1先進(jìn)控制理論與控制工程控制科學(xué)發(fā)展專題

1、2024年3月22日,1,先進(jìn)控制理論與控制工程（控制科學(xué)發(fā)展專題）,吳 敏（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410083）,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,2,,課程的目標(biāo),解決下述問題：,了解國內(nèi)外控制科學(xué)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

2、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(shè)計(jì)的角度出發(fā)，研究控制理論及技術(shù)的工程 應(yīng)用； 基于信息科學(xué)的迅速發(fā)展對控制科學(xué)的巨大影響，探討信 息與控制的融合。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程

3、學(xué)院 吳 敏,3,,涉及課程及參考書,涉及課程: 線性系統(tǒng)理論 (Linear System Theory) 自適應(yīng)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(xué)出版社

4、 蔡自興：《智能控制——基礎(chǔ)與應(yīng)用》，國防工業(yè)出版社,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,4,課程名稱和考試方式,課程名稱: 先進(jìn)——Advanced ! 先進(jìn)控制理論與控制工程 Advanced Control Theory and Control Engine

5、ering 控制科學(xué)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(bào)告？,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,5,,課程的主要內(nèi)容,第一講——控制科學(xué)的發(fā)展回顧第二講——基本的控制方法第三

6、講——控制系統(tǒng)與自動化技術(shù)第四講——控制與自動化的應(yīng)用領(lǐng)域第五講——冶金過程控制技術(shù)專題第六講——智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)專題第七講——網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)專題第八講——先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)專題第九講——控制科學(xué)發(fā)展展望第十講——控制領(lǐng)域的國內(nèi)外學(xué)術(shù)組織和學(xué)術(shù)會議,分為十講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工

7、程學(xué)院 吳 敏,6,控制科學(xué)的發(fā)展回顧,,第一講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,7,,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,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論

8、與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,8,,防空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,9,現(xiàn)代社會和現(xiàn)代生活離不開對一些物理量的控制，包括實(shí)現(xiàn)對這種

9、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(shè)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(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。在機(jī)械加工廠金屬切削機(jī)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?，F(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值，冰箱、洗衣機(jī)無不進(jìn)行一些物理量的控制，而

10、洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動按程序進(jìn)行。,,社會和生活中的控制問題,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,10,加速社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會信息化的進(jìn)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

11、動；5. 改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理體制。,,控制與自動化的作用,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,11,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(jī)械制造自動化 電力系統(tǒng)自動化,,控制科學(xué)與工程學(xué)科,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)

12、展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,12,培養(yǎng)適合社會主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，德智體全面發(fā)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(jī)器人控制等領(lǐng)域具有寬廣理論基礎(chǔ)和相關(guān)專門知識，具有創(chuàng)新和開拓精神的高級工程技術(shù)人才。畢業(yè)生能在國民經(jīng)濟(jì)及國防各部門和行業(yè)從事信息及控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、集成、開發(fā)、制造和應(yīng)用等工作。,,人才的培

13、養(yǎng)目標(biāo),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,13,(1) 科學(xué) 科學(xué)（Science）是指對各種事實(shí)和現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并對各種定量規(guī)律予以驗(yàn)證和公式化的知識體系?？茖W(xué)的任務(wù)是揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律，探求真理，作

14、為人們改造世界的指南。,(2) 技術(shù) 技術(shù)（Technology）是指人類根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自然科學(xué)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(lǐng)域。技術(shù)的任務(wù)是利用和改造自然，以其生產(chǎn)的產(chǎn)品為人類服務(wù)。,,一些術(shù)語——科學(xué)，技術(shù),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

15、 吳 敏,14,(3) 工程 工程（Engineering）是指應(yīng)用科學(xué)知識使自然資源最好地為人類服務(wù)的專門技術(shù)。,,一些術(shù)語——工程，系統(tǒng),(4) 系統(tǒng)    系統(tǒng)（System）是指由相互關(guān)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(jī)整體。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

16、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,15,,一些術(shù)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(rèn)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(dá)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。,2024年3月22日,

17、先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,16,,一些術(shù)語——反饋，調(diào)節(jié),(7)    反饋反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)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)（Regulatio

18、n）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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,17,,一些術(shù)語——管理，決策,(9)    管理管理（Management）是指為了充分利用各種資

19、源來達(dá)到一定的目標(biāo)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(dá)到目標(biāo)，對若干準(zhǔn)備行動的方案進(jìn)行選擇。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,18,,自動化與自動控制的定義,自動化（Automation） ，是指機(jī)器或裝

20、置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動地進(jìn)行操作或運(yùn)行。自動控制（Automatic Control）是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論和技術(shù)。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(jì)、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(jì)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(lǐng)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

