部自动化时代

1.3经典控制时期end（1）40、50年代控制论、计算机、信息论的产生1938C.E.香农（美） 继电器逻辑自动机理论Shannon1916-20011940N.维纳 随机过程的预测和滤波1942N.维纳 平稳时间序列外推、内插、平滑1945 J.冯.诺依曼 提出“存储程序”概念，数字计算机问世

《博弈论和经济行为》1948C.E.香农 《通信的数学理论》奠定信息论1948 N.维纳 《控制论》1952J.冯.诺依曼 “冗余技术”（提高可靠性） W.R.阿什比（英医） 自镇定、自适应概念约翰.纳什，摩根斯滕 奠定数理经济学1954钱学森 《工程控制论》ControlCybernetics,Computer,Information的相继创立为60年代后的快速发展奠定了基础。

end

（2）50年代进入局部自动化时代

局部自动化：单过程、单机自动化 组成： 机电型PID调节装置柜； 继电器、接触器构成逻辑控制柜 早期： 液压、气动、机电测量仪表和调节装置； 笨拙、结构复杂、精度低、费用高。 后期： 电动毫伏计、电位差计、电子放大器构成 电动、电子组合式自动化仪表； 灵活、成本低、调节方便。end大作业题目1、从现实生活中列举两个自动化控制理论应用的系统实例，并加以分析。

2、什么是负反馈？负反馈在改善系统系能方面起到了什么作用？自动化导论

第三讲

现代控制系统

自动化学院荆晓远1目录1.1简介1.2自动化控制系统发展史1.3控制工程实践1.4现代自动化控制系统实例1.5控制系统的经济效益1.6自动化控制系统的未来1.7工程设计1简介1简介

自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。

1简介基础的理论是由诺伯特·维纳，鲁道夫·卡尔曼提出的。

1简介1简介1简介1简介1.2自动化控制系统发展史1.2自动化控制系统发展史1.2自动化控制系统发展史1.2自动化控制系统发展史150多年前第一代过程控制体系是基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，PneumaticControlSystem）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。1.2自动化控制系统发展史第二代过程控制体系（模拟式或ACS,AnalogControlSystem）是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它标志了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。1.2自动化控制系统发展史第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，ComputerControlSystem）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，1.2自动化控制系统发展史它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用4－20mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。1.2自动化控制系统发展史第四代过程控制体系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），1.2自动化控制系统发展史它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于4－20mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。1.2自动化控制系统发展史第五代过程控制体系（FCS，FieldbusControlSystem现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不1.2自动化控制系统发展史断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。1.2自动化控制系统发展史单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。主要的总线有Profibus，LonWorks等。1.3控制工程实践1.3控制工程实践1.3控制工程实践调速器

调速器（governor）是一种自动调节装置，它根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速运行。调速器已经在工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。1.3控制工程实践

火力控制

控制火炮、火炮群或导弹发射器瞄准和射击的整套设备。火力控制系统常用于地面和舰上火炮、防空火炮、轰炸机防御火炮以及船上和飞机上的火箭、导弹的控制。广义的火力控制系统还包括指挥截击机的飞机、导弹的地面引导站、弹道导弹防御系统中的地面系统。

1.3控制工程实践

简单的火力控制系统主要由敏感元件、计算机和定位伺服机构组成。常用的火力控制系统有防空系统、航空火力控制系统、舰载火力控制系统、反坦克导弹控制系统、反导弹防御火力控制系统等。

1.3控制工程实践伺服系统伺服系统（servomechanism）又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。1.3控制工程实践它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角），其结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。1.3控制工程实践1.3控制工程实践防侧滑系统汽车制动时，如果四只轮胎附着地面的条件不同，比如，左侧轮附着在湿滑路面，而右侧轮附着于干燥路面，四个轮子与地面的摩擦力不同，在制动时(四个轮子的制动力相同)就容易产生打滑、倾斜和侧翻等现象。

1.3控制工程实践EBD的功能就是在汽车制动的瞬间，高速计算出四个轮胎由于附着不同而导致的摩擦力数值，然后调整制动装置，使其按照设定的程序在运动中高速调整，达到制动力与摩擦力(牵引力)的匹配，以保证车辆的平稳和安全。

