自動控制的發(fā)展歷程及現(xiàn)代技術(shù).ppt

自動控制的發(fā)展歷程及現(xiàn)代技術(shù),主要內(nèi)容,1.自動控制技術(shù)的發(fā)展歷程,2.自動控制的現(xiàn)代技術(shù),中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400B.C.1100B.C.),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,秦昭王時，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實(shí)踐(300B.C.),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,中國張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(132年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,中國明代宋應(yīng)星所著天工開物記載有程序控制思想(CNC)的提花織機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,英國J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,英國J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年),英國E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年),俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題”(1892年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,英國J.M.Gray設(shè)計出第一艘全自動蒸汽輪船“東方”號(GreatEastern)(1866年),前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,由徐壽設(shè)計的中國第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(L20m,25T,10km/hr)在安慶內(nèi)軍械所下水(1866)。次年，中國第一艘木質(zhì)明輪蒸汽艦船“恬古”號在江南造船廠下水,前期控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國福特(FordMotor)汽車公司建成最早的汽車裝配流水線(1913),經(jīng)典控制前期,自動控制的發(fā)展歷程,美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922),美國MIT的VannevarBush研制成第一臺大型模擬計算機(jī)(DifferentialAnalyzer)(1928),經(jīng)典控制前期,自動控制的發(fā)展歷程,美國H.S.Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927),經(jīng)典控制前期,自動控制的發(fā)展歷程,自動控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制。控制論的奠基人N.Wiener,給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”,閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：,經(jīng)典控制前期,自動控制的發(fā)展歷程,美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929),經(jīng)典控制前期,自動控制的發(fā)展歷程,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法,美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942),N.B.Nichols,經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。,經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)(1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)(1939),經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,英國A.M.Turine提出圖靈計算機(jī)的設(shè)想(1937),在貝爾實(shí)驗(yàn)室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著通信的數(shù)字理論(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948),經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達(dá)控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem),經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。,多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，以及錢學(xué)森的工程控制論(EngineeringCybernetics)(1954),經(jīng)典控制,自動控制的發(fā)展歷程,蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957),國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學(xué)術(shù)會議于莫斯科召開(1960),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機(jī)床(1952),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美籍匈牙利人R.E.Kalman發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(1960),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,蘇聯(lián)東方-號飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了(1961),宇宙哥倫布-加加林,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,1963年,美國的LoftiZadeh與C.Desoer發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國的E.I.Jury發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)(1958),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識，解決了線性定常系統(tǒng)參數(shù)估計問題和定階方法(1967)，六年后，提出了自啟調(diào)節(jié)器，建立自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,英國H.HRosenbrock發(fā)表StateSpaceandMultivariableTheory(1970)。加拿大W.MWonham發(fā)表LinearMultivariableControl:AGeometricApproach(1974)。,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國的M.E.Merchant提出計算機(jī)集成制造的概念(1969),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國ARPA計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)初步建成(1971),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(1976),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國R.Brockett提出用微分幾何研究非線性控制系統(tǒng)(1976)，意大利A.Isidori出版(NonlinearControlSystems)(1985)。