復(fù)制自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程與現(xiàn)代制造業(yè)的應(yīng)用

自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程與現(xiàn)代制造業(yè)的應(yīng)用

21現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用2

自動(dòng)控制理論涉及到的問(wèn)題3主要內(nèi)容651自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程11.自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展分為以下幾個(gè)發(fā)展階段經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論自動(dòng)控制的發(fā)展過(guò)程4智能控制自學(xué)習(xí)控制自適應(yīng)/魯棒控制隨機(jī)控制控制復(fù)雜性進(jìn)展方向最優(yōu)控制反饋控制開(kāi)環(huán)控制5經(jīng)典控制理論單輸入單輸出反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖6現(xiàn)代控制理論具有多個(gè)相互耦合回路的多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控制能控性和能觀性卡爾曼濾波第一階段：經(jīng)典控制理論

7研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎搿獑屋敵鱿到y(tǒng)（線性定常系統(tǒng)）研究方法：以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析方法。代表人物：維納（《控制論》）、伯德（伯德圖法）和伊文思（根軌跡法）。主要事件（1）美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938),以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法（2）美國(guó)W.Evans提出根軌跡法（RootLocusMethod）(1948),以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)象的經(jīng)典控制研究工作完成。（3）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(qián)學(xué)深的《工程控制論》（EngineeringCybernetics）(4)C.Shannon提出繼電器邏輯自動(dòng)化理論（1938），隨后，發(fā)表專(zhuān)著《通信的數(shù)字理論》（TheMathematicalTheoryofCommunication）,奠定了信息論的基礎(chǔ)?？偨Y(jié)經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法，以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡(jiǎn)便。優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點(diǎn)只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。8第二階段：現(xiàn)代控制理論研究對(duì)象：多輸入—多輸出系統(tǒng)（線性定?；蚍蔷€性時(shí)變系統(tǒng)）研究方法：狀態(tài)空間方法代表人物：龐特里亞金（極大值原理）、貝爾曼（動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理）、卡爾曼（卡爾曼濾波）等。主要事件（1）蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過(guò)程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理（MaximumPrinciple）(1956)(2)美國(guó)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）（3）國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC）成立（1957），中國(guó)為發(fā)起國(guó)之一，第一屆學(xué)術(shù)會(huì)議于莫斯科召開(kāi)（1960）（4）羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法9理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)。（5）20世紀(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國(guó)，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面做出了貢獻(xiàn)?？偨Y(jié)現(xiàn)代控制理論是在航天、航空、導(dǎo)彈等軍事尖端技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出越來(lái)越高的要求的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的。要求設(shè)計(jì)高精度、快速響應(yīng)、低消耗、低代價(jià)的控制系統(tǒng)；被控制對(duì)象越來(lái)越大型、復(fù)雜、綜合化，從單個(gè)局部自動(dòng)化發(fā)展成綜合集成自動(dòng)化10傳統(tǒng)控制理論面臨的難題

（1）精確數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性、不完全性之間的矛盾，導(dǎo)致無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型；（2）苛刻的系統(tǒng)假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不相吻合（3）復(fù)雜、不確定性的對(duì)象,以傳統(tǒng)方法無(wú)法解決建模問(wèn)題。（4）為了提高性能,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜,從而增加了設(shè)備的初投資和維修費(fèi)用,降低系統(tǒng)的可靠性。（5）應(yīng)用要求進(jìn)行創(chuàng)新，提出新的控制思想，進(jìn)行新的集成開(kāi)發(fā)，解決未知環(huán)境中復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題11

第三階段：智能理論

智能控制的定義定義1.1智能機(jī)器

能夠在定形或不定形，熟悉或不熟悉的環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以執(zhí)行各種擬人任務(wù)（anthropomorphictasks）的機(jī)器?；蛘弑容^通俗地說(shuō)，智能機(jī)器是那些能夠自主地代替人類(lèi)從事危險(xiǎn)、厭煩、遠(yuǎn)距離或高精度等作業(yè)的機(jī)器。例如，能夠從事這類(lèi)工作的機(jī)器人，就屬于智能機(jī)器人。定義1.2自動(dòng)控制

