自動控制前沿-zyq

主要內(nèi)容歷史發(fā)展基本原理產(chǎn)生價值主要應(yīng)用自動控制簡介自動限制前沿附言一、自動限制簡介自動限制技術(shù)的探討有利于將人類從困難、危急、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高限制效率。自動限制是工程科學(xué)的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今日稱作自動限制的是二十世紀中葉產(chǎn)生的限制論的一個分支。基礎(chǔ)的結(jié)論是由諾伯特·維納，魯?shù)婪颉た柭岢龅摹ＶZ伯特·維納（NorbertWiener）傳記個人成果概述維納在其50年的科學(xué)生涯中，先后涉足哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)，最終轉(zhuǎn)向生物學(xué)，在各個領(lǐng)域中都取得了豐碩成果，稱得上是恩格斯頌揚過的、本世紀多才多藝和學(xué)識淵博的科學(xué)巨人。他一生發(fā)表論文240多篇，著作14本。他的主要著作有《限制論》(1948)、《維納選集》(1964)和《維納數(shù)學(xué)論文集》(1980)。維納還有兩本自傳《從前神童》和《我是一個數(shù)學(xué)家》。諾伯特·維納（NorbertWiener，1894.11.26日—1964.3.18），美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家，限制論的創(chuàng)始人，在電子工程方面貢獻良多。他是隨機過程和噪聲過程的先驅(qū)，又提出了“限制論”的一詞。他先后留學(xué)于英國劍橋高校和德國哥丁根高校，在羅素、哈代、希爾伯特等著名數(shù)學(xué)家指導(dǎo)下探討邏輯和數(shù)學(xué)。維納主要成果一：建立維納測度維納是第一個從數(shù)學(xué)上深刻地探討布朗運動的數(shù)學(xué)家。1921年，他用函數(shù)空間的點來表示作布朗運動的粒子的路徑，并證明，全部這些路徑除了概率為O的集合外，都是連續(xù)但又不光滑即幾乎到處不行微的。他運用勒貝格積分計算了這些路徑上函數(shù)的平均值。1923年，維納第一次給出隨機函數(shù)的嚴格定義，證明可以是布朗運動的理論模型。維納從樣本路程的觀念動身，探討“路徑”的集合，引進維納測度，揭示了連續(xù)而不行微函數(shù)的物理特征，故布朗運動又稱維納過程。維納的工作對于概率是極富成效的。它不僅給老問題注入了新生命，更重要的是開拓了嶄新的探討領(lǐng)域，揭示了概率論和其他數(shù)學(xué)分支之間引人注目的聯(lián)系。維納的這項探討可以說是現(xiàn)代概率論的開創(chuàng)性工作?，F(xiàn)在把定義在連續(xù)函數(shù)空間的一種描述布朗運動的測度稱為維納測度，關(guān)于這個測度的積分稱為維納積分。后來，日本數(shù)學(xué)家伊藤清在此基礎(chǔ)上發(fā)展了隨機積分論。維納主要成果二：引進巴拿赫—維納空間1920年，維納將法國數(shù)學(xué)家弗雷歇關(guān)于極限和微分的廣義理論推廣到矢量空間，并給出了一個完整的公理集合。維納的結(jié)果與幾個星期以后發(fā)表在波蘭數(shù)學(xué)期刊上的巴拿赫的論文不謀而合，廣義的程度也分毫不差。巴拿赫構(gòu)想和發(fā)表他的理論比維納早幾個月，但兩者的獨立程度是一樣的。故這兩項工作一度被稱為巴拿赫一維納空間理論。維納在短時間里接著發(fā)表了有關(guān)這方面的成果，為馮諾依曼1927年提出希爾伯特空間以及希爾伯特空間中的算子的公理方法供應(yīng)了基礎(chǔ)。后來維納漸漸離開了這個領(lǐng)域，但他對泛函分析這一20世紀產(chǎn)生和蓬勃發(fā)展的新興數(shù)學(xué)分支所作出開拓性工作己載入數(shù)學(xué)史冊。

