自动控制面临的难题

1、1自动控制面临的难题和挑战自动控制面临的难题和挑战及解决的途径及解决的途径人工智能技术和智能控制技术简介人工智能技术和智能控制技术简介2一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径无论是理论的结晶还是实际的成就，在控无论是理论的结晶还是实际的成就，在控制领域里都有着丰富的遗产。自古代亚历山大制领域里都有着丰富的遗产。自古代亚历山大时期利用反馈调节流量的克泰希比斯水钟时期利用反馈调节流量的克泰希比斯水钟(滴滴漏漏)，直到今天的宇宙探测火箭和自动生产工，直到今天的宇宙探测火箭和自动生产工厂，厂，控制系统在技术和科学的发展中都起着关控制系统在技术和科学的发展中都起

2、着关键的作用。键的作用。目前，控制的应用已经渗透到我们日常生目前，控制的应用已经渗透到我们日常生活的各个方面，如自动开关门，室温的自动调活的各个方面，如自动开关门，室温的自动调节等等。节等等。自动控制取得了伟大的成就，为什么还会有难题和挑战自动控制取得了伟大的成就，为什么还会有难题和挑战了？我们从社会发展的角度来说明一下。了？我们从社会发展的角度来说明一下。3物质生产是人类社会生存与发展的物质生产是人类社会生存与发展的基础。基础。(物质生产是人们改造自然、创造物质财富的活动。物质生产是人们改造自然、创造物质财富的活动。)人们在物质生产的活动中，总是要人们在物质生产的活动中，总是要依靠和使用他们

3、所处的那个时代的科学依靠和使用他们所处的那个时代的科学技术所能提供的劳动生产工具。技术所能提供的劳动生产工具。从最原始的木棍、石块到最现代化从最原始的木棍、石块到最现代化的工业装备，任何的工业装备，任何劳动工具劳动工具都是都是人类人类与与其生存环境其生存环境之间相互作用的一种界面之间相互作用的一种界面（interface）一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径4一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径追求目标的控制系统追求目标的控制系统 518世纪欧洲工业革命之后，出现了有源的工具，世纪欧洲工业革命之后，出现了有

4、源的工具，即机器设备。机器设备可以在许多场合下取代人类繁即机器设备。机器设备可以在许多场合下取代人类繁重的体力劳动，具有功率放大与信息转换的作用。重的体力劳动，具有功率放大与信息转换的作用。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径珍妮纺纱机珍妮纺纱机(1760年年)随着科学技术的不断发展，机器设备越来越复杂，随着科学技术的不断发展，机器设备越来越复杂，人对机器的控制，从直接的手动控制向自动控制逐渐人对机器的控制，从直接的手动控制向自动控制逐渐发展。发展。骡机骡机 (1779年年)6在工业生产中，需要对机器设备进行操作在工业生产中，需要对机器设备进行操作和

5、控制。对机器设备最基本的控制有两种。和控制。对机器设备最基本的控制有两种。一种是起动或停止的开关控制；一种是起动或停止的开关控制；另一种是连续量的调节。另一种是连续量的调节。通过这两种基本控制作用可以实现对机器通过这两种基本控制作用可以实现对机器设备中单个变量的控制，它们的自动化是自动设备中单个变量的控制，它们的自动化是自动控制的基础。控制的基础。自动化程度的提高使人机结合的界面向更自动化程度的提高使人机结合的界面向更高的抽象层次发展，这意味着机器设备不仅能高的抽象层次发展，这意味着机器设备不仅能够取代人的大部分体力劳动，还在逐渐发展，够取代人的大部分体力劳动，还在逐渐发展，以达到能够取代人的

6、一部分脑力劳动的程度。以达到能够取代人的一部分脑力劳动的程度。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径7在英国工业革命的大环境下，在英国工业革命的大环境下，1788年（年（另一种说法是另一种说法是1769年年）Watt（瓦特）发明了自动调节蒸汽机转速的（瓦特）发明了自动调节蒸汽机转速的离心调离心调节器节器（也称（也称离心力调节器离心力调节器/离心调速器离心调速器，又称，又称飞球调速器飞球调速器、还、还称称飞锤调速器飞锤调速器），这是工业生产中最早采用的自动调节系统。），这是工业生产中最早采用的自动调节系统。离心调节器离心调节器Centrifugal go

7、vernor 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径8一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径离心调节器工作原理离心调节器工作原理 离心调节器离心调节器Centrifugal governor 9蒸汽机转速控制系统方框图蒸汽机转速控制系统方框图车用柴油机的离心式调速器车用柴油机的离心式调速器 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径离心调节器离心调节器Centrifugal governor 10詹姆斯詹姆斯瓦特瓦特 James Watt(1736 1819) 詹姆斯詹姆斯

