1、先進控制理論與控制工程（控制科學發(fā)展專題）吳 敏（中南大學信息科學與工程學院，長沙，410083）Monday, July 25, 20221課程的目標解決下述問題： 了解國內(nèi)外控制科學的現(xiàn)狀，從總體上把握發(fā)展的脈搏； 分析控制理論發(fā)展各個階段的主要特征，了解目前國內(nèi)外 研究的主要方向； 針對控制理論的發(fā)展趨勢，討論控制理論研究前沿的若干 問題； 從控制系統(tǒng)設計的角度出發(fā)，研究控制理論及技術的工程 應用； 基于信息科學的迅速發(fā)展對控制科學的巨大影響，探討信 息與控制的融合。7/25/20222先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏涉及課程及參考書涉及課程

2、: 線性系統(tǒng)理論 (Linear System Theory) 自適應控制 (Adaptive Control) 最優(yōu)控制 (Optimal Control) 魯棒控制 (Robust Control) 智能控制 (Intelligent Control) 非線性控制 (Nonlinear Control)參考書: 吳敏，桂衛(wèi)華：現(xiàn)代魯棒控制，中南工業(yè)大學出版社 蔡自興：智能控制基礎與應用，國防工業(yè)出版社7/25/20223先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏課程名稱和考試方式課程名稱: 先進Advanced ! 先進控制理論與控制工程 Advance

3、d Control Theory and Control Engineering 控制科學發(fā)展專題 Special Topics on Control Science考試方式: 考試的目的 筆試？開卷？課程報告？7/25/20224先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏課程的主要內(nèi)容第一講控制科學的發(fā)展回顧第二講基本的控制方法第三講控制系統(tǒng)與自動化技術第四講控制與自動化的應用領域第五講冶金過程控制技術專題第六講智能機器人系統(tǒng)技術專題第七講網(wǎng)絡控制技術專題第八講先進優(yōu)化技術專題第九講控制科學發(fā)展展望第十講控制領域的國內(nèi)外學術組織和學術會議分為十講：7/25

4、/20225先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏控制科學的發(fā)展回顧第一講：7/25/20226先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動控制的概念(a) 手動控制漫畫 (b) 自動控制水溫的手動控制和自動控制的示意圖7/25/20227先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏防空導彈制導控制1-目標跟蹤雷達2-導彈導引雷達3-計算機雷達4-導彈發(fā)射架7/25/20228先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一

5、些物理量的控制，包括實現(xiàn)對這種控制的自動化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50周、220伏的交流電。為此，在發(fā)電廠就要設法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動調(diào)壓和自動調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學反應速度加快。在機械加工廠金屬切削機床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動控制的。現(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值，冰箱、洗衣機無不進行一些物理量的控制，而洗衣機更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進行。 社會和生活中的控制問題7/25/20229先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專

6、題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏加速社會產(chǎn)業(yè)結構的變革和社會信息化的進程1. 提高社會生產(chǎn)率和工作效率；2. 節(jié)約能源和原材料消耗；3. 保證產(chǎn)品質(zhì)量；4. 改善勞動條件，減輕體力、腦力勞動；5. 改進生產(chǎn)工藝和管理體制。控制與自動化的作用7/25/202210先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動化 自動控制 控制理論 電氣工程與自動化 工業(yè)自動化 機械制造自動化 電力系統(tǒng)自動化 控制科學與工程學科7/25/202211先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏培養(yǎng)適合社會主義現(xiàn)代化建設需要，德智體全面發(fā)

7、展，在控制理論、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動化、人工智能與機器人控制等領域具有寬廣理論基礎和相關專門知識，具有創(chuàng)新和開拓精神的高級工程技術人才。畢業(yè)生能在國民經(jīng)濟及國防各部門和行業(yè)從事信息及控制系統(tǒng)的研究、設計、集成、開發(fā)、制造和應用等工作。人才的培養(yǎng)目標7/25/202212先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏(1) 科學 科學（Science）是指對各種事實和現(xiàn)象進行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計算和實驗，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并對各種定量規(guī)律予以驗證和公式化的知識體系?？茖W的任務是揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律，探求真理，作為人們改造世界的指南。 (2) 技術