21、。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,19,,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(jì)里鼓車漏水轉(zhuǎn)渾天儀候風(fēng)地動儀水運(yùn)儀象臺,我國古代自動裝置,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

22、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,20,,指南車,中國古代(公元78~139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(dú)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(dāng)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。,2024年3月22日,

23、先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,21,,指南車復(fù)原模型,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,22,,銅壺滴漏,中國古代(公元1135年)的自動

24、計(jì)時（測量時間）裝置，又稱刻漏或漏刻。這種計(jì)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(jì)時準(zhǔn)確的關(guān)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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

25、 吳 敏,23,,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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,24,,計(jì)里鼓車,中國用來自報(bào)行車?yán)锍痰墓能嚒?2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專

26、題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,25,公元2世紀(jì)，中國東漢的天文學(xué)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(yùn)渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動仿真。,,漏水轉(zhuǎn)渾天儀,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

27、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,26,,候風(fēng)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,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,27,,水運(yùn)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(jì)時裝置結(jié)合在一起建成了水

28、運(yùn)儀象臺。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,28,,控制和自動化的發(fā)展回顧,自動裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用：18世紀(jì)以前自動化技術(shù)形成時期：18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代局部自動化時期 ：20世紀(jì)40-50年代綜合自動化時期：20世紀(jì)50年代末起至今,2024年3月22日,先進(jìn)控制理

29、論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,29,,自動裝置的出現(xiàn)和應(yīng)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、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(jì)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(xué)家B.帕斯卡（Pascal）于公元1642年發(fā)明的加

30、法器；荷蘭機(jī)械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表；英國機(jī)械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨；俄國機(jī)械師И.И.波爾祖諾夫（Ползунов）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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳

31、 敏,30,,自動化技術(shù)形成時期,公元1788年 J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,31,,自動調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)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

32、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(jī)構(gòu)（Servo-mechanism）。 20世紀(jì)20~30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）?，F(xiàn)在還在許多工廠中采用。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

33、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,32,反饋 (Feedback) —— 反饋控制系統(tǒng),,自動控制的基本概念,P：蒸汽機(jī)（控制對象）；C：調(diào)節(jié)器（控制器）。反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)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)。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大

34、學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,33,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) 魯棒性 (Robustness)自動控制系統(tǒng)綜合(Synthesis)／設(shè)計(jì)(Design),,自

35、動控制研究的問題,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,34,,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(jī)或船舵）組成自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Automatic Regulation System）。當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)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(xué)

36、家從理論上來加以研究，創(chuàng)造多種代數(shù)穩(wěn)定判劇。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,35,,反饋控制和頻率法,進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種自動調(diào)節(jié)裝置，促進(jìn)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(guān)于船舶自動操舵的穩(wěn)定性》和19

37、34年美國H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》論文，標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,36,,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(yīng)用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論

38、與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,37,,自動防空火力控制系統(tǒng),在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了各種精密的自動調(diào)節(jié)裝置。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

39、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,38,,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(yīng)的頻率法判據(jù)的基礎(chǔ)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

40、題的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。頻域法成為分析和設(shè)計(jì)線性單變量自動控制系統(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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,39,,經(jīng)典控制理論形成的歷

41、史動力,推 動: 受當(dāng)時重大技術(shù)（通訊技術(shù)和火炮技術(shù)等） 的深刻影響物理學(xué)：牛頓力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)和姿態(tài)動力學(xué)”數(shù) 學(xué)：線性常系數(shù)微分方程、復(fù)變函數(shù)、概率、統(tǒng)計(jì)工 具：模擬電路和模擬計(jì)算機(jī),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,40,,局部自動化的廣泛應(yīng)用,二

42、次大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器，并用電子模擬計(jì)算機(jī)（Electronic Analog Computer）來設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)。當(dāng)時在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)局部自動化，即單個過程或單個機(jī)器的自動化。,在20世紀(jì)30-40年代出現(xiàn)了統(tǒng)一信號的、通用的、標(biāo)準(zhǔn)的氣動單元組合儀表。20世紀(jì)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(shù)工具，并使得構(gòu)成和設(shè)計(jì)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(dāng)前流行的產(chǎn)品

43、。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,41,,智能化儀表與控制器,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,42,,電子數(shù)字計(jì)算

44、機(jī)的發(fā)明,目前小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)或單片計(jì)算機(jī)已成為復(fù)雜自動控制系統(tǒng)的一個組成部分，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和算法。,電子數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部元件和結(jié)構(gòu)，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(jì)算機(jī)的發(fā)明，為60-70年代開始的在控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過程，奠定了基礎(chǔ)。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