維納主要成果三：闡述位勢理論1923～1925年，維納對位勢理論作出基本的貢獻。對于給定連續(xù)邊值函數(shù)的狄利克雷問題，得出了準確的廣義群。對于一般的緊集定義容度概念，并給出著名的正則性判據(jù)。早先關(guān)于一個區(qū)域內(nèi)部的電磁勢的概念認為，它應(yīng)當(dāng)同邊界上給出的那些值完全一樣。維納遵照他業(yè)已探討過的類似于廣義積分的概念，留意到一個區(qū)域內(nèi)部的勢可以被看作是由邊界四周的勢的線性組合確定，即使依據(jù)這個定義在接近邊界點時不能給出一個連續(xù)函數(shù)邊界。這是一個嶄新的概念，維納由此大大地擴展了位勢理論的很多概念，包括電荷和電容的概念。這一成果的意義在于，新理論認為，一個內(nèi)點的勢與邊界值的關(guān)系是一種廣義積分，而不是由一種將這些內(nèi)部勢與邊界上的勢結(jié)合起來的極限過程。這就把原有關(guān)于邊界問題的觀點顛倒了過來。就象數(shù)學(xué)上曾經(jīng)有過的多次觀點顛倒一樣，重新闡述位勢理論給多年來被一種過于因循守舊的論點弄得死氣沉沉的局面吹進了一股清爽的空氣。維納主要成果四：發(fā)展調(diào)和分析為了給亥維賽計算法建立一個扎實的邏輯基礎(chǔ)，維納走上了調(diào)和分析的新道路。1926年初他發(fā)表了這方面的第一篇論文，此后五年的工作以一篇廣義調(diào)和分析的長文而達到頂峰。維納從物理學(xué)借來函數(shù)作為調(diào)和分析的鑰匙，而后又把它同通訊理論聯(lián)系起來，把寫成傅立葉變換。他獲得了現(xiàn)在所說的光譜分布狀態(tài)。為了證明其中一個關(guān)鍵性的公式，維納在哈代和李特爾伍德的陶伯定理中提出了一種強有力的高度獨創(chuàng)的方法，即非零確定收斂傅立葉級數(shù)的著名的反轉(zhuǎn)定理。這是一個具有統(tǒng)一數(shù)學(xué)抽象意義的驚人例子。維納在這方面的成果后來成為巴拿赫代數(shù)理論的基礎(chǔ)，并由此導(dǎo)出諸如素數(shù)定理等結(jié)果。維納主要成果五：發(fā)覺維納—霍普夫方法1930年前后，維納與天文學(xué)家霍普夫合作，共同探討一類給定在半無窮區(qū)間上的帶差核的奇異積分方程。此類方程現(xiàn)在被稱為維納—維普夫方程。維納推廣了霍普夫關(guān)于輻射平衡態(tài)的探討，于1931年得出其求解方法。其基本思想是通過積分變換，將原方程化為一個泛函方程，然后再用函數(shù)因子分解的方法來求解，因此維納—霍普夫方法又稱因子分解法。它已成為探討各種數(shù)學(xué)物理問題的一種常用方法。維納創(chuàng)建性地說明，維納—霍普夫方程最引人注目的應(yīng)用表現(xiàn)在兩種進程間的分界是時間上的而非空間的，這正是在預(yù)料理論的某些方面可應(yīng)用的特別適當(dāng)?shù)墓ぞ摺ＫM一步指出，還有很多關(guān)于儀器探討的更一般的問題可以用這種作用于時間的技術(shù)來解決。40年頭以后，這一方程的理論在解析函數(shù)邊值問題、調(diào)和分析和算子理論的基礎(chǔ)上得到了系統(tǒng)的發(fā)展，其應(yīng)用也從輻射問題擴展到很多其他領(lǐng)域，如中子遷移、電磁波衍射、限制論、多體問題及入口理論等。維納主要成果六：提出維納濾波理論在其次次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力限制和雷達噪聲濾波問題，維納綜合運用了他以前幾方面的工作，于1942年2月首先給出了從時間序列的過去數(shù)據(jù)推知將來的維納濾波公式，建立了在最少均方誤差準則下將時間序列外推動預(yù)料的維納濾波理論。維納的這項工作為設(shè)計自動防空限制炮火等方面的預(yù)料問題供應(yīng)了理論依據(jù)，并為評價一個通訊和限制系統(tǒng)加工信息的效率和質(zhì)量從理論上開拓了一條途徑。它對自動化技術(shù)科學(xué)有重要的影響。維納在問題中引進統(tǒng)計因素并運用了自相關(guān)和相互關(guān)函數(shù)，事實證明這是極其重要的。維納濾波模型在50年頭被推廣到僅在有限時間區(qū)間內(nèi)進行觀測的平穩(wěn)過程以及某些特殊的外平穩(wěn)過程，其應(yīng)用范圍也擴充到更多的領(lǐng)域，至今它仍是處理各種動態(tài)數(shù)據(jù)(如氣象、水文、地震勘探等)及預(yù)料將來的有力工具之一。維納主要成果七：開創(chuàng)維納信息論維納是信息論的創(chuàng)始人之一。他從帶直流電流或者至少可看作直流電流的電路動身來探討信息論，獨立于申農(nóng)，將統(tǒng)計方法引入通訊工程，奠定了信息論的理論基礎(chǔ)。維納把消息看作可測事務(wù)的時間序列，把通信看作統(tǒng)計問題，在數(shù)學(xué)上作為平穩(wěn)隨機過程及其變換來探討。他闡明白信息定量化的原則和方法，類似地用“熵”定義了連續(xù)信號的信息量，提出了度量信息量的申農(nóng)—維納公式：單位信息量就是對具有相等概念的二中擇一的事物作單一選擇時所傳遞出去的信息。