自動控制前沿

自動控制前沿第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(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控制前沿附言第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月一、自動控制簡介自動控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高控制效率。自動控制是工程科學(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)。我們今天稱作自動控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支?；A(chǔ)的結(jié)論是由諾伯特·維納，魯?shù)婪颉た柭岢龅?。?頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月諾伯特·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)，最后轉(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(jì)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《控制論》(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《昔日神童》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，控制論的創(chuàng)始人，在電子工程方面貢獻(xiàn)良多。他是隨機(jī)過程和噪聲過程的先驅(qū)，又提出了“控制論”的一詞。他先后留學(xué)于英國劍橋大學(xué)和德國哥丁根大學(xué)，在羅素、哈代、希爾伯特等著名數(shù)學(xué)家指導(dǎo)下研究邏輯和數(shù)學(xué)。第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果一：建立維納測度維納是第一個從數(shù)學(xué)上深刻地研究布朗運動的數(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，所有這些路徑除了概率為O的集合外，都是連續(xù)但又不光滑即幾乎處處不可微的。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(jī)函數(shù)的嚴(yán)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出發(fā)，研究“路徑”的集合，引進(jìn)維納測度，揭示了連續(xù)而不可微函數(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，更重要的是開辟了嶄新的研究領(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。維納的這項研究可以說是現(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(jī)積分論。第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果二：引進(jìn)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。維納在短時間里繼續(xù)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提供了基礎(chǔ)。后來維納逐漸離開了這個領(lǐng)域，但他對泛函分析這一20世紀(jì)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。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(xiàn)。對于給定連續(xù)邊值函數(shù)的狄利克雷問題，得出了確切的廣義群。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(rèn)為，它應(yīng)當(dāng)同邊界上給出的那些值完全一致。維納遵照他業(yè)已研究過的類似于廣義積分的概念，注意到一個區(qū)域內(nèi)部的勢可以被看作是由邊界周圍的勢的線性組合決定，即使按照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(kuò)展了位勢理論的許多概念，包括電荷和電容的概念。這一成果的意義在于，新理論認(rèn)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(jìn)了一股清新的空氣。第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果四：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(dá)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(qiáng)有力的高度獨創(chuàng)的方法，即非零絕對收斂傅立葉級數(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。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果五：發(fā)現(xiàn)維納—霍普夫方法1930年前后，維納與天文學(xué)家霍普夫合作，共同研究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)的研究，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。它已成為研究各種數(shù)學(xué)物理問題的一種常用方法。維納創(chuàng)造性地說明，維納—霍普夫方程最引人注目的應(yīng)用表現(xiàn)在兩種進(jìn)程間的分界是時間上的而非空間的，這正是在預(yù)測理論的某些方面可應(yīng)用的非常適當(dāng)?shù)墓ぞ?。他進(jìn)一步指出，還有許多關(guān)于儀器研究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年代以后，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(kuò)展到許多其他領(lǐng)域，如中子遷移、電磁波衍射、控制論、多體問題及入口理論等。第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果六：提出維納濾波理論在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力控制和雷達(dá)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)推知未來的維納濾波公式，建立了在最少均方誤差準(zhǔn)則下將時間序列外推進(jìn)預(yù)測的維納濾波理論。維納的這項工作為設(shè)計自動防空控制炮火等方面的預(yù)測問題提供了理論依據(jù)，并為評價一個通訊和控制系統(tǒng)加工信息的效率和質(zhì)量從理論上開辟了一條途徑。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(jìn)統(tǒng)計因素并使用了自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)，事實證明這是極其重要的。維納濾波模型在50年代被推廣到僅在有限時間區(qū)間內(nèi)進(jìn)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(kuò)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)測未來的有力工具之一。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果七：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出發(fā)來研究信息論，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件的時間序列，把通信看作統(tǒng)計問題，在數(shù)學(xué)上作為平穩(wěn)隨機(jī)過程及其變換來研究。他闡明了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)用開辟了廣闊的前景。信息論創(chuàng)立者申農(nóng)說：“光榮應(yīng)歸于維納教授”。第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月維納主要成果八：創(chuàng)立控制論維納對科學(xué)發(fā)展所作出的最大貢獻(xiàn)，是創(chuàng)立控制論。這是一門以數(shù)學(xué)為紐帶，把研究自動調(diào)節(jié)、通信工程、計算機(jī)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)心的共性問題聯(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《控制論》，1948年出版后，立即風(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(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律；為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究提供了嶄新的科學(xué)方法；它從多方面突破了傳統(tǒng)思想的束縛，有力地促進(jìn)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，控制論已有了許多重大發(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。他定義控制論為：“設(shè)有兩個狀態(tài)變量，其中一個是能由我們進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而另一個則不能控制。這時我們面臨的問題是如何根據(jù)那個不可控制變量從過去到現(xiàn)在的信息來適當(dāng)?shù)卮_定可以調(diào)節(jié)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)。”第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月魯?shù)婪颉た柭≧udolfEmilKalman）