8、-瓦特的故乡格里诺克瓦特的故乡格里诺克格里诺克的瓦特像格里诺克的瓦特像11蒸汽机蒸汽机(Steam Engine) 英国工业革命时的一座煤矿英国工业革命时的一座煤矿第一台成功运作的蒸汽机第一台成功运作的蒸汽机12瓦特与蒸汽机瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(1/3)一、瓦特对蒸汽机的最初设想一、瓦特对蒸汽机的最初设想 17641764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，纽可门大气式蒸汽机纽可门大气式蒸汽机游梁式有杆泵采油游梁式有杆泵采油13二、蒸汽机的销售二、蒸汽机的销售 瓦特与蒸汽机瓦特与蒸汽机(J. Watt & Stea

9、m Engine)(2/3)14二、蒸汽机的销售二、蒸汽机的销售 17841784年年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。四项专利。17851785年年，他也因蒸汽机改进的重大贡献，被选为皇家学会，他也因蒸汽机改进的重大贡献，被选为皇家学会会员。会员。17881788年年发明能控制进气阀的开启程度从而控制蒸汽机速度发明能控制进气阀的开启程度从而控制蒸汽机速度的离心调速器；的离心调速器；17901790年发明压力表年发明压力表(

10、 (压力计，压力计，汽缸示工器汽缸示工器) )，至，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。18141814年被选为法兰西科学年被选为法兰西科学院外籍院士。院外籍院士。瓦特与蒸汽机瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(3/3)15陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的第一台蒸汽陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的第一台蒸汽机机 16自动控制技术的发展是受到很多技自动控制技术的发展是受到很多技术的影响，各方面的知识积累、启发，术的影响，各方面的知识积累、启发，才最终发展成为一门独立的学科。才最终发展成为一门独立的学科。自动控制首先是工业上有需要

11、，随自动控制首先是工业上有需要，随着工业的发展（工业革命的进程），技着工业的发展（工业革命的进程），技术的进步，一点一点往前进。术的进步，一点一点往前进。在瓦特发明离心调速器在瓦特发明离心调速器 Centrifugal governor (1788年年)80年之后的年之后的1868年，年， 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径17 1868年年Maxwell（麦克斯韦，（麦克斯韦，18311879）建立了飞球调节器的微分方程模型，）建立了飞球调节器的微分方程模型， Maxwell在论文在论文“论调节器论调节器” (Maxwell J.C.， “On

12、Governors”，Proceedings of the Royal Society of London，vol.16，PP.270-283，1868) 中首先解释了中首先解释了Watt速度控制系统速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径径。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题

13、和挑战及解决的途径18詹姆斯詹姆斯克拉克克拉克麦克斯韦麦克斯韦James Clerk Maxwell(1831.06.13-1879.11.05)生于爱丁堡，卒于剑桥，生于爱丁堡，卒于剑桥，英国物理与数学家。英国物理与数学家。十九世纪最伟大的物理学十九世纪最伟大的物理学家，在物理史上足堪与牛家，在物理史上足堪与牛顿、爱因斯坦齐名。顿、爱因斯坦齐名。 19Maxwell在苏格兰的乡间长大，在苏格兰的乡间长大，8岁母亲即因癌症过世，与父亲关系融洽岁母亲即因癌症过世，与父亲关系融洽密切。他密切。他10岁进入岁进入Edinbough Academy(爱丁堡中学爱丁堡中学)就读，认识终生的好友就读，认识

14、终生的好友化学家化学家 Tate。 1846年，年，15岁的岁的Maxwell就在爱丁堡皇家学会学报上发表就在爱丁堡皇家学会学报上发表了他第一篇数学论文讨论卵形线了他第一篇数学论文讨论卵形线(oval)与多焦点曲线，展现了他惊人的数学天与多焦点曲线，展现了他惊人的数学天赋。赋。 1847年，年，16岁的岁的Maxwell(与与Tate)考入苏格兰最高学府爱丁堡大学就读，考入苏格兰最高学府爱丁堡大学就读，他持续发表数学与物理的论文，并广泛阅读他持续发表数学与物理的论文，并广泛阅读Cauchy、Fourier、Monge、Newton、Poisson、Taylor的著作。的著作。1850年，年，1

15、9岁的麦克斯韦在福布斯教授的推荐下，转到了剑桥大学，他岁的麦克斯韦在福布斯教授的推荐下，转到了剑桥大学，他进入剑桥大学三一学院进入剑桥大学三一学院(Trinity College)，据他的数学老师，据他的数学老师 Hopkins(霍普金霍普金斯斯)说说Maxwell是他在剑桥见过的资赋优异生中的最优异者。是他在剑桥见过的资赋优异生中的最优异者。1854年年Maxwell毕业获选为三一学院的毕业获选为三一学院的fellow(英国大学的研究员英国大学的研究员)，1856年因父亲生病，他申请回苏格兰马里斯切尔年因父亲生病，他申请回苏格兰马里斯切尔(Marischal)学院任教。学院任教。1857年，