1.3控制工程实践调节器

将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器。

1.3控制工程实践

1.3控制工程实践控制器控制器（英文名称：controller）是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，

1.3控制工程实践它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

1.3控制工程实践振荡器振荡器（英文：oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。1.3控制工程实践按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.4现代自动化控制系统实例1.5自动化系统的经济效益自动化技术的深入发展，促进了单元技术的不断综合，以CIMS为代表的未来工厂自动化技术，正不断显示出其巨大的效益，以美国科学院根据对美国在CIMS方面较领先的五大公司的长期调查分析，认为采用先进自动化技术，如CIMS，可以获得以下效益：1.5自动化系统的经济效益

a.产品质量提高200-500%自动控制b.生产率提高40-70%c.设备利用率提高200-300%d.生产周期缩短30-60%1.5自动化系统的经济效益

e.在制品减少30-60%f.工程设计费用减少15-30%g.人力费用减少5-20%h.提高工程师的工作能力300-3500%

由此可见，自动化技术的应用，其效益明显提高。1.6自动化控制系统的未来1.6自动化控制系统的未来IEC61131自颁布以来已经逐渐成为一个被各大控制系统厂商接纳的国际化标准。这自然是得益于OPC技术的出现和Windows、Microsoft平台的普遍使用和发展，才使得在电气自动化控制系统的未来发展中计算机占据重要地位并无可取代。上述计算机网络技术的需素发展和普及引发了

1.6自动化控制系统的未来电气系统自动化的革命，也正是由此出现的市场需求推动了IT平台与电气自动化的不断融合，期间电子商务的迅速发展加速了这一进程。正如一个企业，其管理层可以利用标准的企业软件分析企业财务、人力等管理方面的重要信息，也可以借此实现企业的实时监控。虚拟的现实技术、视频处理技术的不断应用，必然对未来自动化系统产生非常大的影响，1.6自动化控制系统的未来比如设计开机界面和设备保护系统等。软件的重要性不断的从单一设备向集成设备系统转移，这是不可逆转的大势。这一趋势中，对软件的结构合理性和发展空间、通讯数据的接受能力以及组态环境使用和统一的要求更高，这些因素也变得越加重要。随着这样的趋势的实现，电气自动化必将得到不断的提高和完善，而在更多的领域起到重要作用。1.6自动化控制系统的未来于此同时，这一过程中不能忽视创新的力量，不断的降低生产成本的同时兼顾科学生产效率的提高，并且面向市场不断的增加产品的市场适应性，减少消耗的同时提高质量，满足各方面的合理要求。这样，才能使这一发展趋势更好更快的实现和进行。1.6自动化控制系统的未来实际上，电气自动化控制系统的发展趋势应该是分散、开放并具备信息化特征的。分散的结果能保证网络中每一个模块职能的独立从而分散系统危险实现系统运行的安全可靠；开放性的系统结构则是通过外部接口实现内外部系统的网络连接；信息化则使所有的信息得到综合分析处理.1.6自动化控制系统的未来实现网络科技与管理的结合、一体化，真正做到电气自动化控制系统的不断提升。未来的发展趋势中，我国企业还需保证稳定的健康发展，认识不足并不断的通过高新科技的学习巩固基础能力，发挥创新精神，才能开创出和谐的发展局面，为工业自动化的实现做贡献1.7工程设计1.7工程设计1.7工程设计1.7工程设计谢谢!智能控制技术荆晓远教授