自動(dòng)控制是能按規(guī)定程序?qū)C(jī)器或裝置進(jìn)行自動(dòng)操作或控制的過(guò)程。簡(jiǎn)單地說(shuō)，不需要人工干預(yù)的控制就是自動(dòng)控制。反饋控制、最優(yōu)控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和自學(xué)習(xí)控制等均屬自動(dòng)控制．定義1.3智能控制（見(jiàn)下頁(yè)從不同的角度定義）

智能控制是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程?；蛘哒f(shuō)，智能控制是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。對(duì)自主機(jī)器人的控制就是一例。12定義1.4智能控制系統(tǒng)（IntelligentControlSystems）

用于驅(qū)動(dòng)自主智能機(jī)器以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)而無(wú)需操作人員干預(yù)的系統(tǒng)叫智能控制系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)必須具有智能調(diào)度和執(zhí)行等能力。智能控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是人工智能、控制論、運(yùn)籌學(xué)和信息論等學(xué)科的交叉。研究對(duì)象：是指眾多因素復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、資源分配系統(tǒng)、生態(tài)和環(huán)境系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等。研究方法：基于時(shí)域法為主，通過(guò)大系統(tǒng)的多級(jí)遞階控制、分解—協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制和大系統(tǒng)模型降階理論，解決大系統(tǒng)的最優(yōu)化。代表人物：F.W.史密斯、傅京孫、曼德尼。主要事件

（1）60年代初期，Smith提出采用性能模式識(shí)別器來(lái)學(xué)習(xí)最優(yōu)控制法以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。（2）

模糊控制是智能控制的又一活躍研究領(lǐng)域。扎德(Zadeh)于1965年發(fā)表了他的著名論文“模糊集合”(fuzzysets),開(kāi)辟了模糊控制的新領(lǐng)域。13（3）1966年,Mendel提出了“人工智能控制”的概念。（4）1967年，Leondes和Mendel正式使用“智能控制”，標(biāo)志著智能控制思路已經(jīng)形成。70年代初期，傅京孫、Gloriso和Saridis提出分級(jí)遞階智能控制。并成功應(yīng)用于核反應(yīng)、城市交通控制領(lǐng)域。（5）70年代中期，Mamdani創(chuàng)立基于模糊語(yǔ)言描述控制規(guī)則的模糊控制器，并成功用于工業(yè)控制。（6）1985年8月美國(guó)紐約，IEEE召開(kāi)了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)，成立IEEE智能控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)。（7）1987年1月美國(guó)費(fèi)城，第一次智能控制國(guó)際會(huì)議。標(biāo)志著智能控制作為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，正式在國(guó)際上建立。（8）國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

1993，1997，2000，2004，2006，2007，2010，在北京、西安、合肥、杭州、大連、重慶、濟(jì)南分別召開(kāi)多屆全球智能控制與自動(dòng)化大會(huì)。成立中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能控制與智能管理專(zhuān)業(yè)委員會(huì)及智能機(jī)器人專(zhuān)

14業(yè)委員會(huì)，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)等學(xué)術(shù)團(tuán)體。

《模式識(shí)別與人工智能》、《智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)刊物。標(biāo)志著智能控制作為一門(mén)獨(dú)立的新學(xué)科在我國(guó)已經(jīng)建立起來(lái)了。