16、他完成他著名的土星环研究并因此获得剑桥大学的亚当斯奖。年，他完成他著名的土星环研究并因此获得剑桥大学的亚当斯奖。他预测，如果土星环要稳定则它必然是由许多微小固体所构成，这个预他预测，如果土星环要稳定则它必然是由许多微小固体所构成，这个预测要等到廿世纪末测要等到廿世纪末Voyager太空船太空船(旅行者号探测器旅行者号探测器 )到达土星才证实。到达土星才证实。另外，在这段期间，他也完成他著名的色彩理论。另外，在这段期间，他也完成他著名的色彩理论。 1859年，声望如日中天的年，声望如日中天的Maxwel申请爱丁堡大学教职时，却败于好友申请爱丁堡大学教职时，却败于好友Tate之手。之手。麦克斯韦简

17、介麦克斯韦简介 (1/2)20行星名称行星名称 水星水星 金星金星 地球地球 火星火星 木星木星 土星土星 天王天王 海王海王 冥王冥王 体积体积(地球地球=1) 0.06 0.86 1 0.15 1321 764 63 58 0.006太阳太阳(The Sun)依照至太阳的距离依照至太阳的距离, ,行星顺序是水星行星顺序是水星(Mercury)(Mercury), ,金星金星(Venus)(Venus), ,地球地球(the earth)(the earth), ,火星火星(Mars)(Mars), ,木星木星(Jupiter)(Jupiter), ,土星土星(Saturn)(Saturn)

18、, ,天王星天王星(Uranus)(Uranus), ,海王星海王星(Neptune)(Neptune)。冥王星冥王星(Pluto)(Pluto)。小行星帶小行星帶(asteroid belt), ,彗星彗星(comet), (comet), 流星流星(meteor)(meteor)和陨石和陨石(meteorite)(meteorite)。21这是这是“旅行者旅行者2号号”1981年拍摄的土星年拍摄的土星照片。在图中还可以看到土卫四和土卫照片。在图中还可以看到土卫四和土卫五。五。这张这张“旅行者旅行者1号号”拍摄的土星照拍摄的土星照片显示土星大气中一条带着的条片显示土星大气中一条带着的条纹。纹

19、。旅行者旅行者1号探测器号探测器 铜质磁盘唱片铜质磁盘唱片 221860年他受聘为伦敦国王学院年他受聘为伦敦国王学院 (Kings College) 的的自然哲学与天文学自然哲学与天文学教授教授，开始他学术上丰硕的六年：，开始他学术上丰硕的六年： (1)1864年，在年，在A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field中，中，Maxwell 提出描述电磁场的提出描述电磁场的Maxwell方程，用四个偏微分方程概括一方程，用四个偏微分方程概括一切电磁现象，他由此计算出电磁波传递的速度等同于光速，因此断言光是切电磁现象，他由此计算出电磁波传递的速度等

20、同于光速，因此断言光是一种电磁波。一种电磁波。这个发现，是爱因斯坦思考狭义相对论的重要背景。这个发现，是爱因斯坦思考狭义相对论的重要背景。(2)在在Illustrations of the Dynamical Theory of Gases中他开始中他开始发展现代气体动力论的想法，用微观分子的统计行为解释宏观的气体性质。发展现代气体动力论的想法，用微观分子的统计行为解释宏观的气体性质。1866年他与年他与Boltzmann独立地获得所谓的独立地获得所谓的Maxwell-Boltzmann分布定律。分布定律。1865年，年，Maxwell辞去了国王学院的教职，辞去了国王学院的教职，1871年才又

21、接受年才又接受剑桥大学剑桥大学聘任聘任为物为物理系的理系的Cavendish(卡文迪什卡文迪什)教授教授。Maxwell是一个对实验相当在行的物理学家，是一个对实验相当在行的物理学家，在国王学院期间他曾经督导测量电磁单位的实验工作，在剑桥他受命设计并监督知在国王学院期间他曾经督导测量电磁单位的实验工作，在剑桥他受命设计并监督知名的名的 Cavendish(卡文迪什卡文迪什)实验室实验室的建造。的建造。1879年他的健康逐渐恶化，年他的健康逐渐恶化，11月卒于剑桥，葬于英格兰。月卒于剑桥，葬于英格兰。 1931年在年在 Maxwell 百年冥诞的纪念会上，爱因斯坦阐明百年冥诞的纪念会上，爱因斯坦

22、阐明 Maxwell工作的重要工作的重要性：性： （他的工作）是自牛顿以来，物理学上影响最深远与丰硕的工作。（他的工作）是自牛顿以来，物理学上影响最深远与丰硕的工作。 麦克斯韦简介麦克斯韦简介 (2/2)23麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个方程。通常称为麦克斯韦方程。方程。通常称为麦克斯韦方程。麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并统而完整地概括了电磁场的基本规律，并