南京邮电大学自动化学院智能控制的发展、概念及特点一智能控制的产生和发展录音：智能控制思潮出现于60年代，智能控制的产生和发展经历了萌芽、形成和发展三个阶段。

现在发展期形成期萌芽期196019701980智能控制的发展、概念及特点智能控制的发展智能控制的发展、概念及特点1965年，加利福尼亚大学的扎德(L.A.Zadeh)教授提出了模糊集合理论；1）萌芽期（1960－1970）L.A.Zadeh智能控制的发展智能控制的发展、概念及特点这标志着智能控制的思想已经萌芽。1967年，利昂德斯（C.T.Leondes）和门德尔首先使用“智能控制”一词。1）萌芽期（1960－1970）智能控制的发展智能控制的发展、概念及特点1965年，加利福尼亚大学的扎德(L.A.Zadeh)教授提出了模糊集合理论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具；这标志着智能控制的思想已经萌芽。1967年，利昂德斯（C.T.Leondes）和门德尔首先使用“智能控制”一词。1）萌芽期（1960－1970）智能控制的发展、概念及特点智能控制的发展2）形成期（1970－1980）20世纪70年代可以看做是智能控制的形成期：1974年英国工程师曼德尼（E.H.Mamdani）将模糊集合和模糊语言用于锅炉和蒸汽机的控制，取得良好的结果。1977年，萨里迪斯(Saridis)提出智能控制三元结构定义。1985年，IEEE在纽约召开了第一届全球智能控制学术讨论会，标志着智能控制作为一个学科分支正式被学术界接受。1987年在费城举行的国际智能控制会议上，提出了智能控制是自动控制，人工智能、运畴学相结合的说法。此后，每年举行一次全球智能控制研讨会，形成了智能控制的研究热潮。智能控制的发展、概念及特点智能控制的发展3）发展期（1980－）智能控制的发展自动控制的发展过程开环控制反馈控制最优控制随机控制自适应/鲁棒控制自学习控制智能控制进展方向控制复杂性智能控制的发展、概念及特点经典控制理论现代控制理论智能控制理论智能控制的发展智能控制的发展、概念及特点

随着被控对象复杂程度的增加以及控制要求的提高，自动控制也经历了由经典控制理论里最简单的开环控制、反馈控制到现代控制理论的最优控制、随机控制以及自适应鲁棒控制，到目前发展为智能控制理论中的自学习控制和智能控制。

智能控制在控制理论中的位置智能控制的发展、概念及特点《智能控制》是目前控制理论的最高级形式，代表了控制理论的发展趋势，能有效地处理复杂的控制问题。

其相关技术可以推广应用于控制之外的领域：金融、管理、土木、医疗等等。智能控制的概念控制目标实现控制的核心重要的是智能控制的发展、概念及特点智能控制的智能仍然是实现自动控制“知识”和“推理思考”模仿人的智能，包括利用人类现有的控制知识和推理方法，当然也结合了机器学习来产生知识、结合计算推理来得出结论。人类智能和机器计算智能的结合

智能控制的目标仍然是实现自动控制，但其实现控制的核心是“知识”和“推理思考”。其中重要的是模仿人的智能，包括利用人类现有的控制知识和推理方法，当然也结合了机器学习来产生知识、结合计算推理来得出结论。所以智能控制的智能是人类智能和机器计算智能的结合。智能控制的概念智能控制的发展、概念及特点

智能控制属于典型的交叉学科，涉及人工智能、自动控制、运筹学、系统论、信息论等，在系统的实现上则必须依托计算机技术。

智能控制的三元结构人工智能(AI)运筹学(OR)智能控制自动控制(AC)智能控制的发展、概念及特点智能控制的特点智能控制的特点智能控制的发展、概念及特点赖祖亮@小木虫2自适应能力、鲁棒性好31

非线性、时变和复杂不确定控制对象节能好，并行操作，开发成本低1）被控过程节能好，具有并行操作特点，开发成本低；2）控制效果具有自适应能力、鲁棒性好：智能控制不依赖于对象模型，可以自适应调整控制策略。同时，由于智能的非定量粗略描述性，智能控制系统更能容忍噪声干扰；3）特别适合非线性、时变和复杂不确定的控制对象。这些对象正好是传统控制方法难以取得好控制效果的被控对象。智能控制的特点智能控制的发展、概念及特点智能

