自動化前沿技術(shù)

自動化的前沿技術(shù)模糊控制——其實我很清楚最優(yōu)控制---“沒有更好只有最好”自適應(yīng)控制——以變制變魯棒控制——以靜制動線性控制理論縱橫非線性控制理論的發(fā)展PID控制——簡而優(yōu)秀預(yù)測控制——未卜先知故障診斷——神醫(yī)妙手人工智能——智慧之巔專家系統(tǒng)——身邊的專家推理控制——經(jīng)驗的作用集散控制系統(tǒng)（DCS）

模糊控制

模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。自從這門科學(xué)誕生以來，它產(chǎn)生了許多探索性甚至是突破性的研究與應(yīng)用成果，同時，這一方法也逐步成為了人們思考問題的重要方法論。

1965年美國的控制論專家L.A.Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合論，從而為描述，研究和處理模糊性現(xiàn)象提供了一種新的工具。一種利用模糊集合的理論來建立系統(tǒng)模型，設(shè)計控制器的新型方法——模糊控制也隨之問世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)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(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對象進行有效的控制。

模糊控制作為智能領(lǐng)域中最具有實際意義的一種控制方法，已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域，家用電器自動化領(lǐng)域和其他很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題，取得了令人矚目的成效。最優(yōu)控制

最優(yōu)控制問題研究的主要內(nèi)容是：怎樣選擇控制規(guī)律才能使控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)在某種意義下為最優(yōu)，求解最優(yōu)控制問題的方法，目前主要的就是上述的兩種方法，另外可能還會用到一些數(shù)值解法。用這些方法已經(jīng)成功的解決了許多動態(tài)控制問題，如最小時間控制，最少燃料控制和最佳調(diào)節(jié)器等。最優(yōu)控制已經(jīng)在航天，航海，導(dǎo)彈，電力系統(tǒng)，控制裝置，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程中得到了比較成功的應(yīng)用，而且在經(jīng)濟系統(tǒng)和社會系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

最優(yōu)控制問題有四個關(guān)鍵點：（1）受控對象為動態(tài)系統(tǒng)。（2）初始與終端條件（時間和狀態(tài)）。（3）性能指標(biāo)。（4）容許控制。而最優(yōu)控制問題的實質(zhì)就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，使動態(tài)系統(tǒng)（受控對象）從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某種要求的終端狀態(tài)，并且保證某種要求的性能指標(biāo)達到最小值或者是最大值。

時至今日，最優(yōu)控制理論的研究，無論在深度或是廣度上，都有了較大的進展。然而，隨著人們對客觀世界認(rèn)識的不斷深化，又提出了一系列有待解決的新問題?？梢院敛豢鋸埖卣f，最優(yōu)控制理論依舊是極其活躍的科學(xué)領(lǐng)域之一。自適應(yīng)控制

在日常生活中，所謂自適應(yīng)是指生物能改變自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。因此，直觀地講，自適應(yīng)控制器應(yīng)當(dāng)是這樣一種控制器，它能修正自己的特性以適應(yīng)對象和擾動的動態(tài)特性的變化。

自適應(yīng)控制的研究對象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機因素。

任何一個實際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。從系統(tǒng)內(nèi)部來講，描述被控對象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。作為外部環(huán)境對系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動來表示。這些擾動通常是不可預(yù)測的。此外，還有一些測量時產(chǎn)生的不確定因素進入系統(tǒng)。面對這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問題。魯棒控制

魯棒控制（RobustControl）方面的研究始于20世紀(jì)50年代。在過去的50年中，魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點。所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。根據(jù)對性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計得到的固定控制器稱為魯棒控制器。

魯棒控制方法，是對時間域或頻率域來說，一般要假設(shè)過程動態(tài)特性的信息和它的變化范圍。一些算法不需要精確的過程模型，但需要一些離線辨識。

一般魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計是以一些最差的情況為基礎(chǔ)，因此一般系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)。常用的設(shè)計方法有：INA方法，同時

