自動控制面臨的難題

1、1自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑及解決的途徑人工智能技術(shù)和智能控制技術(shù)簡介人工智能技術(shù)和智能控制技術(shù)簡介2一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑無論是理論的結(jié)晶還是實際的成就，在控無論是理論的結(jié)晶還是實際的成就，在控制領(lǐng)域里都有著豐富的遺產(chǎn)。自古代亞歷山大制領(lǐng)域里都有著豐富的遺產(chǎn)。自古代亞歷山大時期利用反饋調(diào)節(jié)流量的克泰希比斯水鐘時期利用反饋調(diào)節(jié)流量的克泰希比斯水鐘(滴滴漏漏)，直到今天的宇宙探測火箭和自動生產(chǎn)工，直到今天的宇宙探測火箭和自動生產(chǎn)工廠，廠，控制系統(tǒng)在技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展中都起著關(guān)控制系統(tǒng)在技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展中都起

2、著關(guān)鍵的作用。鍵的作用。目前，控制的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ壳?，控制的?yīng)用已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，如自動開關(guān)門，室溫的自動調(diào)活的各個方面，如自動開關(guān)門，室溫的自動調(diào)節(jié)等等。節(jié)等等。自動控制取得了偉大的成就，為什么還會有難題和挑戰(zhàn)自動控制取得了偉大的成就，為什么還會有難題和挑戰(zhàn)了？我們從社會發(fā)展的角度來說明一下。了？我們從社會發(fā)展的角度來說明一下。3物質(zhì)生產(chǎn)是人類社會生存與發(fā)展的物質(zhì)生產(chǎn)是人類社會生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)。(物質(zhì)生產(chǎn)是人們改造自然、創(chuàng)造物質(zhì)財富的活動。物質(zhì)生產(chǎn)是人們改造自然、創(chuàng)造物質(zhì)財富的活動。)人們在物質(zhì)生產(chǎn)的活動中，總是要人們在物質(zhì)生產(chǎn)的活動中，總是要依靠和使用他們

3、所處的那個時代的科學(xué)依靠和使用他們所處的那個時代的科學(xué)技術(shù)所能提供的勞動生產(chǎn)工具。技術(shù)所能提供的勞動生產(chǎn)工具。從最原始的木棍、石塊到最現(xiàn)代化從最原始的木棍、石塊到最現(xiàn)代化的工業(yè)裝備，任何的工業(yè)裝備，任何勞動工具勞動工具都是都是人類人類與與其生存環(huán)境其生存環(huán)境之間相互作用的一種界面之間相互作用的一種界面（interface）一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑4一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑追求目標的控制系統(tǒng)追求目標的控制系統(tǒng) 518世紀歐洲工業(yè)革命之后，出現(xiàn)了有源的工具，世紀歐洲工業(yè)革命之后，出現(xiàn)了有

4、源的工具，即機器設(shè)備。機器設(shè)備可以在許多場合下取代人類繁即機器設(shè)備。機器設(shè)備可以在許多場合下取代人類繁重的體力勞動，具有功率放大與信息轉(zhuǎn)換的作用。重的體力勞動，具有功率放大與信息轉(zhuǎn)換的作用。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑珍妮紡紗機珍妮紡紗機(1760年年)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器設(shè)備越來越復(fù)雜，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器設(shè)備越來越復(fù)雜，人對機器的控制，從直接的手動控制向自動控制逐漸人對機器的控制，從直接的手動控制向自動控制逐漸發(fā)展。發(fā)展。騾機騾機 (1779年年)6在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對機器設(shè)備進行操作在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對機器設(shè)備進行操作和

5、控制。對機器設(shè)備最基本的控制有兩種。和控制。對機器設(shè)備最基本的控制有兩種。一種是起動或停止的開關(guān)控制；一種是起動或停止的開關(guān)控制；另一種是連續(xù)量的調(diào)節(jié)。另一種是連續(xù)量的調(diào)節(jié)。通過這兩種基本控制作用可以實現(xiàn)對機器通過這兩種基本控制作用可以實現(xiàn)對機器設(shè)備中單個變量的控制，它們的自動化是自動設(shè)備中單個變量的控制，它們的自動化是自動控制的基礎(chǔ)?？刂频幕A(chǔ)。自動化程度的提高使人機結(jié)合的界面向更自動化程度的提高使人機結(jié)合的界面向更高的抽象層次發(fā)展，這意味著機器設(shè)備不僅能高的抽象層次發(fā)展，這意味著機器設(shè)備不僅能夠取代人的大部分體力勞動，還在逐漸發(fā)展，夠取代人的大部分體力勞動，還在逐漸發(fā)展，以達到能夠取代人的

6、一部分腦力勞動的程度。以達到能夠取代人的一部分腦力勞動的程度。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑7在英國工業(yè)革命的大環(huán)境下，在英國工業(yè)革命的大環(huán)境下，1788年（年（另一種說法是另一種說法是1769年年）Watt（瓦特）發(fā)明了自動調(diào)節(jié)蒸汽機轉(zhuǎn)速的（瓦特）發(fā)明了自動調(diào)節(jié)蒸汽機轉(zhuǎn)速的離心調(diào)離心調(diào)節(jié)器節(jié)器（也稱（也稱離心力調(diào)節(jié)器離心力調(diào)節(jié)器/離心調(diào)速器離心調(diào)速器，又稱，又稱飛球調(diào)速器飛球調(diào)速器、還、還稱稱飛錘調(diào)速器飛錘調(diào)速器），這是工業(yè)生產(chǎn)中最早采用的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。），這是工業(yè)生產(chǎn)中最早采用的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。離心調(diào)節(jié)器離心調(diào)節(jié)器Centrifugal go

7、vernor 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑8一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑離心調(diào)節(jié)器工作原理離心調(diào)節(jié)器工作原理 離心調(diào)節(jié)器離心調(diào)節(jié)器Centrifugal governor 9蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方框圖蒸汽機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)方框圖車用柴油機的離心式調(diào)速器車用柴油機的離心式調(diào)速器 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑離心調(diào)節(jié)器離心調(diào)節(jié)器Centrifugal governor 10詹姆斯詹姆斯瓦特瓦特 James Watt(1736 1819) 詹姆斯詹姆斯