8、 技術（Technology）是指人類根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和自然科學原理改變或控制其環(huán)境的手段和活動，是人類活動的一個專門領域。技術的任務是利用和改造自然，以其生產(chǎn)的產(chǎn)品為人類服務。 一些術語科學，技術7/25/202213先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏(3) 工程 工程（Engineering）是指應用科學知識使自然資源最好地為人類服務的專門技術。 一些術語工程，系統(tǒng)(4)系統(tǒng) 系統(tǒng)（System）是指由相互關聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機整體。 7/25/202214先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信

9、息科學與工程學院 吳 敏一些術語信息，控制(5) 信息信息（Information）是指符號、信號或消息所包含的內(nèi)容，用來消除對客觀事物認識的不確定性。 (6) 控制控制（Control）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。 7/25/202215先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏一些術語反饋，調(diào)節(jié)(7) 反饋反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。 (8) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)（Regulation）是指通過系統(tǒng)的反饋信息自動校正系統(tǒng)的誤差，使諸如

10、溫度、速度、壓力或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的過程。 7/25/202216先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏一些術語管理，決策(9) 管理管理（Management）是指為了充分利用各種資源來達到一定的目標而對社會或其組成部分施加的一種控制。 (10) 決策決策（Decision Making）是指為最優(yōu)地達到目標，對若干準備行動的方案進行選擇。 7/25/202217先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動化與自動控制的定義自動化（Automation） ，是指機器或裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的

11、程序或指令自動地進行操作或運行。自動控制（Automatic Control）是關于受控系統(tǒng)的分析、設計和運行的理論和技術。自動化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問題。自動控制則除了上述研究外，還研究社會、經(jīng)濟、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問題。例如生物控制、經(jīng)濟控制、社會控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動化的研究領域的。不過人們提到自動控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個意義上自動化和自動控制是相近的。 7/25/202218先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏指南車銅壺滴漏及浮子式閥門飲酒速度的自動調(diào)節(jié)計里鼓車漏水轉(zhuǎn)渾天儀候風地動儀水運儀象臺我國古

12、代自動裝置7/25/202219先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏指南車中國古代(公元78139年)用來指示方向的一種具有自動離合齒輪系裝置的車輛，它是一種馬拉的雙輪獨轅車。車箱上立一個伸臂的木人，車箱內(nèi)裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。 7/25/202220先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏指南車復原模型7/25/202221先進控制理論與控制工程(控制

13、科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏銅壺滴漏中國古代(公元1135年)的自動計時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關鍵。這個問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的。用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。7/25/202222先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏飲酒速度的自動調(diào)節(jié)中國古代(公元1178年)南方和西南方部落村民在飲酒管中使用浮子式閥門來保持均勻的飲酒速度。7/25/202223先進控制理論與控制工程(

14、控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏計里鼓車中國用來自報行車里程的鼓車。7/25/202224先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏公元2世紀，中國東漢的天文學家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動的水運渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實現(xiàn)天體運行的自動仿真。 漏水轉(zhuǎn)渾天儀7/25/202225先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏候風地動儀公元132年張衡發(fā)明的一種觀察地震的自動檢測儀器7/25/202226先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳

15、敏水運儀象臺公元1088年，中國蘇頌等人把渾儀(天文觀測儀器)、渾象(天文表演儀器)和自動計時裝置結合在一起建成了水運儀象臺。7/25/202227先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏控制和自動化的發(fā)展回顧自動裝置的出現(xiàn)和應用：18世紀以前自動化技術形成時期：18世紀末至20世紀30年代局部自動化時期 ：20世紀40-50年代綜合自動化時期：20世紀50年代末起至今7/25/202228先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動裝置的出現(xiàn)和應用古代自動裝置：中國古代自動裝置；巴比倫、古埃及和希臘的教堂廟門自動開啟

16、、銅祭司自動灑圣水、投幣式圣水箱等自動裝置。近代自動裝置：17世紀以來，在歐洲一些國家相繼出現(xiàn)了多種自動裝置：法國物理學家B.帕斯卡（Pascal）于公元1642年發(fā)明的加法器；荷蘭機械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表；英國機械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風向控制的風磨；俄國機械師.波爾祖諾夫（）于公元1765年發(fā)明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調(diào)節(jié)器。7/25/202229先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動化技術形成時期公元1788年 J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機的閥門連接起來，構成蒸汽機轉(zhuǎn)速的閉