23、预言了电磁波的存在。预言了电磁波的存在。麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦这个电磁场理论体系的核心

24、就是麦克斯韦方程组。方程组。24卡文迪什实验室卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory) 剑桥大学建于剑桥大学建于1209年，历史悠久。以英国物理学家和化年，历史悠久。以英国物理学家和化学家亨利学家亨利卡文迪什卡文迪什(Henry Cavendish)命名的卡文迪什实验命名的卡文迪什实验室室(Cavendish Laboratory)相当于英国剑桥大学相当于英国剑桥大学(University of Cambridge)的物理系。的物理系。著名物理学家麦克斯韦著名物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)(1831-1879)负责筹建这所实验室。负责筹建这所实验室

25、。1874年实验室建成后他担任第一年实验室建成后他担任第一任实验室主任，直到他任实验室主任，直到他1879年因病去世。年因病去世。 1879年麦克斯韦去世后，瑞利年麦克斯韦去世后，瑞利(James William Rayleigh)继任卡文迪什实验室主任。他因在气体密度的研究中发现氩继任卡文迪什实验室主任。他因在气体密度的研究中发现氩而获而获1904 年度的诺贝尔物理奖。年度的诺贝尔物理奖。第三任主任第三任主任 。第四任主任第四任主任 。 第八任主任第八任主任 。 1995年起担任实验室第九任主任的弗伦德年起担任实验室第九任主任的弗伦德(Richard H.Friend，1953)是位实验物理

26、学家。是位实验物理学家。 。25卡文迪什实验室在近代物理学的发展中做卡文迪什实验室在近代物理学的发展中做出了杰出的贡献，一百多年来培养出的诺贝尔出了杰出的贡献，一百多年来培养出的诺贝尔奖金获得者已达奖金获得者已达20余人，卡文迪什至今仍不失余人，卡文迪什至今仍不失为世界著名的实验室之一。为世界著名的实验室之一。261877年英国的劳斯年英国的劳斯(E.J.Routh, 1831-1907)和和1895年德年德国的霍尔维茨国的霍尔维茨(A.Hurwitz)分别独立地建立了直接根据代数方分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则，直至今日还在沿用。程的系数判别系统稳定性的准则，直至

27、今日还在沿用。 19世纪末，英国工程师赫维赛德世纪末，英国工程师赫维赛德(O.Heaviside, 1850 - 1925)发明了一种发明了一种“运算法运算法”，以求解电路网络的某些问题。，以求解电路网络的某些问题。这种方法很快被许多人所采用，也被应用到分析自动控制系这种方法很快被许多人所采用，也被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著的成就。由于缺乏严密的数学论统的问题上，并取得了显著的成就。由于缺乏严密的数学论证，曾受到某些著名数学家的反对。后来，人们终于在法国证，曾受到某些著名数学家的反对。后来，人们终于在法国数学家拉普拉斯数学家拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749 182

28、5)的著作中找到了的著作中找到了数学依据，重新定义并命名为拉普拉斯变换数学依据，重新定义并命名为拉普拉斯变换(1923年年)。控制器的设计问题是由控制器的设计问题是由Minorsky(米诺尔斯基米诺尔斯基)等人在等人在1922年研制船舶操纵控制器开始研究的，其研究成果可以看年研制船舶操纵控制器开始研究的，其研究成果可以看成是现在广泛应用的成是现在广泛应用的PID控制器的前身，控制器的前身， Minorsky证明了从证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径271928192

29、8年美国年美国AT&TAT&T贝尔实验室贝尔实验室(Bell Labs)(Bell Labs)的电气工程师的电气工程师H.Black(H.Black(布莱克布莱克) )在解决电子管放大器失真问题时首先引入反在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念。描写这种单输入馈的概念。描写这种单输入单输出线性系统的微分方程可单输出线性系统的微分方程可以通过以通过LaplaceLaplace变换在频率域上表示，这样，反馈放大器的性变换在频率域上表示，这样，反馈放大器的性能便可以利用通讯工程师所熟悉的通频带、截止频率等术语能便可以利用通讯工程师所熟悉的通频带、截止频率等术语来表达和分析。之后，来表达和分析

30、。之后，BodeBode和和NyquistNyquist等人提出了用频率域方等人提出了用频率域方法对反馈放大器的稳定性和其他品质进行分析与综合的理论法对反馈放大器的稳定性和其他品质进行分析与综合的理论方法。方法。19281928年年8 8月月2 2日，日，Harold Black(Harold Black(哈罗德哈罗德布莱克布莱克)(1898-)(1898-1983)1983)，在前往曼哈顿西街，在前往曼哈顿西街(Manhattan West Street)(Manhattan West Street)的上班的上班途中，在途中，在哈得孙河哈得孙河(the Hudson River)(the H