鎮(zhèn)定，完整性控制器設(shè)計，魯棒控制，

魯棒PID控制以及魯棒極點配置，魯棒觀測器等。

魯棒控制方法適用于穩(wěn)定性和可靠性作為首要目標(biāo)的應(yīng)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(yù)估。飛機和空間飛行器的控制是這類系統(tǒng)的例子。線性控制理論

線性控制理論是系統(tǒng)與控制理論中最為成熟和最為基礎(chǔ)的一個組成分支，是現(xiàn)代控制理論的基石。系統(tǒng)與控制理論的其他分支，都不同程度地受到線性控制理論的概念、方法和結(jié)果的影響和推動。

嚴(yán)格地說，一切實際的系統(tǒng)都是非線性的，真正的線性系統(tǒng)在現(xiàn)實世界是不存在的。但是，很大一部分實際系統(tǒng)，它們的某些主要關(guān)系特性，在一定的范圍內(nèi)，可以充分精確地用線性系統(tǒng)來加以近似地代表。并且，實際系統(tǒng)與理想化了的線性系統(tǒng)間的差別，對于所研究的問題而言已經(jīng)小到無關(guān)緊要的程度而可予以忽略不計。因此，從這個意義上說，線性系統(tǒng)或者可線性化的系統(tǒng)又是大量存在的，而這正是研究線性系統(tǒng)的實際背景。

簡單說，線性系統(tǒng)理論主要研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運動規(guī)律和改變這種運動規(guī)律的可能性方法，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關(guān)系。在對系統(tǒng)進行研究的過程中，建立合理的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是首要的前提，對于線性系統(tǒng)，常用的模型有時間域模型和頻率域模型，時間域模型比較直觀，而頻率域模型則是一個更強大的工具，而者建立的基本途徑一般都通過解析法和實驗法。

非線性控制理論

對非線性控制系統(tǒng)的研究，到上個世紀(jì)四十年代，已取得一些明顯的進展。主要的分析方法有：相平面法、李亞普諾夫法和描述函數(shù)法等。這些方法都已經(jīng)被廣泛用來解決實際的非線性系統(tǒng)問題。但是這些方法都有一定的局限性，都不能成為分析非線性系統(tǒng)的通用方法。例如，用相平面法雖然能夠獲得系統(tǒng)的全部特征，如穩(wěn)定性、過渡過程等，但大于三階的系統(tǒng)無法應(yīng)用。李亞普諾夫法則僅限于分析系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性問題，而且要求非線性元件的特性滿足一定條件。雖然這些年來，國內(nèi)外有不少學(xué)者一直在這方面進行研究，也研究出一些新的方法，如頻率域的波波夫判據(jù)，廣義圓判據(jù)，輸入輸出穩(wěn)定性理論等。但總的來說，非線性控制系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展階段，遠非完善，很多問題都還有待研究解決，領(lǐng)域十分寬。

非線性控制理論作為很有前途的控制理論，將成為二十一世紀(jì)的控制理論的主旋律，將為我們?nèi)祟惿鐣峁└冗M的控制系統(tǒng)，使自動化水平有更大的飛越。PID控制——簡而優(yōu)秀

PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:

因此它的傳遞函數(shù)為：

它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。

PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器預(yù)測控制

預(yù)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。由于它采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，適用于控制不易建立精確數(shù)字模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，所以它一出現(xiàn)就受到國內(nèi)外工程界的重視，并已在石油、化工、電力、冶金、機械等工業(yè)部門的控制系統(tǒng)得到了成功的應(yīng)用。

下面以模型算法控制為例子來說明預(yù)測控制的基本原理:

由于預(yù)測控制具有適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)過程控制的特點，所以預(yù)測控制具有強大的生命力?？梢灶A(yù)言，隨著預(yù)測控制在理論和應(yīng)用兩方面的不斷發(fā)展和完善，它必將在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮出越來越大的作用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用的前景故障診斷