17、環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)7/25/202230先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動調(diào)節(jié)的廣泛應用 由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開始采用自動調(diào)節(jié)器（Regulator）或裝置，使一些物理量保持在給定值附近。公元1868年法國工程師J.法爾科（Farcot）發(fā)明反饋調(diào)節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機構（Servo-mechanism）。 20世紀2030年代，美國開始采用PID模擬式調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分調(diào)節(jié)器）。現(xiàn)在還在許多工廠中采用。7/25/202231先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院

18、吳 敏反饋 (Feedback) 反饋控制系統(tǒng)CPreyu自動控制的基本概念P：蒸汽機（控制對象）；C：調(diào)節(jié)器（控制器）。反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實際輸出和期望輸出進行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。7/25/202232先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動控制(Automatic Control)研究的問題:自動控制系統(tǒng)分析 (Analysis) (1) 穩(wěn)定性 (Stability) (2) 動態(tài)特性 (Dynamic Performance) (3) 靜態(tài)特性 (Static Performance) (4)

19、魯棒性 (Robustness)自動控制系統(tǒng)綜合(Synthesis)設計(Design)CPreyu自動控制研究的問題7/25/202233先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題自動調(diào)節(jié)器和被控制對象（蒸汽機或船舵）組成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Automatic Regulation System）。當時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機轉(zhuǎn)速會忽高忽低，即系統(tǒng)會發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使一些數(shù)學家從理論上來加以研究，創(chuàng)造多種代數(shù)穩(wěn)定判劇。7/25/202234先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏反饋控制和頻率法進入2

20、0世紀以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用各種自動調(diào)節(jié)裝置，促進了對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析和綜合的研究。 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基關于船舶自動操舵的穩(wěn)定性和1934年美國H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的關于伺服機構理論論文，標志著經(jīng)典控制理論的誕生。 7/25/202235先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏局部自動化時期自動防空火力控制系統(tǒng)經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展局部自動化的廣泛應用電子數(shù)字計算機的發(fā)明7/25/202236先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動防空火力控制系統(tǒng) 在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解

21、決防空火力控制系統(tǒng)和飛機自動導航系統(tǒng)等軍事技術問題，設計了各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置。7/25/202237先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展經(jīng)典控制 (Classical Control)：1930年1960年基于頻域 (Frequency Domain) 的方法傳遞函數(shù) (Transfer Function)代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應的頻率法判據(jù)的基礎上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（Root Locus Method），奠定了適宜用于單變量控制問題的經(jīng)典控制理論的基礎。頻域法成為分析和設計線性單變

22、量自動控制系統(tǒng)的主要方法。早期，反饋控制系統(tǒng)通稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動控制系統(tǒng)（Automatic Control System）。因此，調(diào)節(jié)器也稱為控制器。7/25/202238先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏經(jīng)典控制理論形成的歷史動力推 動: 受當時重大技術（通訊技術和火炮技術等） 的深刻影響物理學：牛頓力學中的“質(zhì)點和姿態(tài)動力學”數(shù) 學：線性常系數(shù)微分方程、復變函數(shù)、概率、統(tǒng)計工 具：模擬電路和模擬計算機7/25/202239先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏局部自動化的廣泛應用二次大戰(zhàn)后，在工

23、業(yè)上已廣泛應用PID調(diào)節(jié)器，并用電子模擬計算機（Electronic Analog Computer）來設計自動控制系統(tǒng)。當時在工業(yè)上實現(xiàn)局部自動化，即單個過程或單個機器的自動化。 在20世紀30-40年代出現(xiàn)了統(tǒng)一信號的、通用的、標準的氣動單元組合儀表。20世紀50年代研制出了電動單元組合儀表。這些為工業(yè)自動化提供了必不可少的技術工具，并使得構成和設計自動控制系統(tǒng)更簡便、更工程化了。 智能化的儀表和控制器是當前流行的產(chǎn)品。 7/25/202240先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏智能化儀表與控制器7/25/202241先進控制理論與控制工程(控制科

24、學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏電子數(shù)字計算機的發(fā)明目前小型電子數(shù)字計算機或單片計算機已成為復雜自動控制系統(tǒng)的一個組成部分，以實現(xiàn)復雜的控制和算法。 電子數(shù)字計算機內(nèi)部元件和結構，經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路的四個發(fā)展階段。電子數(shù)字計算機的發(fā)明，為60-70年代開始的在控制系統(tǒng)廣泛應用程序控制和邏輯控制以及應用數(shù)字計算機直接控制生產(chǎn)過程，奠定了基礎。 7/25/202242先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏國產(chǎn)“銀河III”計算機7/25/202243先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程