31、udson River)的的LackawannaLackawanna渡船上渡船上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时报约时报(The New York Times)(The New York Times)上，这份早报已成为一件珍贵上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在的文物诊藏在AT&TAT&T的档案馆中。的档案馆中。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径28乘客站在机翼上等待营

32、救乘客站在机翼上等待营救“哈得孙河奇迹哈得孙河奇迹”感动整个美国感动整个美国 2009年01月18日 10:52:04 来源：新华网 全美航空公司一架客机全美航空公司一架客机15日从纽约长岛起飞后出现故障。飞行员应变日从纽约长岛起飞后出现故障。飞行员应变迅速，驾驶客机避开纽约人口密集街区，无损坠落于哈得孙河。地面救援迅速，驾驶客机避开纽约人口密集街区，无损坠落于哈得孙河。地面救援人员接应及时。机上人员接应及时。机上155人全员获救。人全员获救。纽约州州长戴维纽约州州长戴维帕特森称这起无帕特森称这起无人遇难的人遇难的“空难空难”事件为事件为“哈得孙河奇哈得孙河奇迹迹”。这架空中客车这架空中客车A

33、320客机客机15日日15时时26分从纽约长岛拉瓜迪亚机场飞往北卡分从纽约长岛拉瓜迪亚机场飞往北卡罗来纳州夏洛特，但起飞约分钟后出罗来纳州夏洛特，但起飞约分钟后出现引擎故障，怀疑由飞鸟现引擎故障，怀疑由飞鸟“卷入卷入”客机客机两侧引擎所致。两侧引擎所致。 飞行员切斯利飞行员切斯利萨伦伯格三世随萨伦伯格三世随即呼叫长岛地面控制中心，称客机遭遇即呼叫长岛地面控制中心，称客机遭遇“双重鸟击双重鸟击”。技术人员说，由于两个。技术人员说，由于两个引擎均无法运行，客机难以返回起飞机引擎均无法运行，客机难以返回起飞机场。场。 萨伦伯格三世知道附近的新泽西州萨伦伯格三世知道附近的新泽西州泰特伯勒有一个小型机场

34、，但他最终决泰特伯勒有一个小型机场，但他最终决定放弃这一着陆点，改向哈得孙河方向定放弃这一着陆点，改向哈得孙河方向滑翔。滑翔。 293019421942年，年，Ziegler(Ziegler(齐格勒齐格勒) )和和Nichols(Nichols(尼科尔斯尼科尔斯) )提出了调节提出了调节PIDPID控制器参数的方法。系统的频域分析技控制器参数的方法。系统的频域分析技术是在术是在Nyquist(Nyquist(奈奎斯特奈奎斯特) )、Bode(Bode(伯德伯德) )等早期的关于等早期的关于通信学科的频域研究工作的基础上建立起来的，通信学科的频域研究工作的基础上建立起来的，Harris(Harr

35、is(哈里斯哈里斯) )于于19421942年提出了传递函数的概念，首年提出了传递函数的概念，首先将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了先将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域分析技术的理论基础控制系统频域分析技术的理论基础。Evens(Evens(埃文斯埃文斯) )等等在在19461946年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那个时代的另一个里程碑。个时代的另一个里程碑。 第二次世界大战中，控制系统频域分析技术的方第二次世界大战中，控制系统频域分析技术的方法被用于法被用于高炮、雷达、飞机等的自动调节系统设计，高炮、雷达、飞机等的

36、自动调节系统设计，取得了很大的成功，反过来又促进了理论研究的进一取得了很大的成功，反过来又促进了理论研究的进一步发展步发展。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径31炮瞄雷达炮瞄雷达Gun Directing Radar32到到20世纪世纪50年代，建立起了以频率响应法年代，建立起了以频率响应法和根轨迹法为核心的控制理论，后来被称为和根轨迹法为核心的控制理论，后来被称为经经典控制理论典控制理论（classical control theory）的理的理论体系，控制科学开始成为一门独立于其它学论体系，控制科学开始成为一门独立于其它学科的新兴技术科学。科的

37、新兴技术科学。早期，被称为自动调节原理，早期，被称为自动调节原理， 1868年年Maxwell在时间域上用微分方程分在时间域上用微分方程分析控制系统性能的理论提出之后，在欧美并末析控制系统性能的理论提出之后，在欧美并末产生太大的影响。在第二次世界大战期间和战产生太大的影响。在第二次世界大战期间和战后发展起来的经典控制理论是一种基于频率域后发展起来的经典控制理论是一种基于频率域的理论。的理论。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径33在俄国和前苏联，对时间域方法的研究一在俄国和前苏联，对时间域方法的研究一直在进行，并取得了许多重大成果。在这些成直在进行，

