复制自动控制理论发展历程与现代制造业应用-副本

复制自动控制理论发展历程与现代制造业应用-副本第一页，共36页。自动控制理论发展历程与现代制造业的应用

报告人：董海鹰第二页，共36页。1现代制造业中的应用2

自动控制理论涉及到的问题3主要内容651自动控制理论发展历程13第三页，共36页。1.自动控制理论发展历程控制理论的产生和发展分为以下几个发展阶段经典控制理论现代控制理论智能控制理论第四页，共36页。自动控制的发展过程智能控制自学习控制自适应/鲁棒控制随机控制控制复杂性进展方向最优控制反馈控制开环控制5第五页，共36页。经典控制理论单输入单输出反馈系统传递函数波特图奈奎斯特图根轨迹图6第六页，共36页。现代控制理论具有多个相互耦合回路的多变量系统状态空间法最优控制能控性和能观性卡尔曼滤波7第七页，共36页。第一阶段：经典控制理论

研究对象：单输入—单输出系统（线性定常系统）研究方法：以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方法。代表人物：维纳（《控制论》）、伯德（伯德图法）和伊文思（根轨迹法）。主要事件（1）美国贝尔实验室的H.Bode(1938),以及Nyquist(1940)提出频率响应法（2）美国W.Evans提出根轨迹法（RootLocusMethod）(1948),以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。（3）多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942),H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945),L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945),以及钱学深的《工程控制论》（EngineeringCybernetics）8第八页，共36页。(4)C.Shannon提出继电器逻辑自动化理论（1938），随后，发表专著《通信的数字理论》（TheMathematicalTheoryofCommunication）,奠定了信息论的基础。总结经典控制理论的分析方法为复数域方法，以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。优点可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。缺点只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。9第九页，共36页。第二阶段：现代控制理论研究对象：多输入—多输出系统（线性定常或非线性时变系统）研究方法：状态空间方法代表人物：庞特里亚金（极大值原理）、贝尔曼（动态规划原理）、卡尔曼（卡尔曼滤波）等。主要事件（1）苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理（MaximumPrinciple）(1956)(2)美国R.Bellman在RANDCoporation数学部的支持下，发表著名的DynamicProgramming建立最优控制的基础（1957）（3）国际自动控制联合会（IFAC）成立（1957），中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开（1960）（4）罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法10第十页，共36页。理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。（5）20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面做出了贡献。总结现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化11第十一页，共36页。传统控制理论面临的难题

（1）精确数学模型和复杂性、非线性、时变性、不确定性、不完全性之间的矛盾，导致无法获得精确的数学模型；（2）苛刻的系统假设在应用中往往与实际不相吻合（3）复杂、不确定性的对象,以传统方法无法解决建模问题。（4）为了提高性能,传统控制系统可能变得很复杂,从而增加了设备的初投资和维修费用,降低系统的可靠性。（5）应用要求进行创新，提出新的控制思想，进行新的集成开发，解决未知环境中复杂系统的控制问题12第十二页，共36页。

第三阶段：智能理论

智能控制的定义定义1.1智能机器

能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉的环境中自主地或与操作人员交互作用以执行各种拟人任务（anthropomorphictasks）的机器。或者比较通俗地说，智能机器是那些能够自主地代替人类从事危险、厌烦、远距离或高精度等作业的机器。例如，能够从事这类工作的机器人，就属于智能机器人。定义1.2自动控制

自动控制是能按规定程序对机器或装置进行自动操作或控制的过程。简单地说，不需要人工干预的控制就是自动控制。反馈控制、最优控制、随机控制、自适应控制和自学习控制等均属自动控制．定义1.3智能控制（见下页从不同的角度定义）

智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。对自主机器人的控制就是一例。13第十三页，共36页。定义1.4智能控制系统（IntelligentControlSystems）