25、學院 吳 敏自動控制的歷史地位和作用20世紀40年代是自動化技術和理論形成的關鍵時期： 工業(yè)過程自動化首先來自于傳統(tǒng)機械制造業(yè)生產(chǎn)方式的變更，即從 汽車流水線開始的。 1946年美國福特汽車公司副經(jīng)理哈特首先提出用“自動化”一詞來 描述這種流水線。 1947年4月，福特汽車公司建立了自動化研究部門，稱作自動化工程 師的專家到這個部門工作。 不到3年的時間，使汽車成本下降了近3倍，只用了8年的時間就使汽 車銷售價格下跌到原來的9%，使汽車走進了普通家庭。 汽車工業(yè)的發(fā)展，帶動了冶金、化工、石油等工業(yè)，促進了連續(xù)生 產(chǎn)過程自動化的發(fā)展。7/25/202244先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題

26、) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏綜合自動化時期現(xiàn)代控制 (Modern Control)：1960年1980年基于時域 (Time Domain) 的方法狀態(tài)空間模型 (State Space Model)先進控制 (Advanced Control)：1980年：基于頻域+時域的方法 (傳遞函數(shù)+狀態(tài)空間模型)基于知識的方法智能控制 (Intelligent Control)基于模型+知識的方法集成控制 (Integrated Control)7/25/202245先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學家.龐特里亞金提出極大

27、值原理。同年，美國數(shù)學家R.貝爾曼創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃。兩者為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。1960年美國數(shù)學家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性?？柭€引入狀態(tài)空間法，提出具有二次型性能指標的線性狀態(tài)反饋律，為線性自動控制系統(tǒng)給出了最優(yōu)調(diào)節(jié)器的概念。以上這些新概念和新方法標志著現(xiàn)代控制理論的誕生。20世紀6070年代，英國學者H.羅森布羅克、D.梅恩和A.G.麥克法蘭等將頻率法推廣到分析和設計多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法?，F(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展7/25/202246先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏現(xiàn)代控制理論形成的歷史動力推

28、動: 遠程火箭技術與航天技術、現(xiàn)代航海技術 的直接影響物理學：力學、電動力學、化學反應機理數(shù) 學：線性代數(shù)（幾何方法）和矩陣論；線性常 微分方程組理論；實、復變函數(shù)論變分法； 泛函分析；概率、統(tǒng)計.工 具：電子計算機技術促進7/25/202247先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏遙測、遙控和遙感遙測就是對被測對象的某些參數(shù)進行遠距離測量。遙控就是對被控對象進行遠距離控制。遙感就是利用裝載在飛機或人造衛(wèi)星等運載工具上的傳感器，收集由地面目標物反射或發(fā)射出來的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲得關于目標物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。 7/25/20224

29、8先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏綜合自動化 20世紀50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計算機控制的化工廠，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開始由局部自動化向綜合自動化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專用機床組成的無人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無人工廠。 7/25/202249先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏無人組裝車間7/25/202250先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏先進控制理論的形成和發(fā)展1981年，基于頻域和時域方

30、法，Zames提出最優(yōu)靈敏度控制，開始了魯棒控制研究時代。從20世紀80年代開始，基于知識的方法，把人工智能與自動控制相結合，出現(xiàn)了智能控制研究階段。近年來，基于知識和解析的方法，實現(xiàn)了集成控制。 7/25/202251先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏先進控制理論形成的歷史動力推 動:微電子技術、計算機技術、通訊和網(wǎng)絡技術、 機器人技術； 經(jīng)濟、技術全球化進程的加快7/25/202252先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏智能機器人和水下機器人7/25/202253先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題)

31、 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏基本的控制方法第二講：7/25/202254先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏經(jīng)典控制波德圖 (Bode Plot) 方法奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析其它穩(wěn)定性分析方法PID控制維納濾波器方法的基本思想基于奈魁斯特穩(wěn)定性設計思想經(jīng)典控制的特征7/25/202255先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏波德圖 (Bode Plot) 方法 頻率響應法： (1) 幅頻特性 (Magnitude) (2) 相頻特性 (Phase)7/25/20225

