控制论课件PPT

1、CyberneticsCybernetics授课人：任文授课人：任文控制论是美国犹太人诺伯特维纳在二战期间创立的一种理论，他摒弃了狭隘的专业分工，将各门学科相互渗透、找到了机器和生命机体之间的共同点信息变换过程，形成了一门既包括机器、又包括生命机体的统一的普遍理论控制论，其目的是解决“既是机器中又是活的机体中的控制和通讯的问题。n控制论是美国数学家罗伯特控制论是美国数学家罗伯特. .维纳维纳(1894-1964)(1894-1964)于于19481948年创年创立的。立的。n维纳在维纳在20-3020-30年代就对自动控制系统有极大兴趣。第二次年代就对自动控制系统有极大兴趣。第二次世界大战期间

2、，他参加了火炮自动控制的研究工作。这对他世界大战期间，他参加了火炮自动控制的研究工作。这对他创立控制论具有决定性的意义。创立控制论具有决定性的意义。n把火炮自动打飞机的动作过程与人狩猎的行为作了类比，把火炮自动打飞机的动作过程与人狩猎的行为作了类比，从中发现了重要的反馈概念。他认为稳定活动的方法之一，从中发现了重要的反馈概念。他认为稳定活动的方法之一，是把活动的结果所决定的一个量，作为信息的新调节部分，是把活动的结果所决定的一个量，作为信息的新调节部分，反馈回控制仪器中。反馈回控制仪器中。n维纳研究了随机过程的预测和滤波理论在自动火炮上的运维纳研究了随机过程的预测和滤波理论在自动火炮上的运用，

3、为控制论提供了数学方法。用，为控制论提供了数学方法。n19431943年，维纳等人共同发表了年，维纳等人共同发表了 行为、目的和目的论行为、目的和目的论 一一文，标志控制论开始萌芽。文，标志控制论开始萌芽。2020世纪世纪30304040年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认年代人们对信息和反馈有了比较深刻的认识识一些著名科学家环绕信息和反馈进行了大量的研究工一些著名科学家环绕信息和反馈进行了大量的研究工作。作。n英国统计学家英国统计学家R.A.R.A.费希尔从古典统计理论的角度研究费希尔从古典统计理论的角度研究信息理论信息理论提出单位信息量的问题。提出单位信息量的问题。n美国电信工程师香农从通

4、信工程的角度研究信息量的美国电信工程师香农从通信工程的角度研究信息量的问题问题提出信息熵的公式。提出信息熵的公式。n美国数学家维纳则从控制的观点研究有噪声的信号处美国数学家维纳则从控制的观点研究有噪声的信号处理问题理问题建立了维纳滤波理论建立了维纳滤波理论并分析了信息的概念并分析了信息的概念提出测定信息量的公式和信息的实质问题。提出测定信息量的公式和信息的实质问题。n他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题他们几乎在同一个时候解决了信息的度量问题人们逐渐人们逐渐深入了解反馈控制系统的工作原理。深入了解反馈控制系统的工作原理。n19321932年美国通信工程师奈奎斯特发现负反馈放大器的稳定年美国

5、通信工程师奈奎斯特发现负反馈放大器的稳定性条件性条件即著名的奈奎斯特稳定判据。即著名的奈奎斯特稳定判据。n19451945年维纳把反馈概念推广到一切控制系统年维纳把反馈概念推广到一切控制系统把反馈理解把反馈理解为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入为从受控对象的输出中提取一部分信息作为下一步输入从而对再输出发生影响的过程。从而对再输出发生影响的过程。n巴甫洛夫条件反射学说证明了生命体中也存在着信息和反巴甫洛夫条件反射学说证明了生命体中也存在着信息和反馈问题。馈问题。 1943-1944 1943-1944年，维纳和冯年，维纳和冯. .诺伊曼诺伊曼(1903-1957)(1903-19

6、57)发起，发起，在普林斯顿召开了有工程师、生物学家、心理学家、在普林斯顿召开了有工程师、生物学家、心理学家、数学家参加的交叉学科的学术讨论会。数学家参加的交叉学科的学术讨论会。n19461946年，在纽约召开了反馈问题的学术讨论会。年，在纽约召开了反馈问题的学术讨论会。n这两次会议对控制论的产生起了重要的推动作用。这两次会议对控制论的产生起了重要的推动作用。n维纳对会议形成的一些概念和思想加以总结，在维纳对会议形成的一些概念和思想加以总结，在19481948年写成了年写成了控制论控制论一书。一书。n控制论控制论引进了系统、目的、反馈、信息、功能模引进了系统、目的、反馈、信息、功能模拟、黑箱方

