控制科学与发展

控制科学与开展课程的目标解决下述问题：了解国内外控制科学的现状，从总体上把握开展的脉搏；分析控制理论开展各个阶段的主要特征，了解目前国内外研究的主要方向；针对控制理论的开展趋势，讨论控制理论研究前沿的假设干问题；从控制系统设计的角度出发，研究控制理论及技术的工程应用；基于信息科学的迅速开展对控制科学的巨大影响，探讨信息与控制的融合。涉及课程涉及课程:

线性系统理论(LinearSystemTheory)

自适应控制(AdaptiveControl)

最优控制(OptimalControl)

鲁棒控制(RobustControl)

智能控制(IntelligentControl)

非线性控制(NonlinearControl)课程名称和考试方式课程名称:先进——Advanced!先进控制理论与控制工程AdvancedControlTheoryandControlEngineering控制科学开展专题SpecialTopicsonControlScience考试方式:考试的目的笔试？开卷？课程报告？课程的主要内容第一讲——控制科学的开展回忆第二讲——根本的控制方法第三讲——控制系统与自动化技术第四讲——控制与自动化的应用领域第五讲——冶金过程控制技术专题第六讲——智能机器人系统技术专题第七讲——网络控制技术专题第八讲——先进优化技术专题第九讲——控制科学开展展望第十讲——控制领域的国内外学术组织和学术会议分为十讲：控制科学的开展回忆第一讲：自动控制的概念(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防空导弹制导控制1-目标跟踪雷达2-导弹导引雷达3-计算机雷达4-导弹发射架现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反响釜〔塔〕内温度和压力为恒值，使化学反响速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值，冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。社会和生活中的控制问题加速社会产业结构的变革和社会信息化的进程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。控制与自动化的作用自动化自动控制控制理论电气工程与自动化工业自动化机械制造自动化电力系统自动化

控制科学与工程学科培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面开展，在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能与机器人控制等领域具有宽广理论根底和相关专门知识，具有创新和开拓精神的高级工程技术人才。毕业生能在国民经济及国防各部门和行业从事信息及控制系统的研究、设计、集成、开发、制造和应用等工作。人才的培养目标(1)科学科学〔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开展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界的指南。(2)技术技术〔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效劳。一些术语——科学，技术(3)工程工程〔Engineering〕是指应用科学知识使自然资源最好地为人类效劳的专门技术。一些术语——工程，系统(4)

系统

系统〔System〕是指由相互关联、相互制约、相互影响的一些局部组成的具有某种功能的有机整体。一些术语——信息，控制(5)

信息信息〔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。(6)

控制控制〔Control〕是指为了改善系统的性能或到达特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。一些术语——反响，调节(7)

反响反响〔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。(8)

调节调节〔Regulation〕是指通过系统的反响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。一些术语——管理，决策(9)

管理管理〔Management〕是指为了充分利用各种资源来到达一定的目标而对社会或其组成局部施加的一种控制。(10)决策决策〔DecisionMaking〕是指为最优地到达目标，对假设干准备行动的方案进行选择。自动化与自动控制的定义自动化〔Automation〕，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〔AutomaticControl〕是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。自动化主要研究的是人造系统的控制问题。自动控制那么除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近的。指南车铜壶滴漏及浮子式阀门饮酒速度的自动调节计里鼓车漏水转浑天仪候风地动仪水运仪象台我国古代自动装置指南车中国古代(公元78~139年)用来指示方向的一种具有自动离合齿轮系装置的车辆，它是一种马拉的双轮独辕车。车箱上立一个伸臂的木人，车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端那么向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响。指南车复原模型铜壶滴漏中国古代(公元1135年)的自动计时〔测量时间〕装置，又称刻漏或漏刻。这种计时装置最初只有两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示刻度〔即时间〕。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极〔3-5极〕水壶来解决的。用一个浮子式阀门作为自动切断阀。饮酒速度的自动调节中国古代(公元1178年)南方和西南方部落村民在饮酒管中使用浮子式阀门来保持均匀的饮酒速度。计里鼓车中国用来自报行车里程的鼓车。公元2世纪，中国东汉的天文学家张衡创制的一种天文表演仪器。它是一种用漏水推动的水运浑象，和现在的天球仪相似，可以用来实现天体运行的自动仿真。漏水转浑天仪候风地动仪公元132年张衡创造的一种观察地震的自动检测仪器水运仪象台公元1088年，中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)、浑象(天文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。控制和自动化的开展回忆自动装置的出现和应用：18世纪以前自动化技术形成时期：18世纪末至20世纪30年代局部自动化时期：20世纪40-50年代综合自动化时期：20世纪50年代末起至今自动装置的出现和应用古代自动装置：中国古代自动装置；巴比伦、古埃及和希腊的教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。近代自动装置：17世纪以来，在欧洲一些国家相继出现了多种自动装置：法国物理学家B.帕斯卡〔Pascal〕于公元1642年创造的加法器；荷兰机械师C.惠更斯〔Huygens〕于公元1657年创造钟表；英国机械师E.李〔Lee〕在公元1745年创造带有风向控制的风磨；俄国机械师И.И.波尔祖诺夫〔Ползунов〕于公元1765年创造为蒸汽锅炉水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。自动化技术形成时期公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统自动调节的广泛应用由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器〔Regulator〕或装置，使一些物理量保持在给定值附近。公元1868年法国工程师J.法尔科〔Farcot〕创造反响调节器，并把它与蒸汽阀连接起来，操作蒸汽船的舵，他称之为伺服机构〔Servo-mechanism〕。20世纪20~30年代，美国开始采用PID模拟式调节器〔比例-积分-微分调节器〕。现在还在许多工厂中采用。反响(Feedback)——反响控制系统CPreyu自动控制的根本概念P：蒸汽机〔控制对象〕；C：调节器〔控制器〕。反响〔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。自动控制(AutomaticControl)研究的问题:自动控制系统分析(Analysis)(1)稳定性(Stability)(2)动态特性(DynamicPerformance)(3)静态特性(StaticPerformance)(4)鲁棒性(Robustness)自动控制系统综合(Synthesis)／设计(Design)CPreyu自动控制研究的问题自动调节系统的稳定性问题自动调节器和被控制对象〔蒸汽机或船舵〕组成自动调节系统〔AutomaticRegulationSystem〕。当时人们发现蒸汽机转速会忽高忽低，即系统会发生振荡〔不稳定〕。这迫使一些数学家从理论上来加以研究，创造多种代数稳定判剧。反响控制和频率法进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统的分析和综合的研究。