32、6先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析ImRew =0w =(-1, j0)開環(huán)頻率特性:是否圍繞 (-1, j0) 點在保持穩(wěn)定性的前提下，改善中頻段的特性，從而提高系統(tǒng)的性能。7/25/202257先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 勞斯穩(wěn)定性 (Rorth Stability) 分析伊萬斯根軌跡 (Evans Root Locus, 1948)方法 增益和相位裕量 (Gain and Phase Margin) 方法 其它穩(wěn)定性分析方法7/2

33、5/202258先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏PID控制 PID (Proportion-Integration-Differentiation) 控制CPreyu7/25/202259先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏經(jīng)典控制的特征兩個最基本的問題： 維納 (Wiener) 濾波器方法 奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析 SISO (Single Input Single Output) 系統(tǒng) LTI (Linear Time-Invariant)系統(tǒng) 頻域方法 傳遞函數(shù) (

34、復變函數(shù)作為數(shù)學工具)7/25/202260先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏維納濾波器方法的基本思想d: 可以用某種隨機過程來表示的外界擾動 把反饋控制問題變成數(shù)學上的某些優(yōu)化問題 卡爾曼-布西濾波器 (Kalman-Bucy Filter)理論 現(xiàn)代控制理論CPreyud7/25/202261先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏基于奈魁斯特穩(wěn)定性設計思想ImRew =0w =(-1, j0)開環(huán)頻率特性: 是否圍繞 (-1, j0) 點在保持穩(wěn)定性的前提下，改善中頻段的特性，從而提高系統(tǒng)的性能。魯棒控制理

35、論7/25/202262先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏現(xiàn)代控制狀態(tài)空間方法能控性和能觀性內(nèi)部穩(wěn)定性問題LQ控制、LQR和LQG方法現(xiàn)代控制的特征最活躍的幾個領域7/25/202263先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 狀態(tài)空間模型 (State Space Model) 方法Guy當t=0時， 是x=Ax的解。狀態(tài)空間方法7/25/202264先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏能控性 (Controllability) 分析定義: 存在一個輸入u(t)，使x(

36、t)從任意的初始狀態(tài)出發(fā)，在有限時間內(nèi)達到原點，則 (A，B) 是能控的。定理: 下述條件是等價的。 (A，B) 是能控的； rank B AB A2B An-1B = n； 存在實數(shù)矩陣F，使A+BF具有任意指盯的n個對稱于實 的復數(shù)特征根； 對于任意的復數(shù)，有rank I-A B = n。能控性格拉米昂 (Gramian)矩陣:7/25/202265先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏能觀性 (Observability) 分析定義: 任意的初始狀態(tài)，可以由有限時間內(nèi)的輸出y(t)和輸入u(t)來唯一決定，則 (C，A) 是能觀的。定理: 下述條件

37、是等價的。 (C，A) 是能觀的； rank C CA CA2 CAn-1T = n； 存在實數(shù)矩陣H，使A+HC具有任意指定的n個對稱于實 的復數(shù)特征根； 對于任意的復數(shù)，有rank I-A C T = n。能觀性格拉米昂矩陣:7/25/202266先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏內(nèi)部穩(wěn)定性分析外部穩(wěn)定性: 輸入輸出 (BIBO) 穩(wěn)定性，基于G(s)進行分析。內(nèi)部穩(wěn)定性: 內(nèi)部狀態(tài)的收斂性，基于系統(tǒng)矩陣A進行分析。 （A的特征根具有負實部）Guy能控性+能觀性：內(nèi)部穩(wěn)定性 = 外部穩(wěn)定性7/25/202267先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展

38、專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏LQ (Linear Quadratic) 最優(yōu)控制LQ控制的基本特征: 控制對象是線性的； 控制目標是使線性二次型性能指標為最小?？刂葡到y(tǒng)設計：尋找控制規(guī)律u(t)，實現(xiàn)min J。7/25/202268先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏LQR (Linear Quadratic Regulator) 方法LQR問題：尋找控制規(guī)律：對于控制對象：使如下性能指標最?。嚎刂凭?控制能量 (成本) 終端代價控制問題的解：其中：P為黎卡提 (Riccati) 方程的解。7/25/202269先進控制理論與控制工程

39、(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏LQG (Linear Quadratic Gaussian) 方法LQG問題：測量含有噪聲：對于控制對象：構造一個補償器，產(chǎn)生一個控制輸入u，使如下性能指標最?。汉蚫滿足：Pyudz7/25/202270先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏LQG 控制器控制問題的解 (分離原理)： 設計卡爾曼-布西濾波器，獲得x的估計值； 設計基于x的估計值的狀態(tài)反饋增益矩陣K。上述均是基于黎卡提方程的解進行設計。KPyudz卡爾曼-布西濾波器7/25/202271先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中

