自動控制發(fā)展中的若干問題

自動控制發(fā)展中的若干問題1第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三報告內(nèi)容自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中發(fā)展自動控制航天控制的發(fā)展方向團結(jié)協(xié)作為自動控制的發(fā)展做出貢獻(xiàn)2第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三1.自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)1.1從簡單設(shè)備、單性能要求的控制到復(fù)雜的、多目標(biāo)高性能控制。例如：從一臺機器、一個溫箱等簡單控制和單目標(biāo)低性能到機器人控制、大型工業(yè)過程控制、電網(wǎng)控制、特別是復(fù)雜航天器姿軌控、載人飛船返回再入控制和登月控制。3第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三1.自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)

1.2控制領(lǐng)域不斷擴大從工業(yè)控制已進(jìn)入到生物控制、醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、社會經(jīng)濟、人口控制等各個領(lǐng)域。

4第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三1.自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)

1.3控制理論的發(fā)展控制理論的發(fā)展已經(jīng)從簡單的調(diào)節(jié)原理發(fā)展到控制工程論、生物控制論、經(jīng)濟控制論、社會控制論等現(xiàn)代控制理論。目前正在向著智能控制理論的發(fā)展。

5第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三1.自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)

1.4涉及到的學(xué)科物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機、人工智能、信息論、生命科學(xué)以及社會科學(xué)。

6第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系自動控制的研究內(nèi)容大體可分為三大類2.1理論研究1）基礎(chǔ)理論：反饋理論、微積分方程2）應(yīng)用基礎(chǔ)理論：能控能觀、李亞普諾夫穩(wěn)定性。各個領(lǐng)域的控制理論以及各種控制用數(shù)學(xué)工具，如拉氏變換、黎卡迪方程7第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系2.2技術(shù)實現(xiàn)1）各種控制方法的研究如：PID控制、二次型最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及目前出現(xiàn)的各種智能控制方法（模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）8第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系2）系統(tǒng)實現(xiàn)研究系統(tǒng)方案設(shè)計包括：建模、性能指標(biāo)、控制律設(shè)計系統(tǒng)組成包括：系統(tǒng)軟硬件配置設(shè)計、各種配套的敏感器和執(zhí)行器的研制與選擇3）各種運行故障處理的研究9第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系2.3工程應(yīng)用針對各種具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、加工、軟件編制、調(diào)試、測試等，最終實現(xiàn)控制目標(biāo)以及運行過程中的維護、維修。10第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系2.4系統(tǒng)集成的各個部分都具有不可替代的獨特作用自動控制之所以能在生產(chǎn)實際、科學(xué)研究和國防建設(shè)中起作用，需要上述各部分有機的、統(tǒng)一的工作。各部分的發(fā)展有互相推動的作用，從自動控制發(fā)展的歷史中可以看出，應(yīng)用推動技術(shù)，技術(shù)推動理論，理論又反過來促使技術(shù)的發(fā)展和指導(dǎo)實際應(yīng)用。11第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.1自動控制發(fā)展的兩條途徑1）應(yīng)用——技術(shù)——理論——應(yīng)用2）理論——技術(shù)——應(yīng)用控制理論這門學(xué)科和其它任何學(xué)科一樣，產(chǎn)生于生產(chǎn)實踐和科學(xué)試驗?？刂评碚撔纬桑喊炎詣涌刂浦械钠毡橐?guī)律抽象出來；其它科學(xué)的發(fā)展如數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等。12第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.2從控制理論形成的歷史看自動控制的發(fā)展幾千年來，我國人民在自動控制技術(shù)方面有過卓越的貢獻(xiàn)。早在兩千年前，我國就發(fā)明了開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)——指南針，北宋（公元1086-1089年）我國又發(fā)明了閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)——水運儀象臺。大約經(jīng)過七百年以后，在英國和俄國等國家，開始將自動控制技術(shù)應(yīng)用到近代工業(yè)中。此后隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。13第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制1788年瓦特發(fā)明蒸汽機的離心調(diào)速器。1868年麥克斯韋爾研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，控制理論最早的論文“論調(diào)節(jié)器”。1892年俄國Lyapunov的博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了Lyapunov的穩(wěn)定理論，20世紀(jì)10年代提出了PID控制律。14第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制20世紀(jì)40年代是系統(tǒng)與控制思想空前活躍的年代，1945年貝塔朗菲的《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，1948年維納的《控制論》。1954年，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森在美國發(fā)表了同樣著名的《工程控制論》一書，主要面向工程應(yīng)用。20世紀(jì)50-60年代，人類開始征服太空，1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，1969年美國阿波羅載人飛船成功登上月球。在這些舉世矚目的成功中，自動控制起著不可磨滅的作用。產(chǎn)生了“現(xiàn)代控制理論”（動態(tài)規(guī)劃、極大值原理、狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制理論）。15第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.3需求與推動3.3.1重大工程的需求：以航天為例，航天控制可分為三大部分：衛(wèi)星、載人航天、深空探測關(guān)于載人航天的一些情況16第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制“神舟”號載人飛船歷經(jīng)7年的論證、設(shè)計、攻關(guān)、建造、試驗后，1999年11月20日“神舟”一號飛船發(fā)射升空，正常運行一天后，準(zhǔn)確著陸在預(yù)定區(qū)域?！吧裰邸倍栔痢吧裰邸彼奶栵w船飛行試驗，為載人飛行奠定了基礎(chǔ)。2003年10月15日中國第一艘載人飛行的“神舟”五號飛船發(fā)射升空，運行15圈后圓滿回收；航天員健康、正常地走出返回艙。17第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三圖：楊利偉在返回艙開啟后招手致意18第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制重點介紹載人航天控制中的一些問題。1）制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)（GNC系統(tǒng)）采用姿態(tài)控制和軌道控制一體化設(shè)計的方法，實現(xiàn)了對飛船的自主運動控制；返回再入段采用升力控制技術(shù)返回再入自適應(yīng)控制19第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制2）應(yīng)急救生分系統(tǒng)待發(fā)段（零高度）的救生