控制智能医疗

工业

智能交通

航天航空

军事领域

智能家电

智能家居

智能电网录音：智能控制代表着当今科学和技术发展的最新方向之一。目前，智能控制技术已经日渐完善，并得到广泛应用，例如智能家电、智能家居、智能电网、智能交通，航空航天、军事以及工业、医疗等领域。智能控制应用领域智能家电已成新宠智能控制应用领域录音：智能家电已成新宠。在日本，几乎所有家用电器制造厂商都使用模糊技术。智能家电已成新宠录音：松下和日立公司已生产了智能洗衣机，拥有更加人性化的设计，可以自动调整洗衣服得各项参数，根据衣服来调整洗涤所需水位及洗涤时间。根据不同衣物的面料调整洗衣过程，更好保护衣物。目前，很多大型家电集团已开发了国产模糊控制洗衣机，如：“小天鹅”，“海尔”等名牌智能洗衣机。智能洗衣机品味从容生活，以人性为理念，点滴智能皆随心所愿.智能控制应用领域机器“IQ”的提高智能控制应用领域录音：三菱和夏普公司生产的空调因使用了模糊控制技术而可节省能源20%以上。佳能和索尼公司生产的照相机使用模糊逻辑技术来实现自动对焦功能。智能空调智能电视录音：索尼和三洋生产的一些电视机使用模糊逻辑来自动调整屏幕的颜色、对比度和亮度。另外，我国的智能家电产品也取得了一些进展。智能控制应用领域智能家居让家心有灵犀智能控制应用领域智能家居让家心有灵犀智能控制应用领域智能家居控制系统智能控制应用领域智能家居控制系统智能家居系统提供面向家庭设备的网络平台，将通信设备、家用电器设备和安防装置等连接成网络，进行集中监视与控制，达到家庭事务管理的目的。智能家居系统向用户提供家电统一管理、室内无线遥控、家居安全保障等功能，为住户提供一个温馨舒适、安全节能、先进易用的智能家居环境。智能控制应用领域智能电网---能源价值链的变革智能控制应用领域智能电网---能源价值链的变革智能控制应用领域录音：“智能电网”将传统的煤炭发电电网转变为智能化、交互式电网，这对能源价值链的革命性变化就如同因特网在上世纪90年代末对IT行业的变革一样。智能电网---能源价值链的变革因特网

IT行业能源价值链智能电网智能控制应用领域智能电网的应用智能控制应用领域汽车与智能交通汽车中也使用了大量的智能控制技术来完成控制功能。如Nissan豪华汽车中使用了模糊控制的反咬死刹车系统，基于模糊逻辑的无级变速器。其他汽车生产厂家也已开发了模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。智能控制应用领域

日本仙台的地铁使用模糊控制技术，使地铁机车启动和停车非常平稳，乘客不必抓住扶手也能保持平衡。智能控制应用领域汽车与智能交通智能交通系统是灵活运用信息通信及智能控制技术，使人、车、路融为一体，提高交通设施的利用率，削减交通出行，从而达到建立安全、高效、快速、舒适，并有利于环境的交通运输系统。智能控制应用领域汽车与智能交通

近年来，智能控制技术的迅速发展促进了其在航天航空及军事领域的应用，像神经网络控制、模糊控制等智能技术特别适合于航空发动机这样复杂的强非线性的多变量系统，在航天航空领域中的应用具有十分广阔的前景。航空发动机智能控制应用领域航空航天及军事领域

航空航天及军事领域航空发动机智能控制应用领域智能控制应用领域航空航天及军事领域模糊逻辑现已应用于各种导航系统，如美国航空和宇航局正在开发一种用于将引导航天飞机和空间站相连的自动系统。工业

最早的实用工业过程模糊控制是丹麦F.L.Smith公司研制的水泥窑模糊逻辑计算机控制系统，它已作为商品投放市场，是模糊控制在工业过程中成功应用的范例之一。智能控制应用领域工业现在模糊逻辑已广泛应用于各种从简单到复杂的工业诊断和控制系统中。智能控制应用领域工业高炉炼铁智能控制应用领域智能控制作为一项关键技术，尤其在钢铁冶金行业中也得到了较多的应用。高炉生产工艺流程智能控制应用领域工业原料供应系统工业智能控制应用领域医疗诊断赖祖亮@小木虫赖祖亮@小木虫1中医诊治系统2新生儿血糖代谢系统3肌电信号识别系统智能控制应用领域