代数稳定判据加上公元1922年N.米诺尔斯基《关于船舶自动操舵的稳定性》和1934年美国H.L.黑曾〔Hazen〕发表的《关于伺服机构理论》论文，标志着经典控制理论的诞生。局部自动化时期自动防空火力控制系统经典控制理论的形成和开展局部自动化的广泛应用电子数字计算机的创造自动防空火力控制系统

在第二次世界大战期间，为了解决防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，设计了各种精密的自动调节装置。经典控制理论的形成和开展经典控制(ClassicalControl)：1930年~1960年基于频域(FrequencyDomain)的方法传递函数

(TransferFunction)代数稳定判据和传递函数、依据频率响应的频率法判据的根底上加上W.埃文斯〔Evans〕1948年的根轨迹法〔RootLocusMethod〕，奠定了适宜用于单变量控制问题的经典控制理论的根底。频域法成为分析和设计线性单变量自动控制系统的主要方法。早期，反响控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统〔AutomaticControlSystem〕。因此，调节器也称为控制器。经典控制理论形成的历史动力推动:受当时重大技术〔通讯技术和火炮技术等〕的深刻影响物理学：牛顿力学中的“质点和姿态动力学”数学：线性常系数微分方程、复变函数、概率、统计工具：模拟电路和模拟计算机局部自动化的广泛应用二次大战后，在工业上已广泛应用PID调节器，并用电子模拟计算机〔ElectronicAnalogComputer〕来设计自动控制系统。当时在工业上实现局部自动化，即单个过程或单个机器的自动化。在20世纪30-40年代出现了统一信号的、通用的、标准的气动单元组合仪表。20世纪50年代研制出了电动单元组合仪表。这些为工业自动化提供了必不可少的技术工具，并使得构成和设计自动控制系统更简便、更工程化了。

智能化的仪表和控制器是当前流行的产品。智能化仪表与控制器电子数字计算机的创造目前小型电子数字计算机或单片计算机已成为复杂自动控制系统的一个组成局部，以实现复杂的控制和算法。电子数字计算机内部元件和结构，经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路的四个开展阶段。电子数字计算机的创造，为60-70年代开始的在控制系统广泛应用程序控制和逻辑控制以及应用数字计算机直接控制生产过程，奠定了根底。国产“银河III”计算机自动控制的历史地位和作用20世纪40年代是自动化技术和理论形成的关键时期：工业过程自动化首先来自于传统机械制造业生产方式的变更，即从汽车流水线开始的。1946年美国福特汽车公司副经理哈特首先提出用“自动化”一词来描述这种流水线。1947年4月，福特汽车公司建立了自动化研究部门，称作自动化工程师的专家到这个部门工作。不到3年的时间，使汽车本钱下降了近3倍，只用了8年的时间就使汽车销售价格下跌到原来的9%，使汽车走进了普通家庭。汽车工业的开展，带动了冶金、化工、石油等工业，促进了连续生产过程自动化的开展。综合自动化时期现代控制(ModernControl)：1960年~1980年基于时域(TimeDomain)的方法状态空间模型

(StateSpaceModel)先进控制(AdvancedControl)：1980年~：基于频域+时域的方法(传递函数+状态空间模型)基于知识的方法——智能控制(IntelligentControl)基于模型+知识的方法——集成控制(IntegratedControl)1956年，前苏联数学家Л.庞特里亚金提出极大值原理。同年，美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反响律，为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。20世纪60~70年代，英国学者H.罗森布罗克、D.梅恩和A.G.麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法。现代控制理论的形成和开展现代控制理论形成的历史动力推动:远程火箭技术与航天技术、现代航海技术的直接影响物理学：力学、电动力学、化学反响机理数学：线性代数〔几何方法〕和矩阵论；线性常微分方程组理论；实、复变函数论变分法；泛函分析；概率、统计.工具：电子计算机技术促进遥测、遥控和遥感遥测就是对被测对象的某些参数进行远距离测量。遥控就是对被控对象进行远距离控制。遥感就是利用装载在飞机或人造卫星等运载工具上的传感器，收集由地面目标物反射或发射出来的电磁波，再根据这些数据来获得关于目标物〔如矿藏、森林、作物产量等〕的信息。综合自动化20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的化工厂，60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合自动化方向开展。70年代出现用专用机床组成的无人工厂，80年代初才出现用柔性制造系统组成的无人工厂。无人组装车间先进控制理论的形成和开展1981年，基于频域和时域方法，Zames提出最优灵敏度控制，开始了鲁棒控制研究时代。从20世纪80年代开始，基于知识的方法，把人工智能与自动控制相结合，出现了智能控制研究阶段。近年来，基于知识和解析的方法，实现了集成控制。先进控制理论形成的历史动力推动:微电子技术、计算机技术、通讯和网络技术、机器人技术；