用于驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作人员干预的系统叫智能控制系统。这类系统必须具有智能调度和执行等能力。智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。研究对象：是指众多因素复杂的控制系统，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。研究方法：基于时域法为主，通过大系统的多级递阶控制、分解—协调原理、分散最优控制和大系统模型降阶理论，解决大系统的最优化。代表人物：F.W.史密斯、傅京孙、曼德尼。主要事件

（1）60年代初期，Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制法以解决复杂系统的控制问题。（2）

模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域。扎德(Zadeh)于1965年发表了他的著名论文“模糊集合”(fuzzysets),开辟了模糊控制的新领域。14第十四页，共36页。（3）1966年,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。（4）1967年，Leondes和Mendel正式使用“智能控制”，标志着智能控制思路已经形成。70年代初期，傅京孙、Gloriso和Saridis提出分级递阶智能控制。并成功应用于核反应、城市交通控制领域。（5）70年代中期，Mamdani创立基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并成功用于工业控制。（6）1985年8月美国纽约，IEEE召开了第一届智能控制学术讨论会，成立IEEE智能控制专业委员会。（7）1987年1月美国费城，第一次智能控制国际会议。标志着智能控制作为一门独立学科，正式在国际上建立。（8）国内发展状况

1993，1997，2000，2004，2006，2007，2010，在北京、西安、合肥、杭州、大连、重庆、济南分别召开多届全球智能控制与自动化大会。成立中国人工智能学会智能控制与智能管理专业委员会及智能机器人专

15第十五页，共36页。业委员会，中国自动化学会智能自动化专业委员会等学术团体。

《模式识别与人工智能》、《智能系统学报》等学术刊物。标志着智能控制作为一门独立的新学科在我国已经建立起来了。

智能控制作为一门新学科的科学意义为解决传统控制无法解决的问题找到了一条新途径；促进自动控制向着更高水平发展；激发学术界的思想解放，推动科技创新；为实现脑力劳动和体力劳动的自动化做出贡献；为多种学派合作树立了典范16第十六页，共36页。模糊控制以模糊集合理论为基础的控制方法，模仿人的控制经验而不是依赖控制对象的模型。与常规控制方法相比，模糊控制有以下特点：①模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。②模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。③由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。④控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下了基础。17第十七页，共36页。模糊控制器的一般结构18第十八页，共36页。神经网络控制部分地表现出人脑的某些智能特性，人们从结构和信息处理机制模拟的角度建立了生物神经网络的模型，即人工神经网络。人工神经网络虽然反映了人脑功能的基本特性，但远不是自然神经网络的逼真描写，而只是它的某种简化、抽象和模拟。

19第十九页，共36页。人工神经网络具有几个突出的特点：①可以充分逼近任意复杂的非线性关系；②所有定量或定性的信息都分布贮存于网络内的各神经元的连接上，故有很强的鲁棒性和容错性；③采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能；④可学习和自适应不知道或不确定的系统。

20第二十页，共36页。专家控制系统专家系统是人工智能应用领域最成功的分支之一，始于60年代中期。随着应用的不断成功，专家系统技术越来越受人们的重视。

80年代专家系统的概念和方法被引入控制领域，促进了专家控制系统的研究和应用，它在控制领域的应用已涉及到控制系统辅助设计、分析和专家控制等方面。21第二十一页，共36页。专家控制系统具有如下特点：①它在一定程度上模拟人的思维活动规律，能进行自动推理，善于应付各种变化，具有透明性和灵活性。②它可以不断监督生产过程，实现特定性能指标下的优化控制，能处理大量低层信息，可进行操作指导。③相对传统控制，扩展了许多功能，如复杂系统的高质量控制，故障诊断和容错控制，参数和算法的自动修改，不同算法的组合等。④深层知识的引入，可以弥补专家经验的不足，可以自然地消除决策冲突。22第二十二页，共36页。直接专家控制系统框图(b)间接专家控制系统框图23第二十三页，共36页。分层递阶智能控制分层递阶智能控制是在研究学习控制系统的基础上，从工程控制出发，总结人工智能与自适应控制、自学习控制及自组织控制的关系后逐渐形成的。G．N．Sariidis最早提出了分层递阶智能控制。