在医学诊断方面，根据智能专家控制技术得出的医疗诊治系统，其诊断准确率与传统的专家系统完全一致；基于DP网络肌电信号识别系统，准确性也明显优于时域分析方案；基于逆传播的中医诊治系统和基于RBF网络的新生儿血糖代谢系统等，在疾病的诊治过程中均取得了良好的结果。智能控制应用领域医学五公斤级系列公共安全机器人系统智能控制应用领域移动机器人应用实例智能轮椅无人驾驶自主车辆智能控制应用领域移动机器人应用实例日本火星探测机器人智能控制应用领域美国火星探测机器人移动机器人应用实例德国的排爆机器人智能控制应用领域危险场合下的排爆机器人移动机器人应用实例危险环境下的清理机器人智能控制应用领域我国研制的排爆机器人移动机器人应用实例“先行者”类人型机器人智能控制应用领域家庭网络保健系统a)组成：建立开放式架构的家庭保健医生智能机器人平台；b)性能：对人体的健康状况进行监督，通过网络和网络化的健康保健数据中心，记录人每天的健康数据。通过对数据库数据进行观察和处理，可以将医生的建议和忠告反馈给用户，并对健康进行预警。C）主要参数：测量人体温度、血压、脉搏、心电图；结合人体重量等参数分析人体的水平衡状态；智能控制应用领域家庭卫士网络机器人a)组成：2轮差动的类人形移动平台、1DOF头部、自主导航系统；b)性能：负责家庭环境的安全检测，如煤气、空气质量、无人环境下的守卫。并通过无线网络与主人通报。同时能控制家中的部分电器，儿童在家的守护。C）主要参数：重量<20公斤；速度〉30厘米/秒；电池使用时间〉2小时；测量环境的温度、湿度、煤气的含量，准确率95%以上；Internet控制智能控制应用领域END

第五章模式识别技术简介荆晓远

教授南京邮电大学自动化学院与模式识别相关的学科统计学概率论线性代数（矩阵计算）形式语言机器学习人工智能图像处理计算机视觉

机构、会议、刊物1973年IEEE发起了第一次关于模式识别的国际会议“ICPR”（此后两年一次），成立了国际模式识别协会-“IAPR”1977年IEEE成立PAMI委员会，创立IEEETrans.onPAMI，并支持ICCV,CVPR两个会议其他刊物PatternRecognition(PR)PatternRecognitionLetters(PRL)InternationalJournalofPatternRecognitionandArtificialIntelligence(IJPRAI)3.1模式识别概论什么是模式（Pattern）？

什么是模式？广义地说，存在于时间和空间中可观察的物体，如果可以区别它们是否相同或是否相似，都可以称之为模式。模式通常指的不是事物本身，而是从事物获得的信息，因此，模式往往表现为具有时间和空间分布的信息。模式的直观特性:可观察性可区分性相似性

模式识别的概念模式识别–

直观，无所不在，“物以类聚，人以群分”周围物体的认知：桌子、椅子人的识别：张三、李四声音的辨别：汽车、火车，狗叫、人的语言气味的分辨：炸带鱼、红烧肉、香水等等人和动物的模式识别能力是极其平常的，但对计算机来说却是非常困难的。

模式识别的研究目的：利用计算机对物理对象进行分类，在错误概率最小的条件下，使识别的结果尽量与客观物体相符合。Y=F(X)X的定义域取自特征集Y的值域为类别的标号集F是模式识别的判别方法

模式识别简史1929年G.Tauschek发明阅读机，能够阅读0-9的数字。30年代Fisher提出统计分类理论，奠定了统计模式识别的基础。50年代NoamChemsky提出形式语言理论傅京荪提出句法结构模式识别（模式识别与人工智能）。

模式识别简史60年代L.A.Zadeh提出了模糊集理论，模糊模式识别方法得以发展和应用。80年代以Hopfield网络、BP网络为代表的神经网络模型导致人工神经元网络复活，并在模式识别得到较广泛的应用。90年代小样本学习理论，支持向量机也受到了很大的重视。

模式识别的应用（举例）生物学自动细胞学、染色体特性研究、遗传研究天文学天文望远镜图像分析、自动光谱学经济学股票交易预测、企业行为分析医学心电图分析、脑电图分析、医学图像分析模式识别的应用（举例）工程产品缺陷检测、特征识别、语音识别、自动导航系统、污染分析军事航空摄像分析、雷达和声纳信号检测和分类、自动目标识别安全指纹识别、人脸识别、监视和报警系统