经济、技术全球化进程的加快智能机器人和水下机器人根本的控制方法第二讲：经典控制波德图(BodePlot)方法奈魁斯特稳定性(NyquistStability)分析其它稳定性分析方法PID控制维纳滤波器方法的根本思想基于奈魁斯特稳定性设计思想经典控制的特征波德图(BodePlot)方法

频率响应法：

(1)幅频特性

(Magnitude)(2)相频特性(Phase)

奈魁斯特稳定性(NyquistStability)分析ImRew=0w=∞(-1,j0)开环频率特性:是否围绕(-1,j0)

点在保持稳定性的前提下，改善中频段的特性，从而提高系统的性能。

劳斯稳定性(RorthStability)分析伊万斯根轨迹(EvansRootLocus,1948)方法增益和相位裕量

(GainandPhaseMargin)方法

其它稳定性分析方法PID控制PID(Proportion-Integration-Differentiation)控制CPreyu经典控制的特征两个最根本的问题：维纳(Wiener)滤波器方法奈魁斯特稳定性(NyquistStability)分析SISO(SingleInputSingleOutput)系统LTI(LinearTime-Invariant)系统频域方法传递函数

(复变函数作为数学工具)维纳滤波器方法的根本思想d:可以用某种随机过程来表示的外界扰动把反响控制问题变成数学上的某些优化问题卡尔曼-布西滤波器(Kalman-BucyFilter)理论现代控制理论CPreyud基于奈魁斯特稳定性设计思想ImRew=0w=∞(-1,j0)开环频率特性:是否围绕(-1,j0)

点在保持稳定性的前提下，改善中频段的特性，从而提高系统的性能。

鲁棒控制理论现代控制状态空间方法能控性和能观性内部稳定性问题LQ控制、LQR和LQG方法现代控制的特征最活泼的几个领域

状态空间模型(StateSpaceModel)方法Guy当t=0时，是x=Ax的解。状态空间方法能控性(Controllability)分析定义:存在一个输入u(t)，使x(t)从任意的初始状态出发，在有限时间内到达原点，那么(A，B)是能控的。定理:下述条件是等价的。(A，B)是能控的；rank[BABA2B…An-1B]=n；存在实数矩阵F，使A+BF具有任意指盯的n个对称于实的复数特征根；对于任意的复数，有rank[I-AB]=n。能控性格拉米昂(Gramian)矩阵:能观性(Observability)分析定义:任意的初始状态，可以由有限时间内的输出y(t)和输入u(t)来唯一决定，那么(C，A)是能观的。定理:下述条件是等价的。(C，A)是能观的；rank[CCACA2…CAn-1]T=n；存在实数矩阵H，使A+HC具有任意指定的n个对称于实的复数特征根；对于任意的复数，有rank[I-AC]T=n。能观性格拉米昂矩阵:内部稳定性分析外部稳定性:输入输出(BIBO)稳定性，基于G(s)进行分析。内部稳定性:内部状态的收敛性，基于系统矩阵A进行分析。〔A的特征根具有负实部〕Guy能控性+能观性：内部稳定性=外部稳定性LQ(LinearQuadratic)最优控制LQ控制的根本特征:控制对象是线性的；控制目标是使线性二次型性能指标为最小。控制系统设计：寻找控制规律u(t)，实现minJ。LQR(LinearQuadraticRegulator)方法LQR问题：寻找控制规律：对于控制对象：使如下性能指标最小：控制精度控制能量(本钱)终端代价控制问题的解：其中：P为黎卡提(Riccati)方程的解。LQG(LinearQuadraticGaussian)方法LQG问题：测量含有噪声：对于控制对象：构造一个补偿器，产生一个控制输入u，使如下性能指标最小：和d满足：PyudzLQG控制器控制问题的解(别离原理)：设计卡尔曼-布西滤波器，获得x的估计值；设计基于x的估计值的状态反响增益矩阵K。上述均是基于黎卡提方程的解进行设计。KPyudz卡尔曼-布西滤波器现代控制中最活泼的几个领域

最优控制(OptimalControl)

自适应控制(AdaptiveControl)

随机控制(StochasticControl)

系统辨识(SystemIdentification)

线性多变量系统的频域方法大系统理论(LargeScaleSystem):

(1)递阶控制(HierarchicalControl)

(2)分散控制(DecentraliedControl)现代控制的根本特征现代控制理论的问题点：

LQG控制—外界扰动和模型不确定性；经典控制中的频域方法应用于多变量系统。

鲁棒控制理论MIMO(Multi-InputandMulti-Output)系统扰动特性(数学期望，均方差)的系统时域方法状态空间模型(矩阵论作为数学工具)先进控制鲁棒控制