現(xiàn)代的機械制造系統(tǒng)具有控制規(guī)模大、自動化程度高和柔性化強的特點。由于制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，價格越來越昂貴，因此因為各種故障而導(dǎo)致的停機都是不可忍受的負擔(dān)。故障診斷系統(tǒng)就能夠在這個情況下滿足需要，也就是能夠合理制定維修計劃，最大限度減少停機維修的時間，以及在故障發(fā)生之后能夠迅速做出反應(yīng)。因此，故障診斷系統(tǒng)在現(xiàn)在得到了迅速的發(fā)展。

故障診斷是隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化而產(chǎn)生的一種技術(shù)，由于和現(xiàn)代傳感器技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)展現(xiàn)出了很強的生命力，必將為提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性提供越來越強大的支持。人工智能

人工智能是一門邊緣學(xué)科，用來模擬人的思維，已經(jīng)引起了許多學(xué)科的日益重視，并且有越來越多的實用意義，而且許多不同專業(yè)背景的科學(xué)家正在人工智能領(lǐng)域內(nèi)獲得一些新的思維和新的方法。作為一個計算機科學(xué)中涉及智能計算機系統(tǒng)的一個分支，這些系統(tǒng)呈現(xiàn)出與人類的智能行為有關(guān)的特性。

人工智能的主要領(lǐng)域包括問題求解、語言處理、自動定理證明、智能數(shù)據(jù)檢索等領(lǐng)域。這些綜合概念在自然語言處理、情報檢索、自動程序設(shè)計、數(shù)學(xué)證明都有重要應(yīng)用。人工智能的第一個大成就是發(fā)展了能夠求解難題的下棋程序。

人工智能包含的領(lǐng)域非常廣泛，問題的求解只是其中的一個重要方面。其他的方面包括比如謂詞演算、規(guī)則演繹系統(tǒng)、機器人問題以及專家系統(tǒng)等一系列問題。人工智能作為一個復(fù)雜的邊緣學(xué)科，正在有著越來越廣闊的前景，隨著新的數(shù)學(xué)理論的完善以及計算機新的硬件的出現(xiàn)，人工智能必將能夠更好地模擬人的思維。專家系統(tǒng)

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(lǐng)域知識于一體的系統(tǒng)。近些年，專家系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用大大推進了各個應(yīng)用領(lǐng)域向智能化方向發(fā)展，成為人工智能從實驗室研究進入實用領(lǐng)域的一個里程碑。

在一個成熟的專家系統(tǒng)中，有幾項技術(shù)是極為關(guān)鍵的。首先，為了便于知識在計算機中的存貯、檢索、使用和修改，并進行推理和搜索，知識表示技術(shù)必須具有很高的效率，目前主要有產(chǎn)生式表達法、語義網(wǎng)絡(luò)表達法、框架表達法、謂詞邏輯表達法等技術(shù)，并且新的技術(shù)還在開發(fā)當(dāng)中；其次，因為要在專家系統(tǒng)中用計算機模擬人的思維，不精確推理方法是必不可少的，針對實際需要，概率算法一度成為最重要的方法，近幾年來，模糊數(shù)學(xué)的引入為這一領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新的前景；最后，和知識表示技術(shù)與推理方法相關(guān)，作為人的思維搜索過程的模擬，搜索策略的好壞對系統(tǒng)的成敗也是意義重大的，現(xiàn)在人們已經(jīng)利用的技術(shù)有狀態(tài)空間法、問題遞歸法、最佳優(yōu)先法等?？傊斯ぶ悄芟到y(tǒng)的特殊性，決定了它是一個跨越多學(xué)科、充滿活力、對基礎(chǔ)研究的依賴性很強的一個領(lǐng)域，它的發(fā)展，必將向我們展示科學(xué)技術(shù)王國的更多魅力，也會令我們的生活更為美好。集散控制系統(tǒng)(DCS)

DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方法上卻完全不同。

DCS自1975年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程。在這三十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標(biāo)準(zhǔn)化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。

進入二十一世紀(jì)以來，計算機技術(shù)突飛猛進，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器