40、南大學信息科學與工程學院 吳 敏現(xiàn)代控制中最活躍的幾個領域 最優(yōu)控制 (Optimal Control) 自適應控制 (Adaptive Control) 隨機控制 (Stochastic Control) 系統(tǒng)辨識 (System Identification) 線性多變量系統(tǒng)的頻域方法 大系統(tǒng)理論 (Large Scale System): (1) 遞階控制 (Hierarchical Control) (2) 分散控制 (Decentralied Control)7/25/202272先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏現(xiàn)代控制的基本特征現(xiàn)代控制

41、理論的問題點： LQG控制外界擾動和模型不確定性； 經(jīng)典控制中的頻域方法應用于多變量系統(tǒng)。 魯棒控制理論 MIMO (Multi-Input and Multi-Output) 系統(tǒng) 擾動特性 (數(shù)學期望，均方差) 已知的系統(tǒng) 時域方法 狀態(tài)空間模型 (矩陣論作為數(shù)學工具)7/25/202273先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏先進控制魯棒控制 不確定系統(tǒng)的魯棒控制問題 H控制方法 分析和綜合方法智能控制 專家控制 神經(jīng)網(wǎng)絡控制集成控制7/25/202274先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏魯棒控制研究的基

42、本問題 不確定系統(tǒng)的魯棒控制CP0+DPreyud 不確定性系統(tǒng)的描述方法； 魯棒性分析和設計方法； 魯棒控制的應用領域。P0P0 +DP7/25/202275先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏系統(tǒng)不確定性 非結構不確定性 (Unstructured Uncertainty) H控制P0P0 +DP 結構不確定性 (Structured Uncertainty) 分析與綜合P07/25/202276先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏H控制的提出與發(fā)展1981：Zames利用H范數(shù)作為性能指標，提出最小靈敏度

43、 控制問題H控制問題；1988：Zhou獲得H控制問題的狀態(tài)反饋控制解；1989：Doyle等發(fā)表著名的DGKF論文，獲得H控制問題的輸出反饋控制解H控制理論形成。CPreyud7/25/202277先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏H控制的基本思想T(s)uyH范數(shù)：ImRew =0w =(-1, j0)7/25/202278先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏H控制問題G(s)wzK(s)uy最優(yōu)：次優(yōu)：7/25/202279先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏分

44、析與綜合G(s)wzK(s)uyD(s)M(s)D(s)分析: 魯棒穩(wěn)定性定理；魯棒性能定理。綜合:7/25/202280先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏魯棒控制的研究方法 奇異值曲線 (Singular Value Plot, SVD) 方法 結構奇異值曲線 (Structured Singular Value Plot) 方法 H 控制 (H Control) 綜合 ( Synthesis) 平衡實現(xiàn) (Balanced Realization) 頻譜分解 (Spectral Factorization): LQG/LTR (Loop Tran

45、sfer Recovery) LMI (Linear Matrix Inquation) 尤拉參數(shù)化 (Youla Parametrization) 二次穩(wěn)定化控制 (Quadratically Stabilizing Control) 參數(shù)空間穩(wěn)定性分析：Kharitonov定理，棱邊定理7/25/202281先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏智能控制 (Intelligent Control) 的發(fā)展基于知識的控制 (Knowledge Based Control) 人工智能與自動控制相結合的產(chǎn)物1965年: 傅京孫提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則

46、用于 學習控制系統(tǒng)。1967年: Leondes首次使用“智能控制”一詞。1971年: 傅京孫論述了人工智能與自動控制的關系。1985年: IEEE在美國紐約召開第一屆智能控制學術討論會。1987年: 在美國費城召開智能控制國際會議。7/25/202282先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏智能控制涉及的領域(1) 分級遞階智能控制 (Hierarchical Intelligent Control)(2) 學習控制 (Learning Control)(3) 專家控制 (Expert Control)(4) 模糊控制 (Fuzzy Control)(

47、5) 神經(jīng)網(wǎng)絡控制 (Neural Network Control)7/25/202283先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏專家控制 知識的描述 (知識庫): 產(chǎn)生式規(guī)則 (Production Rule)規(guī)則模型 (Rule Model); 框架模型 (Frame Model); 推理策略 (推理機): 前向推理 (Forward Chaining); 后向推理 (Backward Chaining); 基于模型的推理 (Model Based Reasoning); 數(shù)據(jù)庫 (Database) 和工作內(nèi)存 (Working Memory) 接口