模式识别方法模式识别系统的目标：在特征空间和解释空间之间找到一种映射关系，这种映射也称之为假说。特征空间：从模式得到的对分类有用的度量、属性或基元构成的空间。解释空间：将c个类别表示为 其中为所属类别的集合，称为解释空间。

模式识别系统的目标：在特征空间和解释空间之间找到一种映射关系，这种映射也称之为假说。特征空间：从模式得到的对分类有用的度量、属性或基元构成的空间。解释空间：将c个类别表示为 其中为所属类别的集合，称为解释空间。

模式识别方法模式识别系统的目标：在特征空间和解释空间之间找到一种映射关系，这种映射也称之为假说。特征空间：从模式得到的对分类有用的度量、属性或基元构成的空间。解释空间：将c个类别表示为 其中为所属类别的集合，称为解释空间。

假说的两种获得方法监督学习、概念驱动或归纳假说：在特征空间中找到一个与解释空间的结构相对应的假说。在给定模式下假定一个解决方案，任何在训练集中接近目标的假说也都必须在“未知”的样本上得到近似的结果。依靠已知所属类别的的训练样本集，按它们特征向量的分布来确定假说（通常为一个判别函数），只有在判别函数确定之后才能用它对未知的模式进行分类；对分类的模式要有足够的先验知识，通常需要采集足够数量的具有典型性的样本进行训练。

假说的两种获得方法（续）非监督学习、数据驱动或演绎假说：在解释空间中找到一个与特征空间的结构相对应的假说。这种方法试图找到一种只以特征空间中的相似关系为基础的有效假说。在没有先验知识的情况下，通常采用聚类分析方法，基于“物以类聚”的观点，用数学方法分析各特征向量之间的距离及分散情况；如果特征向量集聚集若干个群，可按群间距离远近把它们划分成类；这种按各类之间的亲疏程度的划分，若事先能知道应划分成几类，则可获得更好的分类结果。

模式分类的主要方法数据聚类统计分类结构模式识别神经网络数据聚类目标：用某种相似性度量的方法将原始数据组织成有意义的和有用的各种数据集。是一种非监督学习的方法，解决方案是数据驱动的。统计分类基于概率统计模型得到各类别的特征向量的分布，以取得分类的方法。特征向量分布的获得是基于一个类别已知的训练样本集。是一种监督分类的方法，分类器是概念驱动的。结构模式识别该方法通过考虑识别对象的各部分之间的联系来达到识别分类的目的。识别采用结构匹配的形式，通过计算一个匹配程度值（matchingscore）来评估一个未知的对象或未知对象某些部分与某种典型模式的关系如何。结构模式识别当成功地制定出了一组可以描述对象部分之间关系的规则后，可以应用一种特殊的结构模式识别方法–

句法模式识别，来检查一个模式基元的序列是否遵守某种规则，即句法规则或语法。神经网络神经网络是受人脑组织的生理学启发而创立的。由一系列互相联系的、相同的单元（神经元）组成。相互间的联系可以在不同的神经元之间传递增强或抑制信号。神经网络增强或抑制是通过调整神经元相互间联系的权重系数来（weight）实现。神经网络可以实现监督和非监督学习条件下的分类。