維納的這些開創(chuàng)性工作有力地推動了信息論的創(chuàng)立，并為信息論的應(yīng)用開拓了廣袤的前景。信息論創(chuàng)立者申農(nóng)說：“光榮應(yīng)歸于維納教授”。維納主要成果八：創(chuàng)立限制論維納對科學(xué)發(fā)展所作出的最大貢獻，是創(chuàng)立限制論。這是一門以數(shù)學(xué)為紐帶，把探討自動調(diào)整、通信工程、計算機和計算技術(shù)以及生物科學(xué)中的神經(jīng)生理學(xué)和病理學(xué)等學(xué)科共同關(guān)切的共性問題聯(lián)系起來而形成的邊緣學(xué)科。1947年10月，維納寫出劃時代的著作《限制論》，1948年出版后，馬上風(fēng)行世界。維納的深刻思想引起了人們的極大重視。它揭示了機器中的通信和限制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律；為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)探討供應(yīng)了嶄新的科學(xué)方法；它從多方面突破了傳統(tǒng)思想的束縛，有力地促進了現(xiàn)代科學(xué)思維方式和當(dāng)代哲學(xué)觀念的一系列變革?，F(xiàn)在，限制論已有了很多重大發(fā)展，但維納用吉布斯統(tǒng)計力學(xué)處理某些數(shù)學(xué)模型的思想仍處于中心地位。他定義限制論為：“設(shè)有兩個狀態(tài)變量，其中一個是能由我們進行調(diào)整的，而另一個則不能限制。這時我們面臨的問題是如何依據(jù)那個不行限制變量從過去到現(xiàn)在的信息來適當(dāng)?shù)卮_定可以調(diào)整的變量的最優(yōu)值，以實現(xiàn)對于我們最為合適、最有利的狀態(tài)。”魯?shù)婪颉た柭≧udolfEmilKalman）

1953年于麻省理工學(xué)院獲得電機工程學(xué)士，其次年獲得碩士學(xué)位。1957年于哥倫比亞高校獲得博士學(xué)位。1964年至1971年任職斯坦福高校。1971年至1992年任佛羅里達高校數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論中心（CenterforMathematicalSystemTheory）主任。1972起任瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論中心主任直至退休。先居住于蘇黎世和佛羅里達。2009年獲美國國家科學(xué)獎?wù)?。魯?shù)婪颉た柭呢暙I卡爾曼濾波的一個典型實例是從一組有限的，包含噪聲的，對物體位置的視察序列（可能有偏差）預(yù)料出物體的位置的坐標及速度。在很多工程應(yīng)用(如雷達、計算機視覺)中都可以找到它的身影。同時，卡爾曼濾波也是限制理論以及限制系統(tǒng)工程中的一個重要課題。當(dāng)輸入為帶有高斯白噪聲的信號時，使期望輸出和實際輸出之間的均方根誤差達到最小的線性系統(tǒng)，這種濾波方法以它的獨創(chuàng)者魯?shù)婪?E.卡爾曼的名字命名為卡爾曼濾波。二、歷史發(fā)展第一代過程限制體系：是150多年前基于5－13psi的氣動信號標準（氣動限制系統(tǒng)PCS，PneumaticControlSystem）。簡潔的就地操作模式，限制理論初步形成，尚未有限制室的概念。其次代過程限制體系（模擬式或ACS,AnalogControlSystem）:是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號，這一明顯的進步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動限制領(lǐng)域。它標記了電氣自動限制時代的到來。限制理論有了重大發(fā)展，三大限制論的確立奠定了現(xiàn)代限制的基礎(chǔ)；限制室的設(shè)立，限制功能分別的模式始終沿用至今。