8、-瓦特的故鄉(xiāng)格里諾克瓦特的故鄉(xiāng)格里諾克格里諾克的瓦特像格里諾克的瓦特像11蒸汽機蒸汽機(Steam Engine) 英國工業(yè)革命時的一座煤礦英國工業(yè)革命時的一座煤礦第一臺成功運作的蒸汽機第一臺成功運作的蒸汽機12瓦特與蒸汽機瓦特與蒸汽機(J. Watt & Steam Engine)(1/3)一、瓦特對蒸汽機的最初設(shè)想一、瓦特對蒸汽機的最初設(shè)想 17641764年，學(xué)校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，年，學(xué)校請瓦特修理一臺紐可門式蒸汽機，紐可門大氣式蒸汽機紐可門大氣式蒸汽機游梁式有桿泵采油游梁式有桿泵采油13二、蒸汽機的銷售二、蒸汽機的銷售 瓦特與蒸汽機瓦特與蒸汽機(J. Watt & Stea

9、m Engine)(2/3)14二、蒸汽機的銷售二、蒸汽機的銷售 17841784年年，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙向裝置的高，瓦特以帶有飛輪、齒輪聯(lián)動裝置和雙向裝置的高壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第壓蒸汽機的綜合組裝取得了他在革新紐可門蒸汽機過程中的第四項專利。四項專利。17851785年年，他也因蒸汽機改進的重大貢獻，被選為皇家學(xué)會，他也因蒸汽機改進的重大貢獻，被選為皇家學(xué)會會員。會員。17881788年年發(fā)明能控制進氣閥的開啟程度從而控制蒸汽機速度發(fā)明能控制進氣閥的開啟程度從而控制蒸汽機速度的離心調(diào)速器；的離心調(diào)速器；17901790年發(fā)明壓力表年發(fā)明壓力表(

10、 (壓力計，壓力計，汽缸示工器汽缸示工器) )，至，至此瓦特完成了蒸汽機發(fā)明的全過程。此瓦特完成了蒸汽機發(fā)明的全過程。18141814年被選為法蘭西科學(xué)年被選為法蘭西科學(xué)院外籍院士。院外籍院士。瓦特與蒸汽機瓦特與蒸汽機(J. Watt & Steam Engine)(3/3)15陳列在英國倫敦科學(xué)博物館內(nèi)的瓦特制成的第一臺蒸汽陳列在英國倫敦科學(xué)博物館內(nèi)的瓦特制成的第一臺蒸汽機機 16自動控制技術(shù)的發(fā)展是受到很多技自動控制技術(shù)的發(fā)展是受到很多技術(shù)的影響，各方面的知識積累、啟發(fā)，術(shù)的影響，各方面的知識積累、啟發(fā)，才最終發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科。才最終發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科。自動控制首先是工業(yè)上有需要

11、，隨自動控制首先是工業(yè)上有需要，隨著工業(yè)的發(fā)展（工業(yè)革命的進程），技著工業(yè)的發(fā)展（工業(yè)革命的進程），技術(shù)的進步，一點一點往前進。術(shù)的進步，一點一點往前進。在瓦特發(fā)明離心調(diào)速器在瓦特發(fā)明離心調(diào)速器 Centrifugal governor (1788年年)80年之后的年之后的1868年，年， 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑17 1868年年Maxwell（麥克斯韋，（麥克斯韋，18311879）建立了飛球調(diào)節(jié)器的微分方程模型，）建立了飛球調(diào)節(jié)器的微分方程模型， Maxwell在論文在論文“論調(diào)節(jié)器論調(diào)節(jié)器” (Maxwell J.C.， “On

12、Governors”，Proceedings of the Royal Society of London，vol.16，PP.270-283，1868) 中首先解釋了中首先解釋了Watt速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，通過線性常微分方程的中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，通過線性常微分方程的建立和分析，指出了振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)與從系統(tǒng)建立和分析，指出了振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)與從系統(tǒng)導(dǎo)出的一個代數(shù)方程根的分布有密切的關(guān)系，導(dǎo)出的一個代數(shù)方程根的分布有密切的關(guān)系，開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)運動特性的途開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)運動特性的途徑徑。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題

13、和挑戰(zhàn)及解決的途徑18詹姆斯詹姆斯克拉克克拉克麥克斯韋麥克斯韋James Clerk Maxwell(1831.06.13-1879.11.05)生于愛丁堡，卒于劍橋，生于愛丁堡，卒于劍橋，英國物理與數(shù)學(xué)家。英國物理與數(shù)學(xué)家。十九世紀最偉大的物理學(xué)十九世紀最偉大的物理學(xué)家，在物理史上足堪與牛家，在物理史上足堪與牛頓、愛因斯坦齊名。頓、愛因斯坦齊名。 19Maxwell在蘇格蘭的鄉(xiāng)間長大，在蘇格蘭的鄉(xiāng)間長大，8歲母親即因癌癥過世，與父親關(guān)系融洽歲母親即因癌癥過世，與父親關(guān)系融洽密切。他密切。他10歲進入歲進入Edinbough Academy(愛丁堡中學(xué)愛丁堡中學(xué))就讀，認識終生的好友就讀，認識

14、終生的好友化學(xué)家化學(xué)家 Tate。 1846年，年，15歲的歲的Maxwell就在愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報上發(fā)表就在愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報上發(fā)表了他第一篇數(shù)學(xué)論文討論卵形線了他第一篇數(shù)學(xué)論文討論卵形線(oval)與多焦點曲線，展現(xiàn)了他驚人的數(shù)學(xué)天與多焦點曲線，展現(xiàn)了他驚人的數(shù)學(xué)天賦。賦。 1847年，年，16歲的歲的Maxwell(與與Tate)考入蘇格蘭最高學(xué)府愛丁堡大學(xué)就讀，考入蘇格蘭最高學(xué)府愛丁堡大學(xué)就讀，他持續(xù)發(fā)表數(shù)學(xué)與物理的論文，并廣泛閱讀他持續(xù)發(fā)表數(shù)學(xué)與物理的論文，并廣泛閱讀Cauchy、Fourier、Monge、Newton、Poisson、Taylor的著作。的著作。1850年，年，1