38、并取得了许多重大成果。在这些成果中首推果中首推Lyapunov(Lyapunov(李雅谱诺夫李雅谱诺夫) )的稳定性理论。的稳定性理论。18921892年年A.M.LyapunovA.M.Lyapunov用严格的数学分析方法全用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题。面地论述了稳定性问题。A. M. 李雅普诺夫李雅普诺夫 A. M. A. M. Lyapunov，(18571918）俄罗斯数学家、物理学俄罗斯数学家、物理学家、力学家。家、力学家。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径3419561956年，前苏联科学家年，前苏联科学家L.C.Pon

39、tryaginL.C.Pontryagin（庞特里亚金庞特里亚金）提出极大值原理。提出极大值原理。PontryaginPontryagin的极大值原理是又一重大成果，它奠定了追求的极大值原理是又一重大成果，它奠定了追求综合目标的控制系统的理论基础。综合目标的控制系统的理论基础。. ，L.C.Pontryagin (19081988)，俄罗斯数学家。，俄罗斯数学家。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径35最优控制理论是最优控制理论是现代控制理论现代控制理论中最早发展起来中最早发展起来的分支之一。的分支之一。最优控制理论主要讨论：求解最优控制问题的最优

40、控制理论主要讨论：求解最优控制问题的方法和理论，包括最优控制的存在性、唯一性和最方法和理论，包括最优控制的存在性、唯一性和最优控制应满足的必要条件等。优控制应满足的必要条件等。最优控制理论始于最优控制理论始于2020世纪世纪5050年代末，其主要标年代末，其主要标志是前苏联数学家庞特里亚金（志是前苏联数学家庞特里亚金（L.C.PontryaginL.C.Pontryagin）等提出的等提出的“最大值原理最大值原理”。最优控制理论在工矿企。最优控制理论在工矿企业、交通运输、电力工业、国防工业（业、交通运输、电力工业、国防工业（军事工业军事工业 ）和国民经济管理等部门有着广泛的应用。和国民经济管理

41、等部门有着广泛的应用。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径3619591959年美国数学家年美国数学家R.E.KalmanR.E.Kalman提出了著名的卡尔提出了著名的卡尔曼滤波器（曼滤波器（kalman filter），19601960年又提出能控性和年又提出能控性和能观测性的概念。能观测性的概念。Rudolf Emil Kalman (1930)美国数学家和电气工程师美国数学家和电气工程师一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径37 2020世纪世纪6060年代以后，由于受航天技术发展的推动，控制年代以后

42、，由于受航天技术发展的推动，控制理论的研究又产生了一次新的飞跃。俄罗斯科学家的工作引起理论的研究又产生了一次新的飞跃。俄罗斯科学家的工作引起了美国学术界的重视，时间域的研究又成为主流，了美国学术界的重视，时间域的研究又成为主流，控制系统理控制系统理论逐渐形成了严格的理论体系论逐渐形成了严格的理论体系。2020世纪世纪6060年代，年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能分析的现代控制理论提供了可能。2020世纪世纪6060年代中期，年代中期，现代控制理论初步形成现代控制理论初步形成。之后的十几。之后的十几年，最优控制的问题受到很

43、大重视。这主要是由于人们对高质年，最优控制的问题受到很大重视。这主要是由于人们对高质量控制的需求和在控制系统中更有效地使用计算机所导致的必量控制的需求和在控制系统中更有效地使用计算机所导致的必然结果。然结果。人们常用人们常用第二代控制理论第二代控制理论的这些手段进行系统设计，大大的这些手段进行系统设计，大大改善了系统的精度及技术经济指标。除应用于航空、航天、航改善了系统的精度及技术经济指标。除应用于航空、航天、航海等部门外，在冶金、石油、化工、交通运输等部门也得到广海等部门外，在冶金、石油、化工、交通运输等部门也得到广泛应用。泛应用。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的

44、难题和挑战及解决的途径382020世纪世纪5050年代以来，随着计算机性能的提高与年代以来，随着计算机性能的提高与价格的降低，价格的降低，经典控制的理论与技术在工业自动化经典控制的理论与技术在工业自动化系统中获得了日益广泛的应用系统中获得了日益广泛的应用。特别是近几十年来，计算机硬件技术的发展日特别是近几十年来，计算机硬件技术的发展日新月异。新月异。开关量控制实现了无触点化；顺序控制由固定开关量控制实现了无触点化；顺序控制由固定的逻辑控制电路发展为以微处理器为核心的可编程的逻辑控制电路发展为以微处理器为核心的可编程序控制器序控制器( (PLC - - Program Logic Control

45、) )；连续；连续量的调节，则从模拟式控制仪表、直接数字控制发量的调节，则从模拟式控制仪表、直接数字控制发展到以微处理器为核心的可编程过程控制器展到以微处理器为核心的可编程过程控制器( (PPC - - PowerPC的简写，工业计算机，工业控制计算机的简写，工业计算机，工业控制计算机) )。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径39而后，而后，PLC与与PPC互相覆盖对方的功能，并与互相覆盖对方的功能，并与局域网、分布式数据库等技术相结合，形成了综合局域网、分布式数据库等技术相结合，形成了综合顺序控制、连续量调节和数据处理与通讯功能的新顺序控制、连续