——不确定系统的鲁棒控制问题

——H∞控制方法

——µ分析和µ综合方法智能控制

——专家控制

——神经网络控制集成控制鲁棒控制研究的根本问题

不确定系统的鲁棒控制CP0+DPreyud

不确定性系统的描述方法；鲁棒性分析和设计方法；鲁棒控制的应用领域。P0P0

+DP系统不确定性

非结构不确定性(UnstructuredUncertainty)——H∞控制P0P0

+DP

结构不确定性(StructuredUncertainty)——μ分析与μ综合P0H∞控制的提出与开展1981：Zames利用H∞范数作为性能指标，提出最小灵敏度控制问题——H∞控制问题；1988：Zhou获得H∞控制问题的状态反响控制解；1989：Doyle等发表著名的DGKF论文，获得H∞控制问题的输出反响控制解——H∞控制理论形成。CPreyudH∞控制的根本思想T(s)uyH∞范数：ImRew=0w=∞(-1,j0)H∞控制问题G(s)wzK(s)uy最优：次优：μ分析与μ综合G(s)wzK(s)uyD(s)M(s)D(s)μ分析:鲁棒稳定性定理；鲁棒性能定理。μ综合:鲁棒控制的研究方法

奇异值曲线(SingularValuePlot,SVD)方法结构奇异值曲线(StructuredSingularValuePlot)方法

H∞

控制(H∞

Control)

μ综合(μSynthesis)

平衡实现(BalancedRealization)

频谱分解(SpectralFactorization):

LQG/LTR(LoopTransferRecovery)

LMI(LinearMatrixInquation)尤拉参数化

(YoulaParametrization)

二次稳定化控制(QuadraticallyStabilizingControl)

参数空间稳定性分析：Kharitonov定理，棱边定理智能控制(IntelligentControl)的开展基于知识的控制(KnowledgeBasedControl)——人工智能与自动控制相结合的产物1965年:傅京孙提出把人工智能的启发式推理规那么用于学习控制系统。1967年:Leondes首次使用“智能控制”一词。1971年:傅京孙论述了人工智能与自动控制的关系。1985年:IEEE在美国纽约召开第一届智能控制学术讨论会。1987年:在美国费城召开智能控制国际会议。智能控制涉及的领域(1)分级递阶智能控制(HierarchicalIntelligentControl)(2)学习控制(LearningControl)(3)专家控制(ExpertControl)(4)模糊控制(FuzzyControl)(5)神经网络控制(NeuralNetworkControl)专家控制知识的描述(知识库):产生式规那么(ProductionRule)——规那么模型(RuleModel);框架模型(FrameModel);……推理策略(推理机):前向推理(ForwardChaining);后向推理(BackwardChaining);基于模型的推理(ModelBasedReasoning);……数据库(Database)和工作内存(WorkingMemory)接口专家控制(专家控制器)知识库(KnowledgeBase)

数据库

(Database)工作存储器推理机(Engine)测量与控制接口人机界面专家与操作员过程数据测量与控制机构推理结果模糊控制的开展概况

模糊数学和模糊控制的概念

由美国加利福尼亚大学著名教授Zadeh提出⑴1965:FuzzySets⑵1968:FuzzyAlgorithm

⑶1972:ARationaleforFuzzyControl模糊控制的应用⑴1974年：英国伦敦大学教授Mamdani应用模糊控制语句组成模糊控制器，应用于锅炉和汽轮机的运行控制；⑵1975年：工业反响过程的温度控制；⑶1976年：热水装置、压力容器、压力与液面控制；⑷1977年：多变量热变换过程控制、交通枢纽指挥控制；⑸1979年：自组织模糊控制器；⑹80年代开始大规模应用于化工、机械、冶金、工业窑炉、水处理、食品生产等大型工业过程控制中。模糊控制系统的结构系统核心是模糊控制器：模糊化：把精确量变成模糊量，即语言变量；模糊推理：即模糊决策，基于输入输出的模糊关系R，进行集合运算，得到模糊量；解模糊：采用模糊判决，把模糊变量变成精确量。模糊化解模糊模糊推理xXYy模糊控制器执行机构过程测量装置输入输出模糊控制的应用领域净水池添加凝聚剂控制：凝聚反响过程的浑浊度、碱度和pH值；排水泵控制：流入水量控制、排水过程的水位、水位变化、排水量和泵转速；水泥窑燃烧控制：化学反响热力系统的温度和转矩；水泥料粉碎控制：长间隙和长时滞过程的电力、振动、差压和温度；转炉供给煤气控制：供气过程的电极上下、转炉吹炼设定；发酵过程控制：发酵过程的温度、pH值、基质消耗量、溶存氧气浓度等；核反响堆控制：核反响过程的输出量、燃料温度和冷却层温度；自动销售机控制和机器人控制等。神经网络控制90年后迅速开展，在控制中主要使用：BP(BackpropagationNetwork)网络

RBF(RadialBasisFunction)网络神经网络的根本概念：

网络结构(NetworkArchitecture)

训练(Training)或学习Sigmoid函数BP神经网络结构(3层)神经网络的学习控制对象yu神经网络学习算法ym学习的目标函数：学习算法：根本的BP学习算法等；MatlabNeuralNetworkToolbox梯度下降学习算法：集成控制

基于模型和知识的控制

(ModelandknowledgeBasedControl)(1)基于模型的专家控制(2)