1953年于麻省理工學(xué)院獲得電機(jī)工程學(xué)士，第二年獲得碩士學(xué)位。1957年于哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位。1964年至1971年任職斯坦福大學(xué)。1971年至1992年任佛羅里達(dá)大學(xué)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(dá)。2009年獲美國國家科學(xué)獎?wù)?。?3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月魯?shù)婪颉た柭呢暙I(xiàn)卡爾曼濾波的一個典型實例是從一組有限的，包含噪聲的，對物體位置的觀察序列（可能有偏差）預(yù)測出物體的位置的坐標(biāo)及速度。在很多工程應(yīng)用(如雷達(dá)、計算機(jī)視覺)中都可以找到它的身影。同時，卡爾曼濾波也是控制理論以及控制系統(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(dá)到最小的線性系統(tǒng)，這種濾波方法以它的發(fā)明者魯?shù)婪?E.卡爾曼的名字命名為卡爾曼濾波。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、歷史發(fā)展第一代過程控制體系：是150多年前基于5－13psi的氣動信號標(biāo)準(zhǔn)（氣動控制系統(tǒng)PCS，PneumaticControlSystem）。簡單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。

第二代過程控制體系（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(jìn)步，在整整25年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個自動控制領(lǐng)域。它標(biāo)志了電氣自動控制時代的到來?？刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)；控制室的設(shè)立，控制功能分離的模式一直沿用至今。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、歷史發(fā)展第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）.70年代開始了數(shù)字計算機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，人們在測量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過程控制體系（CCS，ComputerControlSystem）。這個被稱為第三代過程控制體系是自動控制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計算機(jī)的特長，于是人們普遍認(rèn)為計算機(jī)能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計算機(jī)系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿用4－20mA的模擬信號，但是時隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問題，失控的危險也集中了，稍有不慎就會使整個系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（DCS）。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第四代過程控制體系（DCS，DistributedControlSystem分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機(jī)技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過程控制體系（DCS，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點是整個控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺計算機(jī)，而是由幾臺計算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個了控制系統(tǒng)。于是分散控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賴于4－20mA的模擬信號，而逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。二、歷史發(fā)展第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、歷史發(fā)展第五代過程控制體系（FCS，F(xiàn)ieldbusControlSystem現(xiàn)場總線控制系統(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。“分散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是FCS與DCS的真正的區(qū)別在于FCS有更廣闊的發(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(dá)到現(xiàn)場控制站一級，現(xiàn)場控制站與現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行器之間的聯(lián)系仍采用一對一傳輸?shù)?-20mA模擬信號，成本高，效率低，維護(hù)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控制設(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。簡單地說傳統(tǒng)的控制是一條回路，而FCS技術(shù)是各個模塊如控制器、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。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基本原理在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機(jī)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)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制理論是研究自動控制共同規(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)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制，二戰(zhàn)期間為了設(shè)計和制造飛機(jī)及船用自動駕駛儀，火炮定位系統(tǒng)，雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及其他基于反饋原理的軍用設(shè)備，進(jìn)一步促進(jìn)并完善了自動控制理論的發(fā)展。到戰(zhàn)后，以形成完整的自動控制理論體系，這就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，它主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計題。,,第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月配電自動化自動控制加工第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、產(chǎn)生價值自動化技術(shù)的深入發(fā)展，促進(jìn)了單元技術(shù)的不斷綜合，以CIMS為代表的未來工廠自動化技術(shù)，正不斷顯示出其巨大的效益，以美國科學(xué)院根據(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(rèn)為采用先進(jìn)自動化技術(shù)，如CIMS，可以獲得以下效益：,,第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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.在制品減少30-60%f.工程設(shè)計費用減少15-30%g.人力費用減少5-20%h.提高工程師的工作能力300-3500%由此可見，自動化技術(shù)的應(yīng)用，其效益明顯提高。,,第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月,,五、主要應(yīng)用一：調(diào)速器實際上這個離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它實際上不是瓦特的發(fā)明。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，實際上在那個時候，已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是改良了蒸汽機(jī)，用了這樣的一個調(diào)速器，但是現(xiàn)在很多人都愿意把這個離心調(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，假如材料寫的確切的話，只說1788年前后，不確切說哪一天的年代，因為不是他發(fā)明的。就是說一項科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并不是一個人，就是說瓦特又能發(fā)明蒸汽機(jī)又能發(fā)明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，好像什么都是他發(fā)明的，實際上他也利用了前人的很多知識的積累。這是1788年，隨后大概有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動控制系統(tǒng)就是個離心調(diào)速器，當(dāng)時主要就是個蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，沒有別的類型，后來進(jìn)到二十世紀(jì)，就是出現(xiàn)了飛機(jī)。大家可能知道的，斯佩雷（Sperry）發(fā)明了陀螺，他想辦法把陀螺做成一個自動駕駛儀。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月五、主要應(yīng)用二：火力控制

1925年-1940年，斯佩雷（Sperry）的工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是這樣的：它這個火力控制，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?；鹂刂笓]儀是指什么意思呢？根據(jù)飛機(jī)的方位角、高低角，飛機(jī)在飛的時候還有一個前置角，打前置角，把這個呢，控制火炮，告訴火炮。就是這個地方是它的指揮儀，等到火力控制的地方，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，一個高低角，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(jī)的時候，需要多少時間。引信就是指一個定時器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以需要這三方面的高低角、方位角，再加上定時爆炸，才能把飛機(jī)打掉。這是1940年前的，這個是美國的火力控制的情況。但是到真正我們核心搞控制的人來說，火炮控制部分是人工伺服，humanservo。,,第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月,,五、主要應(yīng)用三：指揮儀斯佩雷（Sperry）公司研究，主要它的工作就是指揮儀。這個指揮儀怎么工作，大家可以看到，這個火炮