46、量调节和数据处理与通讯功能的新一代集散型控制系统一代集散型控制系统(DCS-Distributed Control System)。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径40 DCS是计算机、是计算机、自动控制技术及网络自动控制技术及网络通讯技术的综合产物。通讯技术的综合产物。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径412020世纪世纪8080年代以来，计算机集成制造系统年代以来，计算机集成制造系统( (CIMSCIMS - - Computer Integrated Manufacturing Systems

47、) )得得到迅速发展。到迅速发展。CIMSCIMS是管理工程、控制工程、计算机工是管理工程、控制工程、计算机工程、电子工程和机械工程等多学科的交叉、多种技术程、电子工程和机械工程等多学科的交叉、多种技术的集成和渗透形成的，是实现综合自动化的基本模式，的集成和渗透形成的，是实现综合自动化的基本模式，也是也是2121世纪的世纪的“未来产业基本模式未来产业基本模式”。CIMSCIMS从用户订货单开始，输入产品需要的有关信从用户订货单开始，输入产品需要的有关信息，从产品初始构思、设计、制造、检验、管理、经息，从产品初始构思、设计、制造、检验、管理、经营均有机联系的一个高技术综合生产控制系统。营均有机联

48、系的一个高技术综合生产控制系统。 CIMSCIMS将将工厂控制系统工厂控制系统与与企业行政事务管理信息企业行政事务管理信息集集成在一起，在企业内部完成自动化作业的全过程。成在一起，在企业内部完成自动化作业的全过程。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径42 CIMSCIMS采用层次式的控制结构，将管理信息系统采用层次式的控制结构，将管理信息系统( (MISMIS) )、柔性制造系统、柔性制造系统( (FMSFMS) )、计算机辅助设计、计算机辅助设计( (CADCAD) )、计算机辅助制造计算机辅助制造( (CAMCAM) )、计算机辅助工程、计算机辅

49、助工程( (CAECAE) )、企业、企业资源计划资源计划( (ERPERP) )、物料需求计划、物料需求计划( (MRPMRP) )、制造资源计划、制造资源计划( (MRPMRP)等功能集于一身，采用等功能集于一身，采用MAPMAP作为通讯网络并与作为通讯网络并与远程网络相连。因此，远程网络相连。因此，CIMSCIMS的发展已使的发展已使综合自动化综合自动化成成为现实。为现实。MIS - Management Information System，管理信息系统管理信息系统FMS - Flexible Manufacturing System，柔性制造系统柔性制造系统CAD - Compute

50、r Aided Design，计算机辅助设计计算机辅助设计CAM - Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造计算机辅助制造CAE - Computer Aided Engineering，计算机辅助工程计算机辅助工程ERP - Enterprise Resource Planning，企业资源计划企业资源计划MRP - Material Requirement Planning，物料需求计划物料需求计划MRP - Manufacturing Resources Planning，制造资源计划制造资源计划一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的

51、难题和挑战及解决的途径43CIMSCIMS是英文是英文Computer Integrated Manufacturing Computer Integrated Manufacturing SystemsSystems，直译就是，直译就是计算机集成制造系统计算机集成制造系统。计算机集成。计算机集成制造制造-CIM-CIM的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的。的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的。CIMSCIMS与与计算机综合自动化制造系统计算机综合自动化制造系统是同义词，后是同义词，后者是者是CIMSCIMS在中国早期的另一种叫法，虽然通俗些，但在中国早期的另一种叫法，虽然通俗些，但因此无

52、法表达集成的内涵，使用得较少。因此无法表达集成的内涵，使用得较少。随着经济环境的发展，随着经济环境的发展，CIMSCIMS被赋予了新的含义，被赋予了新的含义，即即现代集成制造系统现代集成制造系统（Contemporary Integrated Contemporary Integrated Manufacturing SystemManufacturing System）。将信息技术、现代管理技）。将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业全生命周期各个术和制造技术相结合，并应用于企业全生命周期各个阶段，通过信息集成，过程优化及资源优化，实现物阶段，通过信息集成，过程优化及资源优化

53、，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织及管理）、经营和技术三要素的集成。织及管理）、经营和技术三要素的集成。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径442020世纪世纪7070年代以来，随着科学的发展和社会的进步，年代以来，随着科学的发展和社会的进步，现代的工业、电力、交通、生物、生态以及军事指挥等现代的工业、电力、交通、生物、生态以及军事指挥等大规模的生产和管理系统愈来愈多，日益复杂。大规模的生产和管理系统愈来愈多，日益复杂。现今对于那些能够在大范围内采集数据，处理数据，现今对于那些能够