自适应+模糊控制(3)小波神经网络+鲁棒控制(H∞控制)……基于知识基于模型

集成控制器

(IntegratedController)控制系统与自动化技术第三讲：自动控制系统的类型按被控制物理量的类型分：恒值控制系统程序控制系统随动系统〔伺服系统〕按采用的仪器仪表分：单机自动化系统(SAS)分布式控制系统(DCS)现场总线控制系统(FCS)网络控制系统(NCS)恒值控制系统〔炉温控制〕程序控制系统运算控制器变换放大器电动机工作机床切削刀具控制脉冲脉冲指令位移反馈测量元件随动系统在反响控制系统中，假设输入信号是预先未知的随时间变化的函数，那么这种自动控制系统称为随动系统(Servo-mechanism)。国防上的火炮跟踪系统、雷达导引系统和天文望远镜的跟踪系统等都属于随动系统。自动控制系统的组成给定环节：产生给定的输入信号；反响环节：对系统输出〔被控制量〕进行测量，将它转换成反响信号；比较环节：将给定的输入信号和反响信号加以比较，产生“误差”信号；控制器〔调节器〕：根据误差信号，按一定规律，产生相应的控制信号。控制器是自动控制系统实现控制的核心局部；执行环节〔执行机构〕：将控制信号进行功率放大，并能使被控对象的被控量变化；被控对象：控制系统所要控制的设备或生产过程，它的输出就是被控量。自动控制系统组成框图给定输入给定环节控制器

放大环节执行环节被控对象误差反馈信号输出扰动+_反馈环节控制系统的开展——SAS,DCS,FCS,NCS单机自动化系统(SAS:SingleAutomationSystem)〔1〕仪表控制系统〔1970年以前〕〔2〕数字控制系统〔1970年以后〕分布式控制系统(DCS:DistributedControlSystem)〔1〕单回路控制系统〔2〕集散控制系统〔1975年以后〕现场总线控制系统(FCS:Field-BusControlSystem)〔1〕智能化(Intelligence)〔2〕开放(Open)〔3〕轻量化(Rightsizing)网络控制系统(NCS:NetworkedControlSystem)工业以太网(TCP/IP)控制数字化时代〔1970~1988〕：1970年，由仪表控制(I)和电气控制(E)过渡到数字控制1975年，DCS的出现标志着控制系统迈向基于CRT的操作1980年，PLC导入到控制系统计算机－仪表－电气融合时代〔1989~1994〕1989年，计算机－仪表－电气融(C.I.E)的控制系统MAP(ManufacturingAutomationProtocol)，UNIX作为操作系统信息在控制系统中的重要性先进控制时代〔1994~〕网络控制(NetworkBasedControl)现场总线(FieldBus)Windows作为操作系统控制系统的开展——I.E,C.I.E,A.C控制系统的开展——3C,3A,C3I3C时代:

计算机(Computer);

控制(Control);

通信(Communication).

3A时代:

工厂自动化(FactoryAutomation);

办公自动化(OfficeAutomation);

家庭自动化(HomeAutomation).

C3I时代：计算机(Computer);

控制(Computer);

通信(Control);

信息(Information).计算机控制与信号采样模-数转换器计算机处理器数-模转换器保持器被控对象连续偏差离散偏差数字偏差数字控制量连续控制量离散控制量连续输出输入给定值+_大规模系统的自动控制远距离测量〔遥测〕系统发送单元发送端接收端有线无线接收单

元解编单元纪录单元显示单元数据处理单元传感单元变换单元数据采编单

元存储纪录重放单元来自被测对象在一个自动化系统中，假设是设备之间有较长的距离，例如数十、或数百、数千公里，就不能用通常的电气或机械的联系来传递测量信号、反响信号和控制信号。这时，需要在别离的设备之间设立专门的〔通〕信道。〔通〕信道是传输信息的媒质或通道，如架空明线、同轴电缆、射频波束和光导纤维等。控制技术在控制系统的应用经典控制:PID控制〔现代工业控制的根底〕现代控制:LQG控制〔在实际工业控制中的应用是非常困难的〕预测控制〔在过程控制中大量采用〕先进控制：鲁棒控制〔建模的困难和高阶次的控制器限制了应用〕智能控制〔专家控制、模糊控制和神经网络控制〕集成控制〔开始研究，并得到应用〕…...控制软件在控制系统的应用操作系统〔OS〕:专用OS——Z80单板机的监控程序办公自动化OS——DOS和UNIX视窗系统——Windows设计用软件:80年代后期，CAD(ComputerAideDesign)90年代初期，MATLAB,(MATRIX)x,G2最近几年来，DSP(DigitalSignalProcessor)控制用软件:汇编语言程序，C++程序，VC程序控制软件开放性设计的必要性DCS的局限性：把各个控制系统以及其中的各层作为一个独立的单位来进行设计，各自有相互独立的数据格式。实际系统的需要：相互利用各厂家的设备和应用软件。Windows环境提供的手段：实现不同控制系统，设备和应用软件之间数据交换的根底是对象(Object)技术OLE(Objectlinkingembedding)。控制软件的开放性设计OPC(OLEforprocesscontrol)：是OLE在过程控制领域的扩展，它以Windows的根本技术OLE/COM(Componentobjectmodel)为根底，使不同控制系统，设备和应用软件之间的接口标准化，使过程控制的数据交换易于进行。通过OPC，使不同设备的应用软件可以用一种接口实现相互接续，同时根据过程控制的目标，可以从众多的商品中选择最好的软件。使用OPC，由于没有规定对象的内部结构，软件开发的自由度很大，因而可以集中力量，开发出基于自身独特技术的高性能软件。控制系统结构商用计算机