15、9歲的麥克斯韋在福布斯教授的推薦下，轉(zhuǎn)到了劍橋大學(xué)，他歲的麥克斯韋在福布斯教授的推薦下，轉(zhuǎn)到了劍橋大學(xué)，他進入劍橋大學(xué)三一學(xué)院進入劍橋大學(xué)三一學(xué)院(Trinity College)，據(jù)他的數(shù)學(xué)老師，據(jù)他的數(shù)學(xué)老師 Hopkins(霍普金霍普金斯斯)說說Maxwell是他在劍橋見過的資賦優(yōu)異生中的最優(yōu)異者。是他在劍橋見過的資賦優(yōu)異生中的最優(yōu)異者。1854年年Maxwell畢業(yè)獲選為三一學(xué)院的畢業(yè)獲選為三一學(xué)院的fellow(英國大學(xué)的研究員英國大學(xué)的研究員)，1856年因父親生病，他申請回蘇格蘭馬里斯切爾年因父親生病，他申請回蘇格蘭馬里斯切爾(Marischal)學(xué)院任教。學(xué)院任教。1857年，

16、他完成他著名的土星環(huán)研究并因此獲得劍橋大學(xué)的亞當斯獎。年，他完成他著名的土星環(huán)研究并因此獲得劍橋大學(xué)的亞當斯獎。他預(yù)測，如果土星環(huán)要穩(wěn)定則它必然是由許多微小固體所構(gòu)成，這個預(yù)他預(yù)測，如果土星環(huán)要穩(wěn)定則它必然是由許多微小固體所構(gòu)成，這個預(yù)測要等到廿世紀末測要等到廿世紀末Voyager太空船太空船(旅行者號探測器旅行者號探測器 )到達土星才證實。到達土星才證實。另外，在這段期間，他也完成他著名的色彩理論。另外，在這段期間，他也完成他著名的色彩理論。 1859年，聲望如日中天的年，聲望如日中天的Maxwel申請愛丁堡大學(xué)教職時，卻敗于好友申請愛丁堡大學(xué)教職時，卻敗于好友Tate之手。之手。麥克斯韋簡

17、介麥克斯韋簡介 (1/2)20行星名稱行星名稱 水星水星 金星金星 地球地球 火星火星 木星木星 土星土星 天王天王 海王海王 冥王冥王 體積體積(地球地球=1) 0.06 0.86 1 0.15 1321 764 63 58 0.006太陽太陽(The Sun)依照至太陽的距離依照至太陽的距離, ,行星順序是水星行星順序是水星(Mercury)(Mercury), ,金星金星(Venus)(Venus), ,地球地球(the earth)(the earth), ,火星火星(Mars)(Mars), ,木星木星(Jupiter)(Jupiter), ,土星土星(Saturn)(Saturn)

18、, ,天王星天王星(Uranus)(Uranus), ,海王星海王星(Neptune)(Neptune)。冥王星冥王星(Pluto)(Pluto)。小行星帶小行星帶(asteroid belt), ,彗星彗星(comet), (comet), 流星流星(meteor)(meteor)和隕石和隕石(meteorite)(meteorite)。21這是這是“旅行者旅行者2號號”1981年拍攝的土星年拍攝的土星照片。在圖中還可以看到土衛(wèi)四和土衛(wèi)照片。在圖中還可以看到土衛(wèi)四和土衛(wèi)五。五。這張這張“旅行者旅行者1號號”拍攝的土星照拍攝的土星照片顯示土星大氣中一條帶著的條片顯示土星大氣中一條帶著的條紋。紋

19、。旅行者旅行者1號探測器號探測器 銅質(zhì)磁盤唱片銅質(zhì)磁盤唱片 221860年他受聘為倫敦國王學(xué)院年他受聘為倫敦國王學(xué)院 (Kings College) 的的自然哲學(xué)與天文學(xué)自然哲學(xué)與天文學(xué)教授教授，開始他學(xué)術(shù)上豐碩的六年：，開始他學(xué)術(shù)上豐碩的六年： (1)1864年，在年，在A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field中，中，Maxwell 提出描述電磁場的提出描述電磁場的Maxwell方程，用四個偏微分方程概括一方程，用四個偏微分方程概括一切電磁現(xiàn)象，他由此計算出電磁波傳遞的速度等同于光速，因此斷言光是切電磁現(xiàn)象，他由此計算出電磁波傳遞的速度等

20、同于光速，因此斷言光是一種電磁波。一種電磁波。這個發(fā)現(xiàn)，是愛因斯坦思考狹義相對論的重要背景。這個發(fā)現(xiàn)，是愛因斯坦思考狹義相對論的重要背景。(2)在在Illustrations of the Dynamical Theory of Gases中他開始中他開始發(fā)展現(xiàn)代氣體動力論的想法，用微觀分子的統(tǒng)計行為解釋宏觀的氣體性質(zhì)。發(fā)展現(xiàn)代氣體動力論的想法，用微觀分子的統(tǒng)計行為解釋宏觀的氣體性質(zhì)。1866年他與年他與Boltzmann獨立地獲得所謂的獨立地獲得所謂的Maxwell-Boltzmann分布定律。分布定律。1865年，年，Maxwell辭去了國王學(xué)院的教職，辭去了國王學(xué)院的教職，1871年才又

21、接受年才又接受劍橋大學(xué)劍橋大學(xué)聘任聘任為物為物理系的理系的Cavendish(卡文迪什卡文迪什)教授教授。Maxwell是一個對實驗相當在行的物理學(xué)家，是一個對實驗相當在行的物理學(xué)家，在國王學(xué)院期間他曾經(jīng)督導(dǎo)測量電磁單位的實驗工作，在劍橋他受命設(shè)計并監(jiān)督知在國王學(xué)院期間他曾經(jīng)督導(dǎo)測量電磁單位的實驗工作，在劍橋他受命設(shè)計并監(jiān)督知名的名的 Cavendish(卡文迪什卡文迪什)實驗室實驗室的建造。的建造。1879年他的健康逐漸惡化，年他的健康逐漸惡化，11月卒于劍橋，葬于英格蘭。月卒于劍橋，葬于英格蘭。 1931年在年在 Maxwell 百年冥誕的紀念會上，愛因斯坦闡明百年冥誕的紀念會上，愛因斯坦

22、闡明 Maxwell工作的重要工作的重要性：性： （他的工作）是自牛頓以來，物理學(xué)上影響最深遠與豐碩的工作。（他的工作）是自牛頓以來，物理學(xué)上影響最深遠與豐碩的工作。 麥克斯韋簡介麥克斯韋簡介 (2/2)23麥克斯韋方程組是麥克斯韋建立的描述電場與磁場的四個麥克斯韋方程組是麥克斯韋建立的描述電場與磁場的四個方程。通常稱為麥克斯韋方程。方程。通常稱為麥克斯韋方程。麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組在麥克斯韋方程組中，電場和磁場已在麥克斯韋方程組中，電場和磁場已經(jīng)成為一個不可分割的整體。該方程組系經(jīng)成為一個不可分割的整體。該方程組系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律，并統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律，并