54、在大范围内采集数据，处理数据，分析情况，从而进行指挥管理和控制的系统，往往统称分析情况，从而进行指挥管理和控制的系统，往往统称为为大系统大系统。对于这样一些大规模的复杂的系统评价、设计、控对于这样一些大规模的复杂的系统评价、设计、控制与管理，只能求助于运用系统工程学的方法，对其实制与管理，只能求助于运用系统工程学的方法，对其实施系统控制。如通过分别解决大系统中各自独立而又相施系统控制。如通过分别解决大系统中各自独立而又相互制约的子系统的最优化问题，来达到全系统的整体最互制约的子系统的最优化问题，来达到全系统的整体最优化目的。优化目的。大系统理论大系统理论应运而生应运而生 。一、自动控制面临的难

55、题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径45在工业自动化系统的在工业自动化系统的基础自动化级基础自动化级，至今应用，至今应用最为广泛的仍然是最为广泛的仍然是PIDPID调节器调节器这类基于经典控制理论这类基于经典控制理论的技术。经典控制理论有两个重要前提：的技术。经典控制理论有两个重要前提：(1)(1)受控制的变量具有独立性，即各个变量之间受控制的变量具有独立性，即各个变量之间没有耦合。这实际上是指变量之间的耦合作用较弱，没有耦合。这实际上是指变量之间的耦合作用较弱，因此每一个变量都可以用一个独立的调节回路来控因此每一个变量都可以用一个独立的调节回路来控制，其余变量对它的耦

56、合效应可以忽略，或作为干制，其余变量对它的耦合效应可以忽略，或作为干扰处理。扰处理。(2)(2)受控变量与控制作用之间具有线性关系，至受控变量与控制作用之间具有线性关系，至少应在一定的范围内可作线性化的近似。少应在一定的范围内可作线性化的近似。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径46然而，对于某些特殊的设备，当对其控制性能然而，对于某些特殊的设备，当对其控制性能的要求很高时，往往不能回避多变量耦合与非线性的要求很高时，往往不能回避多变量耦合与非线性问题。而对于追求目标的控制系统，由于要与非人问题。而对于追求目标的控制系统，由于要与非人为的环境发生交互

57、，不仅这些问题不能回避，而且为的环境发生交互，不仅这些问题不能回避，而且还有更多的问题需要加以考虑。还有更多的问题需要加以考虑。人们曾经努力在经典控制理论的框架内解决多人们曾经努力在经典控制理论的框架内解决多变量与非线性的问题，并获得了一些局部的成果。变量与非线性的问题，并获得了一些局部的成果。但是这类问题的彻底解决要求有新的概念和理论方但是这类问题的彻底解决要求有新的概念和理论方法，这就是时间域的控制系统理论，通常称为法，这就是时间域的控制系统理论，通常称为现代现代控制理论控制理论。 一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径47现代控制理论研究的主要对

58、象是具有一阶现代控制理论研究的主要对象是具有一阶Markov(Markov(马尔可夫马尔可夫) )性质的动态系统，它所取得的具有性质的动态系统，它所取得的具有应用价值的成果是针对集中参数的连续时间动态系统。应用价值的成果是针对集中参数的连续时间动态系统。这样的系统可以用满足这样的系统可以用满足Lipschitz(Lipschitz(利普希茨利普希茨) )条条件的件的一阶常微分方程组一阶常微分方程组来描述其动态特性。来描述其动态特性。针对计算机数字控制的需要，可以通过采样，把针对计算机数字控制的需要，可以通过采样，把本质上连续的动态系统人为地离散化，从而得到集中本质上连续的动态系统人为地离散化，

59、从而得到集中参数离散时间动态系统，其动态特性可用参数离散时间动态系统，其动态特性可用一阶差分方一阶差分方程组程组描述。描述。(随机过程，随机微分方程，随机偏微分方程论，随机过程，随机微分方程，随机偏微分方程论，偏微分方程的解的存在性和唯一性。偏微分方程的解的存在性和唯一性。)一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径48从控制对象的定量数学描述（数学模型）出发，从控制对象的定量数学描述（数学模型）出发，就能够用严格的数学解析方法来研究控制系统的分析就能够用严格的数学解析方法来研究控制系统的分析与综合问题。按照这种理论所设汁的控制系统可能具与综合问题。按照这

60、种理论所设汁的控制系统可能具有的功能包括：有的功能包括：(1)(1)稳定；稳定；(2)(2)跟踪；跟踪；(3)(3)优化。优化。为了扩大控制系统理论的应用范围，人们曾经对为了扩大控制系统理论的应用范围，人们曾经对不确定性的问题进行过深入的研究。不确定性的问题进行过深入的研究。第一类不确定性是系统模型的不确定性（未建第一类不确定性是系统模型的不确定性（未建模）。模）。第二类不确定性是环境的不确定性。第二类不确定性是环境的不确定性。一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径49同时具有上述两类不确定性的系统控制同时具有上述两类不确定性的系统控制问题称为双重控制