模式识别系统模式识别系统的基本构成数据获取特征提取和选择预处理分类决策分类器设计模式识别系统组成单元数据获取：用计算机可以运算的符号来表示所研究的对象二维图像：文字、指纹、地图、照片等一维波形：脑电图、心电图、季节震动波形等物理参量和逻辑值：体温、化验数据、参量正常与否的描述模式识别系统组成单元预处理单元：去噪声，提取并增强有用信息，并对输入测量仪器或其它因素所造成的退化现象进行复原模式识别系统组成单元特征提取和选择：对原始数据进行变换，得到最能反映分类本质的特征测量空间：原始数据组成的空间特征空间：分类识别赖以进行的空间模式表示：维数较高的测量空间->维数较低的特征空间模式识别系统组成单元分类决策：在特征空间中用模式识别方法把被识别对象归为某一类别基本做法：在样本训练集基础上确定某个判决规则，使得按这种规则对被识别对象进行分类所造成的错误识别率最小或引起的损失最小3.2人脸识别技术概述231引子人世间找不两张完全一样的脸！人脸是人类赖以区分不同人的基本途径谁决定了你的长相？基因+成长环境双胞胎夫妻相世间一切尽在脸上！232提纲相关背景人脸识别的基本原理人脸检测典型方法人脸识别的典型方法开放问题及讨论233无处不在的身份验证如何证明你的身份？设想你被警察拦下...传统方法Whatyouhave身份证，暂住证，结婚证，工作证，银行卡，钥匙...WhatyouknowPassword，information(去清华)...Whatyouare/howyoudo一种新的技术手段——Biometrics234传统方法有什么问题？卡、钥匙丢失青年公寓的钥匙牌...密码危机密码遗忘纽约每天1000人以上忘记密码密码被猜中生日、电话号码、车号、宿舍...Heavywebusershavean

averageof21passwords;81%ofusersselectacommonpassword

and30%writetheirpasswordsdownorstoretheminafile.(2002NTAMonitorPasswordSurvey)损失2002年，仅美国330万人次的身份盗用；670万信用卡诈骗案235一种新的技术手段生物特征识别技术Biometrics什么是Biometrics?Bio——生物Metrics——测量事实含义通过人体自身的生理特征(whatyouare)或行为特征(howyoudo)进行身份验证的技术236Biometrics生理特征(whatyouare)Finger,face,palm,hand,foot,iris,vein...行为特征(howyoudo)步态，声音，敲击键盘，签名...人人拥有，人各不同！237生物特征识别技术Biometrics)238Biometrics孰优孰劣？Universality(alluserspossessthisbiometric)Uniqueness(variesacrossusers)Permanence(doesnotchangeovertime)Collectability(canbemeasuredquantitatively)Performance(Lowerrorratesandprocessingtime)Acceptability(isitacceptabletotheusers?)Circumvention(canitbeeasilyspoofed?)239Biometrics比较BiometricsUniversalityUniquenessPermanenceCollectabilityPerformanceAcceptabilityCircumventionFaceHLMHLHLFingerprintMHHMHMLHandGeometryMMMHMMMIrisHHHMHLHRetinalScanHHMLHLHSignatureLLLHLHLVoiceMLLMLHLFacialThermogramHHLHMHH240为什么要做人脸识别？多学科领域的挑战性难题模式识别：最典型、最困难的模式识别问题人工智能：人类智能的基本体现计算机视觉：实现人眼的功能下一代人机交互让计算机不再“熟视无睹”让计算机具有人类的情感广泛的应用前景…

人脸识别相比其他生物特征识别的优势…

241应用模式典型具体应用特点说明应用领域身份识别出入境管理过滤敏感人物（间谍、恐怖分子等）国家安全公共安全嫌疑人照片比对公安系统用于确定犯罪嫌疑人身份敏感人物智能监控监控敏感人物（间谍、恐怖分子等）网上追逃在PDA等移动终端上进行现场比对会议代表身份识别防止非法人员进入会场带来危险因素关键场所视频监控如银行大厅，预警可能的不安全因素家政服务机器人能够识别家庭成员的智能机器人人机交互自动系统登陆自动识别用户身份，提供个性化界面智能Agent自动识别用户身份，提供个性化界面真实感虚拟游戏提供真实感的人物面像，增加交互性身份验证护照、身份证、驾照等各类证件查验海关、港口、机要部门等查验持证人的身份是否合法公共安全准考证查验防止替考问题教育机要部门物理门禁避免钥匙和密码被窃取造成失窃公共安全机要信息系统门禁避免单纯的密码被窃取造成信息被窃信息安全面像考勤系统方便，快捷，杜绝代考勤问题企业应用金融用户身份验证避免单纯的密码被窃取造成财产损失金融安全电子商务身份验证安全可靠的身份验证手段金融安全智能卡安全可靠的授权信息安全会议代表身份验证防止非法人员进入会场带来危险因素公共安全屏幕保护程序方便快捷的允许合法用户打开屏保人机交互242人脸识别相关研究内容生物特征