23、預(yù)言了電磁波的存在。預(yù)言了電磁波的存在。麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流麥克斯韋提出的渦旋電場和位移電流假說的核心思想是：變化的磁場可以激發(fā)假說的核心思想是：變化的磁場可以激發(fā)渦旋電場，變化的電場可以激發(fā)渦旋磁場；渦旋電場，變化的電場可以激發(fā)渦旋磁場；電場和磁場不是彼此孤立的，它們相互聯(lián)電場和磁場不是彼此孤立的，它們相互聯(lián)系、相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。麥系、相互激發(fā)組成一個統(tǒng)一的電磁場。麥克斯韋進一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜克斯韋進一步將電場和磁場的所有規(guī)律綜合起來，建立了完整的電磁場理論體系。合起來，建立了完整的電磁場理論體系。這個電磁場理論體系的核心就是麥克斯韋這個電磁場理論體系的核心

24、就是麥克斯韋方程組。方程組。24卡文迪什實驗室卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory) 劍橋大學(xué)建于劍橋大學(xué)建于1209年，歷史悠久。以英國物理學(xué)家和化年，歷史悠久。以英國物理學(xué)家和化學(xué)家亨利學(xué)家亨利卡文迪什卡文迪什(Henry Cavendish)命名的卡文迪什實驗命名的卡文迪什實驗室室(Cavendish Laboratory)相當于英國劍橋大學(xué)相當于英國劍橋大學(xué)(University of Cambridge)的物理系。的物理系。著名物理學(xué)家麥克斯韋著名物理學(xué)家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)(1831-1879)負責籌建這所實驗室。負責籌建這所實驗室

25、。1874年實驗室建成后他擔任第一年實驗室建成后他擔任第一任實驗室主任，直到他任實驗室主任，直到他1879年因病去世。年因病去世。 1879年麥克斯韋去世后，瑞利年麥克斯韋去世后，瑞利(James William Rayleigh)繼任卡文迪什實驗室主任。他因在氣體密度的研究中發(fā)現(xiàn)氬繼任卡文迪什實驗室主任。他因在氣體密度的研究中發(fā)現(xiàn)氬而獲而獲1904 年度的諾貝爾物理獎。年度的諾貝爾物理獎。第三任主任第三任主任 。第四任主任第四任主任 。 第八任主任第八任主任 。 1995年起擔任實驗室第九任主任的弗倫德年起擔任實驗室第九任主任的弗倫德(Richard H.Friend，1953)是位實驗物理

26、學(xué)家。是位實驗物理學(xué)家。 。25卡文迪什實驗室在近代物理學(xué)的發(fā)展中做卡文迪什實驗室在近代物理學(xué)的發(fā)展中做出了杰出的貢獻，一百多年來培養(yǎng)出的諾貝爾出了杰出的貢獻，一百多年來培養(yǎng)出的諾貝爾獎金獲得者已達獎金獲得者已達20余人，卡文迪什至今仍不失余人，卡文迪什至今仍不失為世界著名的實驗室之一。為世界著名的實驗室之一。261877年英國的勞斯年英國的勞斯(E.J.Routh, 1831-1907)和和1895年德年德國的霍爾維茨國的霍爾維茨(A.Hurwitz)分別獨立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方分別獨立地建立了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，直至今日還在沿用。程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，直至

27、今日還在沿用。 19世紀末，英國工程師赫維賽德世紀末，英國工程師赫維賽德(O.Heaviside, 1850 - 1925)發(fā)明了一種發(fā)明了一種“運算法運算法”，以求解電路網(wǎng)絡(luò)的某些問題。，以求解電路網(wǎng)絡(luò)的某些問題。這種方法很快被許多人所采用，也被應(yīng)用到分析自動控制系這種方法很快被許多人所采用，也被應(yīng)用到分析自動控制系統(tǒng)的問題上，并取得了顯著的成就。由于缺乏嚴密的數(shù)學(xué)論統(tǒng)的問題上，并取得了顯著的成就。由于缺乏嚴密的數(shù)學(xué)論證，曾受到某些著名數(shù)學(xué)家的反對。后來，人們終于在法國證，曾受到某些著名數(shù)學(xué)家的反對。后來，人們終于在法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯數(shù)學(xué)家拉普拉斯(P.S.Laplace, 1749 182

28、5)的著作中找到了的著作中找到了數(shù)學(xué)依據(jù)，重新定義并命名為拉普拉斯變換數(shù)學(xué)依據(jù)，重新定義并命名為拉普拉斯變換(1923年年)?？刂破鞯脑O(shè)計問題是由控制器的設(shè)計問題是由Minorsky(米諾爾斯基米諾爾斯基)等人在等人在1922年研制船舶操縱控制器開始研究的，其研究成果可以看年研制船舶操縱控制器開始研究的，其研究成果可以看成是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的成是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的PID控制器的前身，控制器的前身， Minorsky證明了從證明了從系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。系統(tǒng)的微分方程確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性的方法。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑271928192

29、8年美國年美國AT&TAT&T貝爾實驗室貝爾實驗室(Bell Labs)(Bell Labs)的電氣工程師的電氣工程師H.Black(H.Black(布萊克布萊克) )在解決電子管放大器失真問題時首先引入反在解決電子管放大器失真問題時首先引入反饋的概念。描寫這種單輸入饋的概念。描寫這種單輸入單輸出線性系統(tǒng)的微分方程可單輸出線性系統(tǒng)的微分方程可以通過以通過LaplaceLaplace變換在頻率域上表示，這樣，反饋放大器的性變換在頻率域上表示，這樣，反饋放大器的性能便可以利用通訊工程師所熟悉的通頻帶、截止頻率等術(shù)語能便可以利用通訊工程師所熟悉的通頻帶、截止頻率等術(shù)語來表達和分析。之后，來表達和分析

30、。之后，BodeBode和和NyquistNyquist等人提出了用頻率域方等人提出了用頻率域方法對反饋放大器的穩(wěn)定性和其他品質(zhì)進行分析與綜合的理論法對反饋放大器的穩(wěn)定性和其他品質(zhì)進行分析與綜合的理論方法。方法。19281928年年8 8月月2 2日，日，Harold Black(Harold Black(哈羅德哈羅德布萊克布萊克)(1898-)(1898-1983)1983)，在前往曼哈頓西街，在前往曼哈頓西街(Manhattan West Street)(Manhattan West Street)的上班的上班途中，在途中，在哈得孫河哈得孫河(the Hudson River)(the H