,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,加拿大G.Zames提出H魯棒控制設(shè)計方法(1981年),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)首次發(fā)射成功(1981年),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,美國A.Bryson和Y.CHo發(fā)表AppliedOptimalControl(1969)。Y.CHo和X.RCao等提出離散事件系統(tǒng)理論(1983),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,中國批準(zhǔn)863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個主題(1986),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,IEEEControlSystemsAward獲得者,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996),現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進(jìn)行探索,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,以機(jī)器人為單元的無人化工廠,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,控制與管理一體化,現(xiàn)代控制,自動控制的發(fā)展歷程,魯棒性：,是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。,現(xiàn)代魯棒控制：是一個著重控制算法可靠性研究的控制器設(shè)計方法。,常用的設(shè)計方法有：INA方法，同時鎮(zhèn)定，完整性控制器設(shè)計，魯棒控制，魯棒PID控制以及魯棒極點(diǎn)配置，魯棒觀測器等。,魯棒控制以靜制動,魯棒控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),魯棒控制方法適用于：穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)用，同時過程的動態(tài)特性已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估。,魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計要由高級專家完成。一旦設(shè)計成功，就不需太多的人工干預(yù)。另一方面，如果要升級或作重大調(diào)整，系統(tǒng)就要重新設(shè)計。,魯棒控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),模糊控制其實(shí)我很清楚,一種利用模糊集合的理論來建立系統(tǒng)模型，設(shè)計控制器的新型方法,模糊控制：,模糊控制的核心：利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效的控制。,模糊控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),模糊控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),模糊控制的發(fā)展階段：經(jīng)典模糊控制自適應(yīng)模糊控制專家模糊控制基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊控制,其實(shí)現(xiàn)方式：由最初在微型機(jī)（單片機(jī)）上用軟件方法實(shí)現(xiàn)發(fā)展到應(yīng)用模糊控制開發(fā)出模糊計算機(jī)進(jìn)行直接控制。,專家系統(tǒng),自動控制的現(xiàn)代技術(shù),專家系統(tǒng)(ExpertSystem):是一個基于知識的智能推理系統(tǒng)，它涉及到對知識獲取、知識庫、推理控制機(jī)制以及智能人機(jī)接口的研究，是集人工智能和領(lǐng)域知識于一體的系統(tǒng)。,專家系統(tǒng)身邊的專家,工作原理：,專家系統(tǒng)應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)一個或多個人類專家提供的特殊領(lǐng)域知識進(jìn)行推理，仿真人類專家作決定的過程來解決那些需要專家知識才能解決的復(fù)雜問題。,專家系統(tǒng),自動控制的現(xiàn)代技術(shù),專家系統(tǒng)的表達(dá)式：知識+推理=系統(tǒng),專家系統(tǒng)的組成：,知識庫,推理機(jī),知識獲取部分,解釋接口,專家系統(tǒng),自動控制的現(xiàn)代技術(shù),專家系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)：,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetwork,ANN):是模仿人類腦神經(jīng)活動的一種人工智能技術(shù)。,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模擬人的神經(jīng)元,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),在這種網(wǎng)絡(luò)中，學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成，在正向傳播過程中，輸入信號從輸入層經(jīng)隱層單元逐層處理，并傳向輸入層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸入層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將輸入信號的誤差沿原來的連接通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，使得誤差信號最小。,工作原理：,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),常用的基本策略：,特征和性質(zhì)：,非線性平行分布處理硬件實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性數(shù)據(jù)融合多變量系統(tǒng),預(yù)測控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),預(yù)測控制未卜先知,預(yù)測控制:是近年來發(fā)展起來的一類新型的計算機(jī)控制算法，采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略進(jìn)行控制。,現(xiàn)在比較流行的算法有：模型算法控制（MAC）；動態(tài)矩陣控制（DMC）；廣義預(yù)測控制（GPC）；廣義預(yù)測極點(diǎn)（GPP）控制；內(nèi)模控制（IMC）；推理控制（IC）。,預(yù)測控制,自動控制的現(xiàn)代技術(shù),預(yù)測控制的基本特征：建立預(yù)測模型方便；采用滾動優(yōu)化策略；采用模型誤差反饋校正。,適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程。,控制科學(xué)與技術(shù)在20世紀(jì)的人類科技進(jìn)步中起到了舉足輕重的作用，為了解決當(dāng)今社會的許多挑戰(zhàn)性問題產(chǎn)生了積極的影響，提供了科學(xué)的思想方法論；為許多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化奠定了理論基礎(chǔ)，提供了先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和先進(jìn)的控制儀器及裝備。特別是數(shù)字計算機(jī)的廣泛使用