智能控制作為一門(mén)新學(xué)科的科學(xué)意義為解決傳統(tǒng)控制無(wú)法解決的問(wèn)題找到了一條新途徑；促進(jìn)自動(dòng)控制向著更高水平發(fā)展；激發(fā)學(xué)術(shù)界的思想解放，推動(dòng)科技創(chuàng)新；為實(shí)現(xiàn)腦力勞動(dòng)和體力勞動(dòng)的自動(dòng)化做出貢獻(xiàn)；為多種學(xué)派合作樹(shù)立了典范15模糊控制以模糊集合理論為基礎(chǔ)的控制方法，模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)而不是依賴控制對(duì)象的模型。與常規(guī)控制方法相比，模糊控制有以下特點(diǎn)：①模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，無(wú)需建立數(shù)學(xué)模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑。②模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)的控制。③由離線計(jì)算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。④控制的機(jī)理符合人們對(duì)過(guò)程控制作用的直觀描述和思維邏輯，為智能控制應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。16模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)17神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分地表現(xiàn)出人腦的某些智能特性，人們從結(jié)構(gòu)和信息處理機(jī)制模擬的角度建立了生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然反映了人腦功能的基本特性，但遠(yuǎn)不是自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼真描寫(xiě)，而只是它的某種簡(jiǎn)化、抽象和模擬。

18人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有幾個(gè)突出的特點(diǎn)：①可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；②所有定量或定性的信息都分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各神經(jīng)元的連接上，故有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性；③采用并行分布處理方法，使得快速進(jìn)行大量運(yùn)算成為可能；④可學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不知道或不確定的系統(tǒng)。

19專(zhuān)家控制系統(tǒng)專(zhuān)家系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域最成功的分支之一，始于60年代中期。隨著應(yīng)用的不斷成功，專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)越來(lái)越受人們的重視。

80年代專(zhuān)家系統(tǒng)的概念和方法被引入控制領(lǐng)域，促進(jìn)了專(zhuān)家控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，它在控制領(lǐng)域的應(yīng)用已涉及到控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)、分析和專(zhuān)家控制等方面。20專(zhuān)家控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①它在一定程度上模擬人的思維活動(dòng)規(guī)律，能進(jìn)行自動(dòng)推理，善于應(yīng)付各種變化，具有透明性和靈活性。②它可以不斷監(jiān)督生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)特定性能指標(biāo)下的優(yōu)化控制，能處理大量低層信息，可進(jìn)行操作指導(dǎo)。③相對(duì)傳統(tǒng)控制，擴(kuò)展了許多功能，如復(fù)雜系統(tǒng)的高質(zhì)量控制，故障診斷和容錯(cuò)控制，參數(shù)和算法的自動(dòng)修改，不同算法的組合等。④深層知識(shí)的引入，可以彌補(bǔ)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的不足，可以自然地消除決策沖突。2122直接專(zhuān)家控制系統(tǒng)框圖(b)間接專(zhuān)家控制系統(tǒng)框圖分層遞階智能控制分層遞階智能控制是在研究學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從工程控制出發(fā)，總結(jié)人工智能與自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制及自組織控制的關(guān)系后逐漸形成的。G．N．Sariidis最早提出了分層遞階智能控制。

分層遞階智能控制具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：

①對(duì)控制來(lái)講，自上而下控制精度愈來(lái)愈高；

②對(duì)識(shí)別來(lái)講，自下而上信息回饋愈來(lái)愈粗略。23

24

該系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)組成，按照自上而下精確程度漸增、智能程度漸減的原則進(jìn)行功能分配。在這類(lèi)多層智能控制系統(tǒng)中，智能主要體現(xiàn)在高層次上，其主要作用是模仿人的功能實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)和任務(wù)協(xié)調(diào)等任務(wù)。執(zhí)行級(jí)仍然采用現(xiàn)有數(shù)學(xué)解析控制算法，對(duì)數(shù)值進(jìn)行操作和運(yùn)算。學(xué)習(xí)控制模擬人類(lèi)自身各種優(yōu)良控制調(diào)節(jié)機(jī)制的一種嘗試，能在運(yùn)行過(guò)程中逐步獲得被控過(guò)程及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類(lèi)、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)和優(yōu)化來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，好的優(yōu)化理論和算法是其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。遺傳算法有潛力。2526

在智能控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，常將幾種常用類(lèi)型結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成各種綜合智能控制系統(tǒng)。例如，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)，專(zhuān)家模糊智能控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家智能控制系統(tǒng)等等?，F(xiàn)代控制理論、經(jīng)典控制理論和大系統(tǒng)理論對(duì)比表如圖1.1所示。27