31、udson River)的的LackawannaLackawanna渡船上渡船上靈光一閃，發(fā)明了在當今控制理論中占核心地位的負反饋放靈光一閃，發(fā)明了在當今控制理論中占核心地位的負反饋放大器。由于手頭沒有合適的紙張，他將其發(fā)明記在了一份紐大器。由于手頭沒有合適的紙張，他將其發(fā)明記在了一份紐約時報約時報(The New York Times)(The New York Times)上，這份早報已成為一件珍貴上，這份早報已成為一件珍貴的文物診藏在的文物診藏在AT&TAT&T的檔案館中。的檔案館中。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑28乘客站在機翼上等待營

32、救乘客站在機翼上等待營救“哈得孫河奇跡哈得孫河奇跡”感動整個美國感動整個美國 2009年01月18日 10:52:04 來源：新華網(wǎng) 全美航空公司一架客機全美航空公司一架客機15日從紐約長島起飛后出現(xiàn)故障。飛行員應(yīng)變?nèi)諒募~約長島起飛后出現(xiàn)故障。飛行員應(yīng)變迅速，駕駛客機避開紐約人口密集街區(qū)，無損墜落于哈得孫河。地面救援迅速，駕駛客機避開紐約人口密集街區(qū)，無損墜落于哈得孫河。地面救援人員接應(yīng)及時。機上人員接應(yīng)及時。機上155人全員獲救。人全員獲救。紐約州州長戴維紐約州州長戴維帕特森稱這起無帕特森稱這起無人遇難的人遇難的“空難空難”事件為事件為“哈得孫河奇哈得孫河奇跡跡”。這架空中客車這架空中客車A

33、320客機客機15日日15時時26分從紐約長島拉瓜迪亞機場飛往北卡分從紐約長島拉瓜迪亞機場飛往北卡羅來納州夏洛特，但起飛約分鐘后出羅來納州夏洛特，但起飛約分鐘后出現(xiàn)引擎故障，懷疑由飛鳥現(xiàn)引擎故障，懷疑由飛鳥“卷入卷入”客機客機兩側(cè)引擎所致。兩側(cè)引擎所致。 飛行員切斯利飛行員切斯利薩倫伯格三世隨薩倫伯格三世隨即呼叫長島地面控制中心，稱客機遭遇即呼叫長島地面控制中心，稱客機遭遇“雙重鳥擊雙重鳥擊”。技術(shù)人員說，由于兩個。技術(shù)人員說，由于兩個引擎均無法運行，客機難以返回起飛機引擎均無法運行，客機難以返回起飛機場。場。 薩倫伯格三世知道附近的新澤西州薩倫伯格三世知道附近的新澤西州泰特伯勒有一個小型機場

34、，但他最終決泰特伯勒有一個小型機場，但他最終決定放棄這一著陸點，改向哈得孫河方向定放棄這一著陸點，改向哈得孫河方向滑翔?；?。 293019421942年，年，Ziegler(Ziegler(齊格勒齊格勒) )和和Nichols(Nichols(尼科爾斯尼科爾斯) )提出了調(diào)節(jié)提出了調(diào)節(jié)PIDPID控制器參數(shù)的方法。系統(tǒng)的頻域分析技控制器參數(shù)的方法。系統(tǒng)的頻域分析技術(shù)是在術(shù)是在Nyquist(Nyquist(奈奎斯特奈奎斯特) )、Bode(Bode(伯德伯德) )等早期的關(guān)于等早期的關(guān)于通信學(xué)科的頻域研究工作的基礎(chǔ)上建立起來的，通信學(xué)科的頻域研究工作的基礎(chǔ)上建立起來的，Harris(Harr

35、is(哈里斯哈里斯) )于于19421942年提出了傳遞函數(shù)的概念，首年提出了傳遞函數(shù)的概念，首先將通信學(xué)科的頻域技術(shù)移植到了控制領(lǐng)域，構(gòu)成了先將通信學(xué)科的頻域技術(shù)移植到了控制領(lǐng)域，構(gòu)成了控制系統(tǒng)頻域分析技術(shù)的理論基礎(chǔ)控制系統(tǒng)頻域分析技術(shù)的理論基礎(chǔ)。Evens(Evens(埃文斯埃文斯) )等等在在19461946年提出的線性反饋系統(tǒng)的根軌跡分析技術(shù)是那年提出的線性反饋系統(tǒng)的根軌跡分析技術(shù)是那個時代的另一個里程碑。個時代的另一個里程碑。 第二次世界大戰(zhàn)中，控制系統(tǒng)頻域分析技術(shù)的方第二次世界大戰(zhàn)中，控制系統(tǒng)頻域分析技術(shù)的方法被用于法被用于高炮、雷達、飛機等的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計，高炮、雷達、飛機等的

36、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計，取得了很大的成功，反過來又促進了理論研究的進一取得了很大的成功，反過來又促進了理論研究的進一步發(fā)展步發(fā)展。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑31炮瞄雷達炮瞄雷達Gun Directing Radar32到到20世紀世紀50年代，建立起了以頻率響應(yīng)法年代，建立起了以頻率響應(yīng)法和根軌跡法為核心的控制理論，后來被稱為和根軌跡法為核心的控制理論，后來被稱為經(jīng)經(jīng)典控制理論典控制理論（classical control theory）的理的理論體系，控制科學(xué)開始成為一門獨立于其它學(xué)論體系，控制科學(xué)開始成為一門獨立于其它學(xué)科的新興技術(shù)科學(xué)?？频?/p>

37、新興技術(shù)科學(xué)。早期，被稱為自動調(diào)節(jié)原理，早期，被稱為自動調(diào)節(jié)原理， 1868年年Maxwell在時間域上用微分方程分在時間域上用微分方程分析控制系統(tǒng)性能的理論提出之后，在歐美并末析控制系統(tǒng)性能的理論提出之后，在歐美并末產(chǎn)生太大的影響。在第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)產(chǎn)生太大的影響。在第二次世界大戰(zhàn)期間和戰(zhàn)后發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論是一種基于頻率域后發(fā)展起來的經(jīng)典控制理論是一種基于頻率域的理論。的理論。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑33在俄國和前蘇聯(lián)，對時間域方法的研究一在俄國和前蘇聯(lián)，對時間域方法的研究一直在進行，并取得了許多重大成果。在這些成直在進行，