48、 7/25/202284先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏專家控制 (專家控制器)知識庫 (Knowledge Base) 數(shù)據(jù)庫 (Database)工作存儲器推理機 (Engine)測量與控制接口人機界面專家與操作員過程數(shù)據(jù)測量與控制機構推理結果7/25/202285先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏模糊控制的發(fā)展概況 模糊數(shù)學和模糊控制的概念 由美國加利福尼亞大學著名教授Zadeh提出 1965: Fuzzy Sets 1968: Fuzzy Algorithm 1972: A Rationale f

49、or Fuzzy Control 模糊控制的應用 1974年：英國倫敦大學教授Mamdani應用模糊控制語句組成 模糊控制器，應用于鍋爐和汽輪機的運行控制； 1975年：工業(yè)反應過程的溫度控制； 1976年：熱水裝置、壓力容器、壓力與液面控制； 1977年：多變量熱變換過程控制、交通樞紐指揮控制； 1979年：自組織模糊控制器； 80年代開始大規(guī)模應用于化工、機械、冶金、工業(yè)窯爐、水處理、 食品生產(chǎn)等大型工業(yè)過程控制中。7/25/202286先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏模糊控制系統(tǒng)的結構系統(tǒng)核心是模糊控制器：模糊化：把精確量變成模糊量，即語言變

50、量；模糊推理：即模糊決策，基于輸入輸出的模糊關系R，進 行集合運算，得到模糊量；解模糊：采用模糊判決，把模糊變量變成精確量。模糊化解模糊模糊推理xXYy模糊控制器執(zhí)行機構過程測量裝置輸入輸出7/25/202287先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏模糊控制的應用領域 凈水池添加凝聚劑控制：凝聚反應過程的渾濁度、堿度和 pH值； 排水泵控制：流入水量控制、排水過程的水位、水位變化、 排水量和泵轉(zhuǎn)速； 水泥窯燃燒控制：化學反應熱力系統(tǒng)的溫度和轉(zhuǎn)矩； 水泥料粉碎控制：長間隙和長時滯過程的電力、振動、差 壓和溫度； 轉(zhuǎn)爐供給煤氣控制：供氣過程的電極高低、轉(zhuǎn)爐吹

51、煉設定； 發(fā)酵過程控制：發(fā)酵過程的溫度、pH值、基質(zhì)消耗量、溶 存氧氣濃度等； 核反應堆控制：核反應過程的輸出量、燃料溫度和冷卻層 溫度； 自動銷售機控制和機器人控制等。7/25/202288先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏神經(jīng)網(wǎng)絡控制 90年后迅速發(fā)展，在控制中主要使用： BP (Backpropagation Network) 網(wǎng)絡 RBF (Radial Basis Function) 網(wǎng)絡 神經(jīng)網(wǎng)絡的基本概念： 網(wǎng)絡結構 (Network Architecture) 訓練 (Training) 或?qū)W習7/25/202289先進控制理論與控制

52、工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 Sigmoid 函數(shù)7/25/202290先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構 (3層)7/25/202291先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏神經(jīng)網(wǎng)絡的學習控制對象yu神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法ym學習的目標函數(shù)：學習算法： 基本的BP學習算法等； Matlab Neural Network Toolbox梯度下降學習算法：7/25/202292先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏集成控制 基于模

53、型和知識的控制 (Model and knowledge Based Control) (1) 基于模型的專家控制 (2) 自適應+模糊控制 (3) 小波神經(jīng)網(wǎng)絡+魯棒控制 (H 控制) 基于知識基于模型 集成控制器 (Integrated Controller) 7/25/202293先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏控制系統(tǒng)與自動化技術第三講：7/25/202294先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動控制系統(tǒng)的類型按被控制物理量的類型分：恒值控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）按采用的儀器儀表分：

54、單機自動化系統(tǒng)(SAS)分布式控制系統(tǒng)(DCS)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(NCS)7/25/202295先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏恒值控制系統(tǒng)（爐溫控制）7/25/202296先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏程序控制系統(tǒng)運 算控制器變 換放大器電動機工作機床切削刀具控制脈沖脈沖指令位移反饋測量元件7/25/202297先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏隨動系統(tǒng)在反饋控制系統(tǒng)中，若輸入信號是預先未知的隨時間變化的函數(shù)，則這種自動控制系統(tǒng)稱為隨

