自動控制的發(fā)展歷程及現(xiàn)代技術

自動控制的發(fā)展歷程及現(xiàn)代技術第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六主要內容1.自動控制技術的發(fā)展歷程2.自動控制的現(xiàn)代技術前期控制(EarlyControl)(1400B.C.－1900)經(jīng)典控制前期(ThePre-classicalPeriod)(1900－1935)經(jīng)典控制(ClassicalControl)(1935－1950)現(xiàn)代控制(ModernControl)(1950－現(xiàn)在)魯棒控制模糊控制專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡控制預測控制第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六中國，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)展歷程第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

秦昭王時，李冰主持修筑都江堰體現(xiàn)的系統(tǒng)觀念和實踐(300B.C.)

前期控制自動控制的發(fā)展歷程第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

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)展歷程第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風地動儀(132年)

前期控制自動控制的發(fā)展歷程第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

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)展歷程第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

中國明代宋應星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結構圖(1637年)前期控制自動控制的發(fā)展歷程第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

英國J.Watt用離心式調速器控制蒸汽機的速度(1788年)前期控制自動控制的發(fā)展歷程第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

英國J.C.Maxwell發(fā)表“論調速器”(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)展歷程第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

英國J.M.Gray設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)展歷程第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

由徐壽設計的中國第一艘蒸汽輪船“黃鵠”號(L20m,25T,10km/hr)在安慶內軍械所下水(1866)。次年，中國第一艘木質明輪蒸汽艦船“恬古”號在江南造船廠下水前期控制自動控制的發(fā)展歷程第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國福特(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)展歷程第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結構，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(DifferentialAnalyzer)(1928)

經(jīng)典控制前期自動控制的發(fā)展歷程第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國H.S.Black提出放大器性能的負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)

經(jīng)典控制前期自動控制的發(fā)展歷程第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六自動控制的基礎為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener給出的定義為：“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

閉環(huán)控制系統(tǒng)的結構框圖：

經(jīng)典控制前期自動控制的發(fā)展歷程第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國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)展歷程第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應法

美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調整法(1942)

N.B.Nichols經(jīng)典控制自動控制的發(fā)展歷程第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標志著控制論學科的誕生。

經(jīng)典控制自動控制的發(fā)展歷程第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國的H.Hazen發(fā)表“關于伺服結構理論”(TheoryofServome-chanism)(1934)，并在MIT建立伺服機構實驗室(ServomechanismLaboratory)(1939)

經(jīng)典控制自動控制的發(fā)展歷程第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六英國A.M.Turine提出圖靈計算機的設想(1937)在貝爾實驗室Bode領導的火炮控制系統(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(1948)

經(jīng)典控制自動控制的發(fā)展歷程第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達控制系統(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)展歷程第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國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)，以及錢學森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)

經(jīng)典控制自動控制的發(fā)展歷程第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(1957)國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學術會議于莫斯科召開(1960)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六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)展歷程第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

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，最佳調節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(1960)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六蘇聯(lián)東方-１號飛船載著加加林進入人造地球衛(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)展歷程第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六1963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)展歷程第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國的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(1958)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六蘇聯(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)展歷程第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六瑞典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，提出了自啟調節(jié)器，建立自適應控制的基礎。Astrom于1993年獲得IEEEMedalofHonor。

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六英國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)展歷程第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國ARPA計算機網(wǎng)絡初步建成(1971)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國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)展歷程第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六加拿大G.Zames提出H

魯棒控制設計方法(1981年)現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功(1981年)

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六美國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)展歷程第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六中國批準863高技術計劃，包括自動化領域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六IEEEControlSystemsAward獲得者

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六

旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六以機器人為單元的無人化工廠

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六控制與管理一體化

現(xiàn)代控制自動控制的發(fā)展歷程第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六魯棒性：是指控制系統(tǒng)在一定（結構，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性?，F(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計方法。常用的設計方法有：INA方法，同時鎮(zhèn)定，完整性控制器設計，魯棒控制，魯棒PID控制以及魯棒極點配置，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)代技術第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六魯棒控制方法適用于：穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標的應用，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估。魯棒控制系統(tǒng)的設計要由高級專家完成。一旦設計成功，就不需太多的人工干預。另一方面，如果要升級或作重大調整，系統(tǒng)就要重新設計。魯棒控制自動控制的現(xiàn)代技術第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六模糊控制——其實我很清楚一種利用模糊集合的理論來建立系統(tǒng)模型，設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化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法，這種方法不僅能實現(xiàn)控制，而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。模糊控制自動控制的現(xiàn)代技術第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六模糊控制自動控制的現(xiàn)代技術模糊控制的發(fā)展階段：經(jīng)典模糊控制自適應模糊控制專家模糊控制基于神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習模糊控制其實現(xiàn)方式：由最初在微型機（單片機）上用軟件方法實現(xiàn)發(fā)展到應用模糊控制開發(fā)出模糊計算機進行直接控制。第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六專家系統(tǒng)自動控制的現(xiàn)代技術專家系統(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、推理控制機制以及智能人機接口的研究，是集人工智能和領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)應用人工智能技術，根據(jù)一個或多個人類專家提供的特殊領域知識進行推理，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雜問題。第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六專家系統(tǒng)自動控制的現(xiàn)代技術專家系統(tǒng)的表達式：知識+推理=系統(tǒng)專家系統(tǒng)的組成：知識庫推理機知識獲取部分解釋接口第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六專家系統(tǒng)自動控制的現(xiàn)代技術專家系統(tǒng)主要結構：第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六神經(jīng)網(wǎng)絡控制自動控制的現(xiàn)代技術人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ArtificialNeuralNetwork,ANN):是模仿人類腦神經(jīng)活動的一種人工智能技術。神經(jīng)網(wǎng)絡控制－－模擬人的神經(jīng)元第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六神經(jīng)網(wǎng)絡控制自動控制的現(xiàn)代技術在這種網(wǎng)絡中，學習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)元的權值，使得誤差信號最小。

工作原理：第56頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六神經(jīng)網(wǎng)絡控制自動控制的現(xiàn)代技術常用的基本策略：

監(jiān)督控制直接逆控制神經(jīng)元自適應控制特征和性質：

非線性

平行分布處理硬件實現(xiàn)學習和自適應性

數(shù)據(jù)融合多變量系統(tǒng)

第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期六預測控制自動控制的現(xiàn)代技術預測控制－－未卜先知預測控制:是近年來發(fā)展起來的一類新型的計算機控制算法，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）；廣義預測控制（GPC）；