服务器工作站第4层：质量优化工业计算机商用计算机

工作站第3层：控制优化可编程序控制器分布式控制器第2层：在线控制现场仪器数字传感器、执行机构信息·控制LAN控制LAN现场总线信息网络控制系统结构说明连接方式：第1层与第2层：现场总线〔Fieldbus〕第2层与第3层：控制LAN(Localareanetwork)例如WindowsNT,Ethernet等第3层与第4层：信息—控制LAN，如Ethernet等第4层与上一层：开放的信息网络各层间数据交换：主要由OPC来实现MAP〔Manufactureautomationprotocol〕也继续用于控制LAN中。控制系统的功能实现第1层和第2层：根本上由DCS实现，采用基于数学模型的控制技术第3层：主要是使用集成控制技术，它结合了基于数学模型的控制技术和基于经验知识的控制技术来进行控制优化第4层：利用管理工程和AI(人工智能)等方法，进行质量优化控制系统设计的主要特征智能化(1)以采用智能现场仪器和智能控制技术为特征；(2)智能现场仪器(传感器，执行机构)与控制系统之间的信息交换由现场总线来进行；(3)现场总线不是采用4~20mA模拟信号，而是数字信号；(4)现场总线的标准和实用化正在加速进行。开放和轻量化(1)以Windows作为工作环境的商用软件，对象技术的运用，WindowsNT和Ethernet等控制LAN的开放环境，现场总线和OPC的标准化，工业控制工作站和商用计算机的导入，是控制系统开放和轻量化的根底;(2)对于小规模的生产，以商用计算机为根底的控制系统也将得到广泛的应用。控制系统生产厂家

世界著名厂商：

(1)Fisher-Rosemount

(2)ElsagBailey(3)横河电机

(4)Honeywell(5)Siebe(6)ABB(7)山武

(8)Siemens

国内主要厂商：

(1)浙大中控

(8)北京和利时现场总线开展动向FF(FieldbusFoundation)与Profibus之争FDIS(FinalDraftInternationalStandard)难于通过(1)FDIS内容不完整，性能上没有实际验证(2)假设FF的标准通过，1996年定的欧洲标准EN50170将废除，这对有着良好业绩的EN50170来说是不合理的推广现场总线的标准(1)FF(2)Profibus(3)LonWorks(4)ControlNet(5)InterBus(6)ARCNET工业以太网控制控制与自动化的应用领域第四讲：控制和自动化的应用机械制造自动化过程工业自动化电力系统自动化飞行器控制智能建筑智能交通系统生物控制生态与环境控制社会经济控制大系统控制与系统工程机械制造自动化机械制造自动化技术从20世纪50年代至今，经历了三个阶段：单机自动化、刚性生产线；数控机床、加工中心和柔性生产线；柔性制造。向着计算机集成制造系统/现代集成制造系统(CIMS)方向开展。数控技术和数控系统在产品加工中，大批量生产的零件并不很多。据统计，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量80%以上。对这些多品种、加工批量小、零件形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度很高的自动机床和自动生产线就显得很不适宜。因为在市场经济的大潮中，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产技术——数字控制〔简称数控〕技术在这种情况下应运而生。数控系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程序控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。柔性制造系统(FMS)柔性制造系统〔简称FMS〕是在计算机直接数控(DNC)根底上开展起来的一种高度自动化加工形式，由统一的控制系统和输送系统连接起来的一组加工设备，包括数控机床、材料和工具自动运输设备、产品零件自动传输设备、自动检测和试验设备等，不仅能进行自动化生产，而且还能在—定范围内完成不同工件的加工任务。FMS一般包括以下要素：标准的数控机床或制造单元〔即具有自动上下料功能或具有多个工位的加工型及装配型的数控机床〕；在机床和装卡工位之间运送零件和刀具的传送系统；发布指令，协调机床、工件和刀具传送装置的监控系统；中央刀具库及其管理系统；自动化仓库及其管理系统。计算机集成制造系统(CIMS)计算机集成制造系统是在自动化技术、计算机技术及制造技术的根底上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动〔设计、制造及经营管理，包括市场调研、生产决策、生产方案、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营等〕与整个生产过程有关的物料流与信息流实现高度统一的综合化管理，构成一个优化的、完整的生产系统。过程工业自动化在连续型工业中主要对系统的温度，压力、流量、液位(料位)、成分和物性等参数进行控制的工业，称为过程工业，它包括电力、石油化工、化工、造纸、冶金、制药、轻工等国民经济中举足轻重的许多工业。早期的过程控制系统主要采用基地式仪表、气动单元组合式仪表、电动单元组合式仪表等传统技术工具。目前广泛采用可编程单回路、多回路调节器以及分布式计算机控制系统(DistributedComputerControlSystem)。近年来迅速开展起来的现场总线控制系统(FCS)和网络控制系统(NCS)，更是控制技术和计算机技术高度结合的产物。电力系统自动化平安供电的自动化：——过电压保护、过电流保护、接地保护、功率反向保护电力经济运营的自动化：——最优经济运营策略供电质量的控制：——电压质量和频率质量飞行器控制

现代飞行器有很多种类，例如飞机、导弹、人造卫星、直升机、运载火箭、宇宙飞船、航天飞机等。不同种类的飞行器具有不同的用途，同一种飞行器也由于功能、性能不同而分为不同类型。飞行器控制的内容非常丰富：