55、動系統(tǒng)(Servo-mechanism)。國防上的火炮跟蹤系統(tǒng)、雷達導引系統(tǒng)和天文望遠鏡的跟蹤系統(tǒng)等都屬于隨動系統(tǒng)。 7/25/202298先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動控制系統(tǒng)的組成給定環(huán)節(jié)：產(chǎn)生給定的輸入信號；反饋環(huán)節(jié)：對系統(tǒng)輸出（被控制量）進行測量，將它轉(zhuǎn)換成反饋信號；比較環(huán)節(jié) ：將給定的輸入信號和反饋信號加以比較，產(chǎn)生“誤差”信號；控制器（調(diào)節(jié)器）：根據(jù)誤差信號，按一定規(guī)律，產(chǎn)生相應的控制信號。控制器是自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制的核心 部分；執(zhí)行環(huán)節(jié)（執(zhí)行機構）：將控制信號進行功率放大，并能使 被控對象的被控量變化；被控對象：控制系統(tǒng)所要控

56、制的設備或生產(chǎn)過程，它的輸出就是被控量。7/25/202299先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏自動控制系統(tǒng)組成框圖給定輸入給定環(huán)節(jié)控制器 放大環(huán)節(jié)執(zhí)行環(huán)節(jié)被控對象誤差反饋信號輸出擾動+_反饋環(huán)節(jié)7/25/2022100先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏控制系統(tǒng)的發(fā)展SAS, DCS, FCS, NCS 單機自動化系統(tǒng) (SAS: Single Automation System) （1）儀表控制系統(tǒng)（1970年以前） （2） 數(shù)字控制系統(tǒng)（1970年以后）分布式控制系統(tǒng) (DCS: Distributed

57、 Control System) （1） 單回路控制系統(tǒng) （2） 集散控制系統(tǒng)（1975年以后）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (FCS: Field-Bus Control System) （1） 智能化 (Intelligence) （2） 開放 (Open) （3） 輕量化 (Rightsizing)網(wǎng)絡控制系統(tǒng) (NCS: Networked Control System) 工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)控制7/25/2022101先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏數(shù)字化時代（19701988）： 1970年，由儀表控制 (I) 和電氣控制 (E) 過渡到數(shù)字

58、控制 1975年，DCS的出現(xiàn)標志著控制系統(tǒng)邁向基于CRT的操作 1980年，PLC導入到控制系統(tǒng)計算機儀表電氣融合時代（19891994） 1989年，計算機儀表電氣融 (C. I. E) 的控制系統(tǒng) MAP (Manufacturing Automation Protocol )， UNIX作為操作系統(tǒng) 信息在控制系統(tǒng)中的重要性先進控制時代（1994） 網(wǎng)絡控制 (Network Based Control) 現(xiàn)場總線 (Field Bus) Windows作為操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)的發(fā)展I.E, C. I. E, A.C 7/25/2022102先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南

59、大學信息科學與工程學院 吳 敏控制系統(tǒng)的發(fā)展3C, 3A, C3I 3C時代: 計算機 (Computer); 控制 (Control); 通信 (Communication). 3A時代: 工廠自動化 (Factory Automation); 辦公自動化 (Office Automation); 家庭自動化 (Home Automation). C3I時代： 計算機 (Computer); 控制 (Computer); 通信(Control); 信息 (Information).7/25/2022103先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏計算機控制

60、與信號采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器計算機處理器數(shù)-模轉(zhuǎn)換器保持器被控對象連續(xù)偏差離散偏差數(shù)字偏差數(shù) 字控制量連 續(xù)控制量離 散控制量連續(xù)輸出輸 入給定值+_7/25/2022104先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏大規(guī)模系統(tǒng)的自動控制7/25/2022105先進控制理論與控制工程(控制科學發(fā)展專題) 中南大學信息科學與工程學院 吳 敏遠距離測量（遙測）系統(tǒng)發(fā) 送 單 元發(fā)送端接收端有線無線接 收 單 元解 編 單 元紀錄單元顯示單元數(shù) 據(jù) 處 理 單 元傳 感 單 元變 換 單 元數(shù) 據(jù) 采 編 單 元存儲紀錄重放單元來 自 被 測 對 象 在一個自動化系統(tǒng)中，