38、并取得了許多重大成果。在這些成果中首推果中首推Lyapunov(Lyapunov(李雅譜諾夫李雅譜諾夫) )的穩(wěn)定性理論。的穩(wěn)定性理論。18921892年年A.M.LyapunovA.M.Lyapunov用嚴格的數(shù)學(xué)分析方法全用嚴格的數(shù)學(xué)分析方法全面地論述了穩(wěn)定性問題。面地論述了穩(wěn)定性問題。A. M. 李雅普諾夫李雅普諾夫 A. M. A. M. Lyapunov，(18571918）俄羅斯數(shù)學(xué)家、物理學(xué)俄羅斯數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、力學(xué)家。家、力學(xué)家。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑3419561956年，前蘇聯(lián)科學(xué)家年，前蘇聯(lián)科學(xué)家L.C.Pon

39、tryaginL.C.Pontryagin（龐特里亞金龐特里亞金）提出極大值原理。提出極大值原理。PontryaginPontryagin的極大值原理是又一重大成果，它奠定了追求的極大值原理是又一重大成果，它奠定了追求綜合目標的控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。綜合目標的控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。. ，L.C.Pontryagin (19081988)，俄羅斯數(shù)學(xué)家。，俄羅斯數(shù)學(xué)家。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑35最優(yōu)控制理論是最優(yōu)控制理論是現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論中最早發(fā)展起來中最早發(fā)展起來的分支之一。的分支之一。最優(yōu)控制理論主要討論：求解最優(yōu)控制問題的最優(yōu)

40、控制理論主要討論：求解最優(yōu)控制問題的方法和理論，包括最優(yōu)控制的存在性、唯一性和最方法和理論，包括最優(yōu)控制的存在性、唯一性和最優(yōu)控制應(yīng)滿足的必要條件等。優(yōu)控制應(yīng)滿足的必要條件等。最優(yōu)控制理論始于最優(yōu)控制理論始于2020世紀世紀5050年代末，其主要標年代末，其主要標志是前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金（志是前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金（L.C.PontryaginL.C.Pontryagin）等提出的等提出的“最大值原理最大值原理”。最優(yōu)控制理論在工礦企。最優(yōu)控制理論在工礦企業(yè)、交通運輸、電力工業(yè)、國防工業(yè)（業(yè)、交通運輸、電力工業(yè)、國防工業(yè)（軍事工業(yè)軍事工業(yè) ）和國民經(jīng)濟管理等部門有著廣泛的應(yīng)用。和國民經(jīng)濟管理

41、等部門有著廣泛的應(yīng)用。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑3619591959年美國數(shù)學(xué)家年美國數(shù)學(xué)家R.E.KalmanR.E.Kalman提出了著名的卡爾提出了著名的卡爾曼濾波器（曼濾波器（kalman filter），19601960年又提出能控性和年又提出能控性和能觀測性的概念。能觀測性的概念。Rudolf Emil Kalman (1930)美國數(shù)學(xué)家和電氣工程師美國數(shù)學(xué)家和電氣工程師一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑37 2020世紀世紀6060年代以后，由于受航天技術(shù)發(fā)展的推動，控制年代以后

42、，由于受航天技術(shù)發(fā)展的推動，控制理論的研究又產(chǎn)生了一次新的飛躍。俄羅斯科學(xué)家的工作引起理論的研究又產(chǎn)生了一次新的飛躍。俄羅斯科學(xué)家的工作引起了美國學(xué)術(shù)界的重視，時間域的研究又成為主流，了美國學(xué)術(shù)界的重視，時間域的研究又成為主流，控制系統(tǒng)理控制系統(tǒng)理論逐漸形成了嚴格的理論體系論逐漸形成了嚴格的理論體系。2020世紀世紀6060年代，年代，數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域數(shù)字計算機的出現(xiàn)為復(fù)雜系統(tǒng)的基于時域分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能分析的現(xiàn)代控制理論提供了可能。2020世紀世紀6060年代中期，年代中期，現(xiàn)代控制理論初步形成現(xiàn)代控制理論初步形成。之后的十幾。之后的十幾年，最優(yōu)控制的問題受到很

43、大重視。這主要是由于人們對高質(zhì)年，最優(yōu)控制的問題受到很大重視。這主要是由于人們對高質(zhì)量控制的需求和在控制系統(tǒng)中更有效地使用計算機所導(dǎo)致的必量控制的需求和在控制系統(tǒng)中更有效地使用計算機所導(dǎo)致的必然結(jié)果。然結(jié)果。人們常用人們常用第二代控制理論第二代控制理論的這些手段進行系統(tǒng)設(shè)計，大大的這些手段進行系統(tǒng)設(shè)計，大大改善了系統(tǒng)的精度及技術(shù)經(jīng)濟指標。除應(yīng)用于航空、航天、航改善了系統(tǒng)的精度及技術(shù)經(jīng)濟指標。除應(yīng)用于航空、航天、航海等部門外，在冶金、石油、化工、交通運輸?shù)炔块T也得到廣海等部門外，在冶金、石油、化工、交通運輸?shù)炔块T也得到廣泛應(yīng)用。泛應(yīng)用。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的

44、難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑382020世紀世紀5050年代以來，隨著計算機性能的提高與年代以來，隨著計算機性能的提高與價格的降低，價格的降低，經(jīng)典控制的理論與技術(shù)在工業(yè)自動化經(jīng)典控制的理論與技術(shù)在工業(yè)自動化系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。特別是近幾十年來，計算機硬件技術(shù)的發(fā)展日特別是近幾十年來，計算機硬件技術(shù)的發(fā)展日新月異。新月異。開關(guān)量控制實現(xiàn)了無觸點化；順序控制由固定開關(guān)量控制實現(xiàn)了無觸點化；順序控制由固定的邏輯控制電路發(fā)展為以微處理器為核心的可編程的邏輯控制電路發(fā)展為以微處理器為核心的可編程序控制器序控制器( (PLC - - Program Logic Control

45、) )；連續(xù)；連續(xù)量的調(diào)節(jié)，則從模擬式控制儀表、直接數(shù)字控制發(fā)量的調(diào)節(jié)，則從模擬式控制儀表、直接數(shù)字控制發(fā)展到以微處理器為核心的可編程過程控制器展到以微處理器為核心的可編程過程控制器( (PPC - - PowerPC的簡寫，工業(yè)計算機，工業(yè)控制計算機的簡寫，工業(yè)計算機，工業(yè)控制計算機) )。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑39而后，而后，PLC與與PPC互相覆蓋對方的功能，并與互相覆蓋對方的功能，并與局域網(wǎng)、分布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)相結(jié)合，形成了綜合局域網(wǎng)、分布式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)相結(jié)合，形成了綜合順序控制、連續(xù)量調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)處理與通訊功能的新順序控制、連續(xù)