7、法等一系列独特的概念，讨论了如何实现拟、黑箱方法等一系列独特的概念，讨论了如何实现对系统的控制问题。对系统的控制问题。n控制论控制论的出版，成为控制论诞生的标志。的出版，成为控制论诞生的标志。n此后，控制论又扩展出工程控制论、生物控制论、社此后，控制论又扩展出工程控制论、生物控制论、社会控制论、经济控制论等分支学科。会控制论、经济控制论等分支学科。 （3）随机控制）随机控制 在许多情况下，控制在许多情况下，控制任务既不是受控制量保持不变，也不是任务既不是受控制量保持不变，也不是使它按照预定的规律变化，而是随着某使它按照预定的规律变化，而是随着某个预先不能确定的规律变化。如火炮控个预先不能确定的

8、规律变化。如火炮控制，产品跟踪市场的波动而波动。制，产品跟踪市场的波动而波动。（4）最优控制）最优控制 使系统的某种性达到使系统的某种性达到最优，即实际对系统的最优控制。如发最优，即实际对系统的最优控制。如发电站保证发电机最大效益的控制。电站保证发电机最大效益的控制。（1）简单控制（2）补偿控制（3）反馈控制（4）递阶控制 T多段递阶控制多级递阶控制控制系统的基本结构图：敏感环节敏感环节决策环决策环节节放大环放大环节节执行环执行环节节受控环受控环节节反馈环节反馈环节输入输入输出输出n控制论的发展过程大致分为三个阶段：控制论的发展过程大致分为三个阶段：n2020世纪世纪5050年代末期以前为第一

9、阶段，称为经典控制论阶段；年代末期以前为第一阶段，称为经典控制论阶段；n5050年代末期至年代末期至7070年代初期为第二阶段，称为现代控制论阶年代初期为第二阶段，称为现代控制论阶段；段；n7070年代初期至现在为第三阶段，称为大系统理论阶段。年代初期至现在为第三阶段，称为大系统理论阶段。n经典控制论主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规经典控制论主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立了系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等控制律，它建立了系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等控制论的基本概念和分析方法，研究的重点是反馈控制，核心装置论的基本概念和分析方法，研究的重点是反

10、馈控制，核心装置是自动调节器，主要应用于单元装置自动化。是自动调节器，主要应用于单元装置自动化。n现代控制论的研究对象是多输入和多输出系统的非线性控制系现代控制论的研究对象是多输入和多输出系统的非线性控制系统，其中重点研究的是最优控制、随机控制和自适应控制，主统，其中重点研究的是最优控制、随机控制和自适应控制，主要应用于大规模机组自动化和生物系统。要应用于大规模机组自动化和生物系统。n大系统理论的主要研究对象是众多因素复杂的控制系统大系统理论的主要研究对象是众多因素复杂的控制系统( (如宏观如宏观经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统等经济系统、资源分配系统、生态和环境系统、能源系统

11、等) )，研，研究的重点是大系统的多级递阶控制、分解究的重点是大系统的多级递阶控制、分解- -协调原理、分散最优协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论等。控制和大系统模型降阶理论等。工程控制论工程控制论生物控制论生物控制论量子控制论量子控制论智能控制论智能控制论控制论控制论控制方控制方法论法论社会控制论社会控制论经济控制论经济控制论管理控制论管理控制论n19541954年，中国科学家钱学森年，中国科学家钱学森(1911-2009)(1911-2009)运用控制论的基本思想和概念，结合战运用控制论的基本思想和概念，结合战争中迅速发展的伺服机理论，把控制论争中迅速发展的伺服机理论，把控制论运用

12、于工程的自动控制系统的设计、分运用于工程的自动控制系统的设计、分析中，完成了经典控制论的综合，创立析中，完成了经典控制论的综合，创立了了工程控制论。工程控制论。代表著作代表著作工程控制论工程控制论( (钱学森、宋健著钱学森、宋健著) )。n6060年代初，现代控制理论发展起来。年代初，现代控制理论发展起来。n7070年代，又出现了第三代控制理论。年代，又出现了第三代控制理论。控制论控制论工程应用工程应用理论体系理论体系工工业业自自动动化化科学方法论科学方法论控制理论控制理论自动化技术自动化技术农农业业自自动动化化军军事事自自动动化化金金融融自自动动化化楼楼宇宇自自动动化化环环保保自自动动化化医

13、医疗疗自自动动化化n1400B.C. 1100B.C.，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶，中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶n300B.C.300B.C.，李冰主持修筑都江堰体现了系统工程观念和实践。，李冰主持修筑都江堰体现了系统工程观念和实践。 西汉漏壶西汉漏壶 都江堰都江堰 自动化技术产生自动化技术产生n100100年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置年亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置n235235年中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车年中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车n17881788年英国年英国J. WattJ. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度用离心式调速器控制蒸汽机的速度n18661866年英国年英国J. M. GrayJ. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船设计出第一艘全自动蒸汽轮船东东方方号号