分层递阶智能控制具有两个明显的特点：

①对控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高；

②对识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。24第二十四页，共36页。

该系统由组织级、协调级、执行级组成，按照自上而下精确程度渐增、智能程度渐减的原则进行功能分配。在这类多层智能控制系统中，智能主要体现在高层次上，其主要作用是模仿人的功能实现规划、决策、学习和任务协调等任务。执行级仍然采用现有数学解析控制算法，对数值进行操作和运算。25第二十五页，共36页。学习控制模拟人类自身各种优良控制调节机制的一种尝试，能在运行过程中逐步获得被控过程及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动控制系统。学习控制系统通过对系统性能的评价和优化来调整系统的结构和参数，好的优化理论和算法是其系统设计的关键。遗传算法有潜力。26第二十六页，共36页。

在智能控制系统的研究与应用中，常将几种常用类型结合起来，构成各种综合智能控制系统。例如，模糊神经网络智能控制系统，专家模糊智能控制系统，神经网络专家智能控制系统等等。27第二十七页，共36页。现代控制理论、经典控制理论和大系统理论对比表如图1.1所示。

经典控制理论现代控制理论大系统理论对象单输入-单输出线性定常系统线性与非线性、定常与时变、单变与多变量、连续与离散系统规模庞大、结构复杂、变量众多、关联严重、信息不完备的信息系统方法频域法时域矩阵法时域法数学工具拉氏变换矩阵与向量空间理论控制论、运筹学数学模型传递函数状态方程与输出方程子系统基本内容

时域法、频域法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何稳定判据、校正网络设计、Z变化法

线性系统基础理论（包括系统的数学模型、运动的分析、稳定性的分析、能控性与能观测性、状态反馈与观测器）、系统辨识、最优控制、自适应控制、最优滤波及鲁棒性控制。多级递阶控制，分解-协调原理、分散最优控制、大系统型模降阶理路主要问题稳定性性问题最优化问题系统的最优化控制装置无源与有源RC网络数字计算机数字计算机着眼点输出状态方程与输出方程大系统的最优化评价具体情况具体分析，适宜处理较简单系统的控制问题具有优越性，更适合处理复杂系统的控制问题应用控制和管理的思路，适用于多学科交叉综合的研究控制领域28第二十八页，共36页。1现代制造业中的应用2

自动控制理论涉及到的问题3主要内容651自动控制理论发展历程129第二十九页，共36页。第一阶段经典控制理论经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分析与设计的问题。图1为反馈控制系统的简化原理框图。经典控制理论中广泛使用的频率法和根轨迹法,是建立在传递函数基础上的。典型的经典控制理论包括PID控制、Smith控制、解藕控制、Dalin控制、串级控制等。经典控制理论的局限性第一,经典控制理论建立在传递函数和频率特性的基础上,而传递函数和频率特性均属于系统的外部描述(只描述输人量和输出量之间的关系),不能充分反映系统内部的状态;第二,无论是根轨迹法还是频率法,本质上是频域法(或称复域法),都要通过积分变换(包括拉普拉斯变换、傅立叶变换、Z变换),因此原则上只适30第三十页，共36页。宜于解决“单输入一单输出”线性定常系统的问题,对“多输入一多输出”系统不宜用经典控制理论解决,特别是对非线性、时变系统更是无能为力。第三，经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也不是最佳的，人们自然提出这样一个问题，即对一个特定的应用课题，能否找到最佳的设计。优点可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。经典控制理论的重点时域法、频域法、根轨迹法31第三十一页，共36页。第二阶段现代控制理论现代控制理论正是为了克服经典控制理论的局限性而在20世纪50、60年代逐步发展起来的。现代控制理论从理论上解决了系统的可控性、可观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问题。随着现代科学技术的迅速发展,生产系统的规模越来越大,