46、量調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)處理與通訊功能的新一代集散型控制系統(tǒng)一代集散型控制系統(tǒng)(DCS-Distributed Control System)。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑40 DCS是計算機、是計算機、自動控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)自動控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的綜合產(chǎn)物。通訊技術(shù)的綜合產(chǎn)物。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑412020世紀世紀8080年代以來，計算機集成制造系統(tǒng)年代以來，計算機集成制造系統(tǒng)( (CIMSCIMS - - Computer Integrated Manufacturing Systems

47、) )得得到迅速發(fā)展。到迅速發(fā)展。CIMSCIMS是管理工程、控制工程、計算機工是管理工程、控制工程、計算機工程、電子工程和機械工程等多學(xué)科的交叉、多種技術(shù)程、電子工程和機械工程等多學(xué)科的交叉、多種技術(shù)的集成和滲透形成的，是實現(xiàn)綜合自動化的基本模式，的集成和滲透形成的，是實現(xiàn)綜合自動化的基本模式，也是也是2121世紀的世紀的“未來產(chǎn)業(yè)基本模式未來產(chǎn)業(yè)基本模式”。CIMSCIMS從用戶訂貨單開始，輸入產(chǎn)品需要的有關(guān)信從用戶訂貨單開始，輸入產(chǎn)品需要的有關(guān)信息，從產(chǎn)品初始構(gòu)思、設(shè)計、制造、檢驗、管理、經(jīng)息，從產(chǎn)品初始構(gòu)思、設(shè)計、制造、檢驗、管理、經(jīng)營均有機聯(lián)系的一個高技術(shù)綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)。營均有機聯(lián)

48、系的一個高技術(shù)綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)。 CIMSCIMS將將工廠控制系統(tǒng)工廠控制系統(tǒng)與與企業(yè)行政事務(wù)管理信息企業(yè)行政事務(wù)管理信息集集成在一起，在企業(yè)內(nèi)部完成自動化作業(yè)的全過程。成在一起，在企業(yè)內(nèi)部完成自動化作業(yè)的全過程。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑42 CIMSCIMS采用層次式的控制結(jié)構(gòu)，將管理信息系統(tǒng)采用層次式的控制結(jié)構(gòu)，將管理信息系統(tǒng)( (MISMIS) )、柔性制造系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)( (FMSFMS) )、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助設(shè)計( (CADCAD) )、計算機輔助制造計算機輔助制造( (CAMCAM) )、計算機輔助工程、計算機輔

49、助工程( (CAECAE) )、企業(yè)、企業(yè)資源計劃資源計劃( (ERPERP) )、物料需求計劃、物料需求計劃( (MRPMRP) )、制造資源計劃、制造資源計劃( (MRPMRP)等功能集于一身，采用等功能集于一身，采用MAPMAP作為通訊網(wǎng)絡(luò)并與作為通訊網(wǎng)絡(luò)并與遠程網(wǎng)絡(luò)相連。因此，遠程網(wǎng)絡(luò)相連。因此，CIMSCIMS的發(fā)展已使的發(fā)展已使綜合自動化綜合自動化成成為現(xiàn)實。為現(xiàn)實。MIS - Management Information System，管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)FMS - Flexible Manufacturing System，柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)CAD - Compute

50、r Aided Design，計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計CAM - Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造計算機輔助制造CAE - Computer Aided Engineering，計算機輔助工程計算機輔助工程ERP - Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃企業(yè)資源計劃MRP - Material Requirement Planning，物料需求計劃物料需求計劃MRP - Manufacturing Resources Planning，制造資源計劃制造資源計劃一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的

51、難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑43CIMSCIMS是英文是英文Computer Integrated Manufacturing Computer Integrated Manufacturing SystemsSystems，直譯就是，直譯就是計算機集成制造系統(tǒng)計算機集成制造系統(tǒng)。計算機集成。計算機集成制造制造-CIM-CIM的概念最早是由美國學(xué)者哈林頓博士提出的。的概念最早是由美國學(xué)者哈林頓博士提出的。CIMSCIMS與與計算機綜合自動化制造系統(tǒng)計算機綜合自動化制造系統(tǒng)是同義詞，后是同義詞，后者是者是CIMSCIMS在中國早期的另一種叫法，雖然通俗些，但在中國早期的另一種叫法，雖然通俗些，但因此無

52、法表達集成的內(nèi)涵，使用得較少。因此無法表達集成的內(nèi)涵，使用得較少。隨著經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，隨著經(jīng)濟環(huán)境的發(fā)展，CIMSCIMS被賦予了新的含義，被賦予了新的含義，即即現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)（Contemporary Integrated Contemporary Integrated Manufacturing SystemManufacturing System）。將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技）。將信息技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)全生命周期各個術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于企業(yè)全生命周期各個階段，通過信息集成，過程優(yōu)化及資源優(yōu)化，實現(xiàn)物階段，通過信息集成，過程優(yōu)化及資源優(yōu)化

53、，實現(xiàn)物流、信息流、價值流的集成和優(yōu)化運行，達到人（組流、信息流、價值流的集成和優(yōu)化運行，達到人（組織及管理）、經(jīng)營和技術(shù)三要素的集成?？椉肮芾恚⒔?jīng)營和技術(shù)三要素的集成。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑442020世紀世紀7070年代以來，隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的進步，年代以來，隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的進步，現(xiàn)代的工業(yè)、電力、交通、生物、生態(tài)以及軍事指揮等現(xiàn)代的工業(yè)、電力、交通、生物、生態(tài)以及軍事指揮等大規(guī)模的生產(chǎn)和管理系統(tǒng)愈來愈多，日益復(fù)雜。大規(guī)模的生產(chǎn)和管理系統(tǒng)愈來愈多，日益復(fù)雜?，F(xiàn)今對于那些能夠在大范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，現(xiàn)今對于那些能夠