二、歷史發(fā)展第三代過程限制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年頭起先了數(shù)字計算機的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯限制領(lǐng)域領(lǐng)先運用，從而產(chǎn)生了第三代過程限制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程限制體系是自動限制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計算機的特長，于是人們普遍認為計算機能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中限制”的中心限制計算機系統(tǒng)，須要指出的是系統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)照舊是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發(fā)覺，隨著限制的集中和牢靠性方面的問題，失控的危急也集中了，稍有不慎就會使整個系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式限制系統(tǒng)（DCS）。第四代過程限制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式限制系統(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍運用，計算機技術(shù)牢靠性的大幅度增加，目前普遍運用的是第四代過程限制體系（DCS，或分布式數(shù)字限制系統(tǒng)），它主要特點是整個限制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計算機，而是由幾臺計算機和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個了限制系統(tǒng)。于是分散限制成了最主要的特征。除外另一個重要的發(fā)展是它們之間的信號傳遞也不僅僅依靠于4－20mA的模擬信號，而漸漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。二、歷史發(fā)展二、歷史發(fā)展第五代過程限制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)）：FCS是從DCS發(fā)展而來，就象DCS從CCS發(fā)展過來一樣，有了質(zhì)的飛躍?！胺稚⑾拗啤卑l(fā)展到“現(xiàn)場限制”；數(shù)據(jù)的傳輸接受“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)分在于FCS有更廣袤的發(fā)展空間。由于傳統(tǒng)的DCS的技術(shù)水平雖然在不斷提高，但通信網(wǎng)絡(luò)最低端只達到現(xiàn)場限制站一級，現(xiàn)場限制站與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行器之間的聯(lián)系仍接受一對一傳輸?shù)?-20mA模擬信號，成本高，效率低，維護困難，無法發(fā)揮現(xiàn)場儀表智能化的潛力，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)的全面監(jiān)控和深層次管理。所謂現(xiàn)場總線就是連接智能測量與限制設(shè)備的全數(shù)字式、雙向傳輸、具有多節(jié)點分支結(jié)構(gòu)的通信鏈路。簡潔地說傳統(tǒng)的限制是一條回路，而FCS技術(shù)是各個模塊如限制器、執(zhí)行器、檢測器等掛在一條總線上來實現(xiàn)通信，當(dāng)然傳輸?shù)囊簿褪菙?shù)字信號。主要的總線有Profibus，LonWorks等。三、基本原理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動限制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動限制是指在沒有人干脆參與的狀況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱限制裝置或限制器），使機器，設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被限制量）自動地依據(jù)預(yù)定的規(guī)律運行。自動限制理論是探討自動限制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)。