經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論大系統(tǒng)理論對(duì)象單輸入-單輸出線性定常系統(tǒng)線性與非線性、定常與時(shí)變、單變與多變量、連續(xù)與離散系統(tǒng)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、關(guān)聯(lián)嚴(yán)重、信息不完備的信息系統(tǒng)方法頻域法時(shí)域矩陣法時(shí)域法數(shù)學(xué)工具拉氏變換矩陣與向量空間理論控制論、運(yùn)籌學(xué)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)狀態(tài)方程與輸出方程子系統(tǒng)基本內(nèi)容

時(shí)域法、頻域法、根軌跡法、描述函數(shù)法、相平面法、代數(shù)與幾何穩(wěn)定判據(jù)、校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、Z變化法

線性系統(tǒng)基礎(chǔ)理論（包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)的分析、穩(wěn)定性的分析、能控性與能觀測(cè)性、狀態(tài)反饋與觀測(cè)器）、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、最優(yōu)濾波及魯棒性控制。多級(jí)遞階控制，分解-協(xié)調(diào)原理、分散最優(yōu)控制、大系統(tǒng)型模降階理路主要問(wèn)題穩(wěn)定性性問(wèn)題最優(yōu)化問(wèn)題系統(tǒng)的最優(yōu)化控制裝置無(wú)源與有源RC網(wǎng)絡(luò)數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)著眼點(diǎn)輸出狀態(tài)方程與輸出方程大系統(tǒng)的最優(yōu)化評(píng)價(jià)具體情況具體分析，適宜處理較簡(jiǎn)單系統(tǒng)的控制問(wèn)題具有優(yōu)越性，更適合處理復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題應(yīng)用控制和管理的思路，適用于多學(xué)科交叉綜合的研究控制領(lǐng)域281現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用2

自動(dòng)控制理論涉及到的問(wèn)題3主要內(nèi)容651自動(dòng)控制理論發(fā)展歷程1第一階段經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論主要用于解決反饋控制系統(tǒng)中控制器的分析與設(shè)計(jì)的問(wèn)題。圖1為反饋控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理框圖。經(jīng)典控制理論中廣泛使用的頻率法和根軌跡法,是建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的。典型的經(jīng)典控制理論包括PID控制、Smith控制、解藕控制、Dalin控制、串級(jí)控制等。經(jīng)典控制理論的局限性第一,經(jīng)典控制理論建立在傳遞函數(shù)和頻率特性的基礎(chǔ)上,而傳遞函數(shù)和頻率特性均屬于系統(tǒng)的外部描述(只描述輸人量和輸出量之間的關(guān)系),不能充分反映系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài);第二,無(wú)論是根軌跡法還是頻率法,本質(zhì)上是頻域法(或稱(chēng)復(fù)域法),都要通過(guò)積分變換(包括拉普拉斯變換、傅立葉變換、Z變換),因此原則上只適29宜于解決“單輸入一單輸出”線性定常系統(tǒng)的問(wèn)題,對(duì)“多輸入一多輸出”系統(tǒng)不宜用經(jīng)典控制理論解決,特別是對(duì)非線性、時(shí)變系統(tǒng)更是無(wú)能為力。第三，經(jīng)典控制理論采用試探法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用合適的、簡(jiǎn)單的、工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。雖然這種設(shè)計(jì)方法具有實(shí)用等很多優(yōu)點(diǎn)，但是，在推理上卻是不能令人滿意的，效果也不是最佳的，人們自然提出這樣一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)一個(gè)特定的應(yīng)用課題，能否找到最佳的設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)試驗(yàn)方法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。經(jīng)典控制理論的重點(diǎn)時(shí)域法、頻域法、根軌跡法30第二階段現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論正是為了克服經(jīng)典控制理論的局限性而在20世紀(jì)50、60年代逐步發(fā)展起來(lái)的。現(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的可控性、可觀測(cè)性、穩(wěn)定性以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。隨著現(xiàn)代科學(xué)