54、在大范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，分析情況，從而進行指揮管理和控制的系統(tǒng)，往往統(tǒng)稱分析情況，從而進行指揮管理和控制的系統(tǒng)，往往統(tǒng)稱為為大系統(tǒng)大系統(tǒng)。對于這樣一些大規(guī)模的復(fù)雜的系統(tǒng)評價、設(shè)計、控對于這樣一些大規(guī)模的復(fù)雜的系統(tǒng)評價、設(shè)計、控制與管理，只能求助于運用系統(tǒng)工程學(xué)的方法，對其實制與管理，只能求助于運用系統(tǒng)工程學(xué)的方法，對其實施系統(tǒng)控制。如通過分別解決大系統(tǒng)中各自獨立而又相施系統(tǒng)控制。如通過分別解決大系統(tǒng)中各自獨立而又相互制約的子系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，來達到全系統(tǒng)的整體最互制約的子系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，來達到全系統(tǒng)的整體最優(yōu)化目的。優(yōu)化目的。大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論應(yīng)運而生應(yīng)運而生 。一、自動控制面臨的難

55、題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑45在工業(yè)自動化系統(tǒng)的在工業(yè)自動化系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動化級基礎(chǔ)自動化級，至今應(yīng)用，至今應(yīng)用最為廣泛的仍然是最為廣泛的仍然是PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器這類基于經(jīng)典控制理論這類基于經(jīng)典控制理論的技術(shù)。經(jīng)典控制理論有兩個重要前提：的技術(shù)。經(jīng)典控制理論有兩個重要前提：(1)(1)受控制的變量具有獨立性，即各個變量之間受控制的變量具有獨立性，即各個變量之間沒有耦合。這實際上是指變量之間的耦合作用較弱，沒有耦合。這實際上是指變量之間的耦合作用較弱，因此每一個變量都可以用一個獨立的調(diào)節(jié)回路來控因此每一個變量都可以用一個獨立的調(diào)節(jié)回路來控制，其余變量對它的耦

56、合效應(yīng)可以忽略，或作為干制，其余變量對它的耦合效應(yīng)可以忽略，或作為干擾處理。擾處理。(2)(2)受控變量與控制作用之間具有線性關(guān)系，至受控變量與控制作用之間具有線性關(guān)系，至少應(yīng)在一定的范圍內(nèi)可作線性化的近似。少應(yīng)在一定的范圍內(nèi)可作線性化的近似。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑46然而，對于某些特殊的設(shè)備，當對其控制性能然而，對于某些特殊的設(shè)備，當對其控制性能的要求很高時，往往不能回避多變量耦合與非線性的要求很高時，往往不能回避多變量耦合與非線性問題。而對于追求目標的控制系統(tǒng)，由于要與非人問題。而對于追求目標的控制系統(tǒng)，由于要與非人為的環(huán)境發(fā)生交互

57、，不僅這些問題不能回避，而且為的環(huán)境發(fā)生交互，不僅這些問題不能回避，而且還有更多的問題需要加以考慮。還有更多的問題需要加以考慮。人們曾經(jīng)努力在經(jīng)典控制理論的框架內(nèi)解決多人們曾經(jīng)努力在經(jīng)典控制理論的框架內(nèi)解決多變量與非線性的問題，并獲得了一些局部的成果。變量與非線性的問題，并獲得了一些局部的成果。但是這類問題的徹底解決要求有新的概念和理論方但是這類問題的徹底解決要求有新的概念和理論方法，這就是時間域的控制系統(tǒng)理論，通常稱為法，這就是時間域的控制系統(tǒng)理論，通常稱為現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論控制理論。 一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑47現(xiàn)代控制理論研究的主要對

58、象是具有一階現(xiàn)代控制理論研究的主要對象是具有一階Markov(Markov(馬爾可夫馬爾可夫) )性質(zhì)的動態(tài)系統(tǒng)，它所取得的具有性質(zhì)的動態(tài)系統(tǒng)，它所取得的具有應(yīng)用價值的成果是針對集中參數(shù)的連續(xù)時間動態(tài)系統(tǒng)。應(yīng)用價值的成果是針對集中參數(shù)的連續(xù)時間動態(tài)系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)可以用滿足這樣的系統(tǒng)可以用滿足Lipschitz(Lipschitz(利普希茨利普希茨) )條條件的件的一階常微分方程組一階常微分方程組來描述其動態(tài)特性。來描述其動態(tài)特性。針對計算機數(shù)字控制的需要，可以通過采樣，把針對計算機數(shù)字控制的需要，可以通過采樣，把本質(zhì)上連續(xù)的動態(tài)系統(tǒng)人為地離散化，從而得到集中本質(zhì)上連續(xù)的動態(tài)系統(tǒng)人為地離散化，

59、從而得到集中參數(shù)離散時間動態(tài)系統(tǒng)，其動態(tài)特性可用參數(shù)離散時間動態(tài)系統(tǒng)，其動態(tài)特性可用一階差分方一階差分方程組程組描述。描述。(隨機過程，隨機微分方程，隨機偏微分方程論，隨機過程，隨機微分方程，隨機偏微分方程論，偏微分方程的解的存在性和唯一性。偏微分方程的解的存在性和唯一性。)一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑48從控制對象的定量數(shù)學(xué)描述（數(shù)學(xué)模型）出發(fā)，從控制對象的定量數(shù)學(xué)描述（數(shù)學(xué)模型）出發(fā)，就能夠用嚴格的數(shù)學(xué)解析方法來研究控制系統(tǒng)的分析就能夠用嚴格的數(shù)學(xué)解析方法來研究控制系統(tǒng)的分析與綜合問題。按照這種理論所設(shè)汁的控制系統(tǒng)可能具與綜合問題。按照這

60、種理論所設(shè)汁的控制系統(tǒng)可能具有的功能包括：有的功能包括：(1)(1)穩(wěn)定；穩(wěn)定；(2)(2)跟蹤；跟蹤；(3)(3)優(yōu)化。優(yōu)化。為了擴大控制系統(tǒng)理論的應(yīng)用范圍，人們曾經(jīng)對為了擴大控制系統(tǒng)理論的應(yīng)用范圍，人們曾經(jīng)對不確定性的問題進行過深入的研究。不確定性的問題進行過深入的研究。第一類不確定性是系統(tǒng)模型的不確定性（未建第一類不確定性是系統(tǒng)模型的不確定性（未建模）。模）。第二類不確定性是環(huán)境的不確定性。第二類不確定性是環(huán)境的不確定性。一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑一、自動控制面臨的難題和挑戰(zhàn)及解決的途徑49同時具有上述兩類不確定性的系統(tǒng)控制同時具有上述兩類不確定性的系統(tǒng)控制問題稱為雙重控制