它的發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動調(diào)整原理，主要用于工業(yè)限制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計和制造飛機及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進一步促進并完善了自動限制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動限制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典限制理論，它主要探討單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計題。,,配電自動化自動限制加工四、產(chǎn)生價值自動化技術(shù)的深化發(fā)展，促進了單元技術(shù)的不斷綜合，以CIMS為代表的將來工廠自動化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學(xué)院依據(jù)對美國在CIMS方面較領(lǐng)先的五大公司的長期調(diào)查分析，認為接受先進自動化技術(shù)，如CIMS，可以獲得以下效益：,,四、產(chǎn)生價值a.產(chǎn)品質(zhì)量提高200-500%b.生產(chǎn)率提高40-70%c.設(shè)備利用率提高200-300%d.生產(chǎn)周期縮短30-60%e.在制品削減30-60%f.工程設(shè)計費用削減15-30%g.人力費用削減5-20%h.提高工程師的工作實力300-3500%由此可見，自動化技術(shù)的應(yīng)用，其效益明顯提高。,,,,五、主要應(yīng)用一：調(diào)速器事實上這個離心調(diào)速器不是瓦特獨創(chuàng)的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它事實上不是瓦特的獨創(chuàng)。這是什么呢？就是在那個時期，大家看到風(fēng)力磨坊就是相當(dāng)于離心調(diào)速器的那個飛球，事實上在那個時候，已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是改良了蒸汽機，用了這樣的一個調(diào)速器，但是現(xiàn)在很多人都情愿把這個離心調(diào)速器，掛在瓦特的名下。所以一般的書上，大家看到的是瓦特的離心調(diào)速器，你要看正式的書，假如材料寫的準確的話，只說1788年前后，不準確說哪一天的年頭，因為不是他獨創(chuàng)的。就是說一項科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并不是一個人，就是說瓦特又能獨創(chuàng)蒸汽機又能獨創(chuàng)調(diào)整系統(tǒng)，似乎什么都是他獨創(chuàng)的，事實上他也利用了前人的很多學(xué)問的積累。這是1788年，隨后或許有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動限制系統(tǒng)就是個離心調(diào)速器，當(dāng)時主要就是個蒸汽機，蒸汽機離心調(diào)速器，沒有別的類型，后來進到二十世紀，就是出現(xiàn)了飛機。大家可能知道的，斯佩雷（Sperry）獨創(chuàng)了陀螺，他想方法把陀螺做成一個自動駕駛儀。五、主要應(yīng)用二：火力限制1925年-1940年，斯佩雷（Sperry）的工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力限制，火力限制是這樣的：它這個火力限制，這里一大堆人的地方，這是它主要的核心部分，叫火控指揮儀。火控指揮儀是指什么意思呢？依據(jù)飛機的方位角、凹凸角，飛機在飛的時候還有一個前置角，打前置角，把這個呢，限制火炮，告知火炮。就是這個地方是它的指揮儀，等到火力限制的地方，這里站了三個人，當(dāng)時的術(shù)語叫人工伺服，三個人，為什么三個人呢，一個方位角，一個凹凸角，還有一個引信。因為他那時候還要算出來，就是要指揮儀算，算出來我炮彈飛到你飛機的時候，須要多少時間。引信就是指一個定時器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以須要這三方面的凹凸角、方位角，再加上定時爆炸，才能把飛機打掉。這是1940年前的，這個是美國的火力限制的狀況。但是到真正