之一：豎立在試驗臺上的飛船與即將合攏的整流罩之二：正在安裝逃逸飛行器的部件20第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制發(fā)射段應(yīng)急救生

之三：逃逸主發(fā)動機和逃逸控制發(fā)動機正在點火工作，逃逸飛行器在飛行中21第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制發(fā)射段應(yīng)急救生

之四：“神舟”號飛船返回艙從逃逸飛行器中分離22第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制運行段及返回段應(yīng)急救生

之五：“神舟”號飛船返回艙打開主降落傘，并拋掉防熱大底，準(zhǔn)備安全著陸23第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.3.2科學(xué)發(fā)展的需求：生命科學(xué)、機器人3.3.3前沿課題的推動：控制理論發(fā)展中的一些問題。例如：非線性時變不確定系統(tǒng)、智能控制的理論問題。24第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.4智能控制是自動控制發(fā)展的第三個里程碑復(fù)雜工程系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等需求原有控制理論進(jìn)一步發(fā)展的需求其他科學(xué)發(fā)展的推動25第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中

發(fā)展自動控制3.5智能控制發(fā)展的兩個方向1)人機結(jié)合的智能控制2)智能自主控制26第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制

4.1 什么是航天器智能自主控制航天器智能自主控制，就是在航天器控制系統(tǒng)中引入人工智能與智能控制技術(shù)，使航天器控制系統(tǒng)能長期在無外界干預(yù)（無地面測控站干預(yù)）條件下正常運行。27第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.2 發(fā)展航天器智能自主控制技術(shù)的必要性(1)航天控制高性能與強適應(yīng)性的需要

(2)長期可靠運行的需要

(3)在軌運行的衛(wèi)星數(shù)量增加的需要

(4)地面測控資源有限的需要

(5)國防事業(yè)的需要

4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制

28第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.3 發(fā)展航天器智能自主控制技術(shù)的可行性(1)人工智能、信息論以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為航天器控制技術(shù)向著智能化、自主化方向發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。(2)微電子、計算機及各種敏感器和執(zhí)行器等相關(guān)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為航天控制的智能化、自主化發(fā)展提供了技術(shù)和物質(zhì)條件。

4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制

29第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制4.4 航天器智能自主控制技術(shù)研究的目標(biāo)(1)航天器在不確定或不確知環(huán)境下能保證其高精度、高可靠性并平穩(wěn)自主運行；(2)當(dāng)在軌環(huán)境或航天器內(nèi)部發(fā)生變化或出現(xiàn)故障時，能根據(jù)變化特征自主地修改控制器以適應(yīng)其變化；(3)當(dāng)航天器運行過程中遇到某些事先未預(yù)料的情況時，能有臨場決策的能力。30第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制4.5航天器智能自主控制需研究的問題4.5.1控制理論方面4.5.2在控制系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)方面31第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制4.5.1控制理論方面1）建模理論：時變、非線性、不確定性對象、多回路、多變量、多目標(biāo)高性能控制的模型2）智能控制設(shè)計原則、工具3）智能控制目標(biāo)的能達(dá)性和穩(wěn)定性理論4）自主控制的可行性及充要條件5）新的控制數(shù)學(xué)研究32第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三4.航天控制的發(fā)展方向

——航天器智能自主控制4.5.2在控制系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)方面從整個系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究，包括測量信息星上自主獲取的新型航天敏感器和信息融合處理問題；星載計算機處理能力問題；執(zhí)行機構(gòu)的智能化水平和能力問題；自主故障診斷技術(shù)，各部件的備份、配置和重組問題。

33第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三5.團結(jié)協(xié)作為自動控制的發(fā)展做出貢獻(xiàn)5.1自動控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工程需要每個部門相互協(xié)作，相互配合，才能做出貢獻(xiàn)。34第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三5.團結(jié)協(xié)作為自動控制的發(fā)展做出貢獻(xiàn)5.2建立多標(biāo)準(zhǔn)的評價體系在自動控制領(lǐng)域工作的人員基本可分為如下幾種：

自動控制基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究自動控制技術(shù)實現(xiàn)研究自動控制工程應(yīng)用研究

根據(jù)不同工作性質(zhì)建立不同的評價標(biāo)準(zhǔn)35第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期三5.團結(jié)協(xié)作為自動控制的發(fā)展做出貢獻(xiàn)5.3樹立團隊精