45、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,43,,國產(chǎn)“銀河III”計(jì)算機(jī),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,44,自動控制的歷史地位和作用,20世紀(jì)40年代是自動化技術(shù)和理論形成的關(guān)鍵時期： 工業(yè)過程自動化首先來自于傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)

46、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(jìn)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(jìn)了連續(xù)生 產(chǎn)過程自動化的發(fā)展。,,

47、2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,45,,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(jìn)控制 (Advanced Control)：198

48、0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),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,46,1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家Л.龐特

49、里亞金提出極大值原理。同年，美國數(shù)學(xué)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(xué)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(biāo)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(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。20世紀(jì)60~70年代，英國學(xué)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(shè)計(jì)多

50、變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法。,,現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,47,,現(xiàn)代控制理論形成的歷史動力,推 動: 遠(yuǎn)程火箭技術(shù)與航天技術(shù)、現(xiàn)代航海技術(shù) 的直接影響物理學(xué)：力學(xué)、電動力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理數(shù) 學(xué)：線性代數(shù)（幾何方法）和矩陣論

51、；線性常 微分方程組理論；實(shí)、復(fù)變函數(shù)論變分法； 泛函分析；概率、統(tǒng)計(jì).工 具：電子計(jì)算機(jī)技術(shù)促進(jìn),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,48,,遙測、遙控和遙感,遙測就是對被測對象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量。遙控就是對被控對象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。遙

52、感就是利用裝載在飛機(jī)或人造衛(wèi)星等運(yùn)載工具上的傳感器，收集由地面目標(biāo)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(guān)于目標(biāo)物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,49,,綜合自動化,20世紀(jì)50年代末到60年代初，開始出現(xiàn)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的化工廠

53、，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(jī)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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,50,,無人組裝車間,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(

54、控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,51,,先進(jìn)控制理論的形成和發(fā)展,1981年，基于頻域和時域方法，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(jì)80年代開始，基于知識的方法，把人工智能與自動控制相結(jié)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(shí)現(xiàn)了集成控制。,2024年3月22日,先進(jìn)控

55、制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,52,,先進(jìn)控制理論形成的歷史動力,推 動:微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 機(jī)器人技術(shù)； 經(jīng)濟(jì)、技術(shù)全球化進(jìn)程的加快,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

56、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,53,,智能機(jī)器人和水下機(jī)器人,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,54,基本的控制方法,,第二講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

57、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,55,,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(shè)計(jì)思想,經(jīng)典控制的特征,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

58、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,56,,波德圖 (Bode Plot) 方法,頻率響應(yīng)法： (1) 幅頻特性 (Magnitude) (2) 相頻特性 (Phase),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

59、吳 敏,57,,奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析,開環(huán)頻率特性:是否圍繞 (-1, j0) 點(diǎn),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。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,58,,勞斯穩(wěn)定性 (Rorth Stability

60、) 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,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,59,,PID控制,PID (Proportion-Integration-

61、Differentiation) 控制,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,60,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 Outpu

62、t) 系統(tǒng) LTI (Linear Time-Invariant)系統(tǒng) 頻域方法 傳遞函數(shù) (復(fù)變函數(shù)作為數(shù)學(xué)工具),,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,61,維納濾波器方法的基本思想,d: 可以用某種隨機(jī)過程來表示的外界擾動 把反饋控制問題變成數(shù)學(xué)上的某些優(yōu)化問題 ?

63、卡爾曼-布西濾波器 (Kalman-Bucy Filter)理論 ?現(xiàn)代控制理論,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,62,,基于奈魁斯特穩(wěn)定性設(shè)計(jì)思想,開環(huán)頻率特性: 是否圍繞 (-1, j0) 點(diǎn),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

64、制理論,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,63,,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(lǐng)域,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

65、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,64,狀態(tài)空間模型 (State Space Model) 方法,當(dāng)t=0時， 是x=Ax的解。,,狀態(tài)空間方法,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,65,,

66、能控性 (Controllability) 分析,定義: 存在一個輸入u(t)，使x(t)從任意的初始狀態(tài)出發(fā)，在有限時間內(nèi)達(dá)到原點(diǎn)，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(shí)數(shù)矩陣F，使A+BF具有任意指盯的n個對稱于實(shí) 的復(fù)數(shù)特征根； 對于任意的復(fù)數(shù)?，有rank [?I-A B] = n。能控性

67、格拉米昂 (Gramian)矩陣:,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,66,,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: 下述條件是等價的。 (C，A

68、) 是能觀的； rank [C CA CA2 … CAn-1]T = n； 存在實(shí)數(shù)矩陣H，使A+HC具有任意指定的n個對稱于實(shí) 的復(fù)數(shù)特征根； 對于任意的復(fù)數(shù)?，有rank [?I-A C] T = n。能觀性格拉米昂矩陣:,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