——导航系统；

——制导系统；

——姿态控制系统；

——飞行控制电子综合系统；

——测试与发射控制系统。

导航系统飞行器是六自由度运动体，包含角运动和线运动，一般分别称为绕质心运动和质心运动。绕质心运动参数(如姿态角度、角速度)的测量主要利用惯性器件，质心运动参数(如位置、速度、加速度)的测量有惯性测量方法和依靠外界参照信息的无线电测量、光学测量方法等。所谓导航，是指利用敏感器件测量飞行器的运动参数，并将测量的信息直接或经过变换、计算来表征飞行器在某种坐标系的角度、速度和位置等状态量。而由测量、传递、变换、计算几个环节组成并给出飞行器初始状态和飞行运动参数的系统那么称为导航系统。制导系统追踪法示意图三点法示意图比例导引法示意图主要的功能是利用导航系统提供的飞行器运动参数，对质心运动进行控制，使飞行器从某一飞行状态到达期望的终端条件，保证飞行器以足够的精度命中目标。楼宇自动化与智能建筑智能建筑是把现代建筑技术与信息技术有机结合，设计和建造平安、舒适、高效、节能、方便灵活的现代化建筑。智能建筑通过综合布线系统与各种信息终端来“感知”建筑物内各个空间的信息，经过计算机处理作出相应对策，使建筑物具有某种“智能”。使用者和管理者可对供热、供水、空调、电气、电梯、照明、音乐、防火、防盗、、、闭路电视、计算机通信、购物、保健等实现按需控制，对关键部位或特殊部位进行监控，并提供与互联网的有效连接。智能建筑三大要素智能建筑包含三大根本要素：楼宇自动化(BA)系统、通信自动化(CA)系统和办公自动化(OA)系统。智能交通系统智能交通系统可以广泛应用于包括高速公路、城市道路、桥梁等设施的庞大运输网络，也可应用于数量日益增多的各种车辆，从而到达：——提高公路交通的平安性。——降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响——提高公路网络的通行能力——提高汽车运输生产率和经济效益智能交通系统的主要内容出行与运输管理系统出行需求管理系统公共交通运营系统商用车辆运营系统电子收费系统应急管理系统先进的车辆控制和平安系统生物控制具体研究方向有：生物控制系统——血压控制系统、呼吸控制系统、体温控制系统、神经控制系统、内分泌控制系统和肌肉起动控制系统等；遗传及其控制；神经控制；生物行为控制；仿生学。生态与环境控制生态控制——根本任务之一是用系统和信息观点和方法分析、设计、规划和控制人工生态系统、资源的合理利用和再循环、环境的综合治理和优化以及在新的生态平衡格局下人类怎样适应和协调。环境控制——将环境当作受控的开放系统，研究、实施有效的控制行为，使人们的生存环境质量维持在一个良好的水平。环境控制中的控制行为主要有三个方面：局部污染处理、综合环境治理和环境系统管理。社会经济控制将社会经济系统〔SocioeconomicSystem〕看成是一个具有反响调节，特别是信息反响的控制系统；对社会经济系统进行定量的描述与处理，以求到达最优控制，作出有效、合理的经济决策;社会经济控制的主要任务是：给出最优的经济决策，通过最优的经济管理，实现预期的经济指标。大系统控制大系统是指规模宏大、结构复杂的系统。例如，现代大型企业的多级计算机管理和控制系统，大型工程工程的方案协调与组织管理系统，全国性或地区性供电网络的调度、管理和优化运行系统，社会经济系统，大都市的交通管理与控制系统，环境生态系统以及航天运载火箭、洲际导弹等，都是典型的大系统。在现代控制理论的根底上，形成了所谓的大系统理论。主要研究内容有大系统建模、分析与综合等方面，包括研究系统结构、模型简化、控制方案、系统稳定性以及最优化等。主要有三种控制结构方案，即多级〔递阶〕控制、多层控制和多段控制。系统工程系统工程是应用现代数学和电子计算机等工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等进行分析、研究，从而到达最优设计、最优控制和最优管理的目标。系统工程涉及的领域非常广泛，除了各种工程领域，还涉及社会、经济、政治、军事、文化、教育等领域。其应用范围包括社会系统、军事系统、生产系统以及流通效劳系统、人体对象系统等。目前被人们广泛重视并取得有价值结果的应用领域有宏观经济系统工程、区域规划系统工程、环境生态系统工程、能源系统工程、水资源系统工程、运输系统工程、农业系统工程、工程工程管理系统工程、人口系统工程、军事系统工程等。

过程控制技术专题第五讲：过程控制技术专题PARTA：

锌湿法冶炼浸出过程的专家控制与故障诊断

ExpertcontrolandfaultdiagnosisoftheleachingprocessinazinchydrometallurgyplantPARTB：

锌湿法冶炼电解过程的神经网络专家控制策略

Anexpertcontrolstrategyusingneuralnetworksfor

theelectrolyticprocessinzinchydrometallurgyPARTC：

钢铁工业配煤过程的神经网络专家控制系统

Anexpertcontrolsystemusingneuralnetworksfor

thecoalblendingprocessinironandsteelindustryPartsAandB:锌湿法冶炼过程锌湿法冶炼过程控制PARTA：

锌湿法冶炼浸出过程的专家控制与故障诊断

ExpertcontrolandfaultdiagnosisoftheleachingprocessinazinchydrometallurgyplantPARTB：

锌湿法冶炼电解过程的神经网络专家控制策略

Anexpertcontrolstrategyusingneuralnetworksfor

theelectrolyticprocessinzinchydrometallurgyPARTC：

钢铁工业配煤过程的神经网络专家控制系统

Anexpertcontrolsystemusingneuralnetworksfor

thecoalblendingprocessinironandsteelindustry配煤过程控制智能机器人系统技术专题第六讲：PARTB：智能机器人系统技术及应用研究——足球机器人系统开发

Intelligentrobottechnologyandapplications

——SoccerrobotsystemdevelopmentPARTC：

基于手臂机器人的网络教学与实验系统

Anetworkteachingandexperimentsystembasedonarmrobots智能机器人系统技术专题PARTA：机器人与自动控制教学

Robotandautomaticcontrolteaching网络控制技术专题第七讲：网络控制技术专题PARTA：基于LonWorks现场总线和Internet/Intranet的网络控制与监视设计

AnetworkedcontrolandsupervisiondesignbasedonLonworksfieldbusandIntranet/InternetPARTB：

工业以太网控制器与网络控制系统设计

DesignofindustrialEthernetcontrollerandnetworkedcontrolsysytem先进优化技术专题第八讲：CRM优化模型与优化解决方案CRMoptimizationmodelandoptimalsolution先进优化技术专题控制科学开展展望第九讲：控制理论研究的假设干问题(1)非线性鲁棒控制(NonlinearRobustControl)(2)欠驱动机械系统和非完整系统控制

(UnderactuatedMechanicalSystems)(NonholonomicSystems)(3)智能控制和集成控制的设计理论与特性研究

(IntelligentControlandIntegratedControl)(6)免疫控制理论(ImmunityControlControl)(5)微控制理论(MicroControlTheory)(6)基于人工生命的控制线性鲁棒控制——参数化控制器结构G(s)wzK(s)uyM(s)uyQ(s)控制器K(s):线性鲁棒控制——参数化控制器解

两个Riccati方程三个线性矩阵不等式(LMI)

基于LMI的鲁棒控制方法控制器降阶解决奇异控制问题

μ方法非线性鲁棒控制GwzKuy非线性H∞控制(L2增益)：基于两个Hamilton-Jaccobi方程(不等式)非线性鲁棒控制μ方法：基于反响线性化理论直接从非线性系统出发进行求解欠驱动机械系统与非完整性系统欠驱动机器人系统驱动器的个数少于自由度的个数太空机器人水平运动的欠驱动机器人垂直运动的欠驱动机器人

Acrobot非完整性系统一阶非完整性约束二阶非完整性约束欠驱动非完整性系统的集成控制模糊控制+变结构控制+鲁棒控制

智能控制与集成控制设计方法(理论的形成)

模糊控制系统神经网络控制系统专家控制系统智能控制系统集成控制系统特性分析稳定性分析性能分析复杂大规模系统的智能集成建模与集成控制机理建模+知识建模复杂过程的集成控制免疫控制理论免疫控制理论的提出遗传算法与神经网络给我们的启示〔利用遗传系统和大脑神经系统的处理机理〕免疫系统：一个进化得比较好的生物系统能够分辨和消除外来物质(抗原和生殖细胞)具有学习，记忆和识别的能力免疫控制理论研究的问题免疫机理的数学模型化用定量(知识？)的方法进行描述，建立简单使用的模型免疫机理控制方法对于一些未知重复的扰动，为控制系统提供有效的新方法微控制理论与人工生命微控制理论必要性(微型或超微型机器人)理论根底人工生命理论人工生命建模遗传编程进化计算智能信息处理技术面临的根本问题智能化智能自动化鲁棒性对不确定性的不变性应用实际应用的挑战现代集成制造系统〔CIMS〕在制造业中产生了利用计算机不仅实现单元生产柔性自动化，并把制造过程〔产品设计、生产方案与控制、生产过程等等〕集成为一个统一系统的设想，同时企图对整个系统的运行加以优化。主要的目标包括：——降低生产本钱；——提高生产效率；——提高生产的柔性；——增强产品对市场的适应性；——提高产品质量；——减少生产准备时间和库存；——增加企业员工对企业的满足感；——增加用户满意度。基于ERP/MES/PCS的三级结构ERP(EnterpriseResourcePlanning)PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)Purdue模型三层体系结构数控技术、计算机辅助设计〔CAD〕与计算机辅助制造〔CAM〕等；立体仓库与自动化物料运输系统；自动化装配与工业机器人；计算机辅助生产方案制定、计算机辅助生产作业调度；质量监测与故障诊断系统；办公自动化与经营辅助决策。CIMS涉及的技术机器人技术机器人作为人类20世纪最伟大的创造之一，在短短的40年内发生了日新月异的变化。机器人已经不仅成为先进制造业不可缺少的自动化装备，而且正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、效劳、娱乐等各个领域渗透。机器人主要分为两大类：——用于制造环境下的工业机器人〔如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人〕；——用于非制造环境下的特种机器人〔如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等〕。智能移动机器人智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。机器人也正在向个人机器人的方向开展。特种机器人在海洋与农业、效劳与医疗、生物与基因工程、航空与航天等领域的应用显示出强大的生命力，如平安微创的脑外科辅助定位机器人、雕刻机器人、导游机器人等都进入实用化阶段。机器人正在清洗瓷砖壁面焊接机器人足球机器人技术国际上机器人足球比赛的两大系列—国际机器人足球联盟杯〔FIRACup〕—机器人世界杯〔RoboCup〕宗旨通过提供一个标准任务来促进人工智能与智能机器人技术以及相关领域的开展。目标50年后一支机器人足球队能够战胜人类世界冠军队。足球机器人系统的关键

图象识别的效果决策软件的好坏机器人车体的性能——均直接影响着比赛的结果，所以可以说机器人足球比赛是高技术的对抗活动。高速列车的智能控制

采用交流传动技术，流线型头形、轻量化鼓形车体、动力学性能较好的小轮径动