1先進(jìn)控制理論與控制工程控制科學(xué)發(fā)展專題

1、2024年3月22日,1,先進(jìn)控制理論與控制工程（控制科學(xué)發(fā)展專題）,吳 敏（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410083）,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,2,,課程的目標(biāo),解決下述問(wèn)題：,了解國(guó)內(nèi)外控制科學(xué)的現(xiàn)狀，從總體上把握發(fā)展的脈搏； 分析控制理論發(fā)展各

2、個(gè)階段的主要特征，了解目前國(guó)內(nèi)外 研究的主要方向； 針對(duì)控制理論的發(fā)展趨勢(shì)，討論控制理論研究前沿的若干 問(wèn)題； 從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，研究控制理論及技術(shù)的工程 應(yīng)用； 基于信息科學(xué)的迅速發(fā)展對(duì)控制科學(xué)的巨大影響，探討信 息與控制的融合。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程

3、學(xué)院 吳 敏,3,,涉及課程及參考書(shū),涉及課程: 線性系統(tǒng)理論 (Linear System Theory) 自適應(yīng)控制 (Adaptive Control) 最優(yōu)控制 (Optimal Control) 魯棒控制 (Robust Control) 智能控制 (Intelligent Control) 非線性控制 (Nonlinear Control)參考書(shū): 吳敏，桂衛(wèi)華：《現(xiàn)代魯棒控制》，中南工業(yè)大學(xué)出版社

4、 蔡自興：《智能控制——基礎(chǔ)與應(yīng)用》，國(guó)防工業(yè)出版社,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,4,課程名稱和考試方式,課程名稱: 先進(jìn)——Advanced ! 先進(jìn)控制理論與控制工程 Advanced Control Theory and Control Engine

5、ering 控制科學(xué)發(fā)展專題 Special Topics on Control Science考試方式: 考試的目的 筆試？開(kāi)卷？課程報(bào)告？,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,5,,課程的主要內(nèi)容,第一講——控制科學(xué)的發(fā)展回顧第二講——基本的控制方法第三

6、講——控制系統(tǒng)與自動(dòng)化技術(shù)第四講——控制與自動(dòng)化的應(yīng)用領(lǐng)域第五講——冶金過(guò)程控制技術(shù)專題第六講——智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)專題第七講——網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)專題第八講——先進(jìn)優(yōu)化技術(shù)專題第九講——控制科學(xué)發(fā)展展望第十講——控制領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)組織和學(xué)術(shù)會(huì)議,分為十講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工

7、程學(xué)院 吳 敏,6,控制科學(xué)的發(fā)展回顧,,第一講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,7,,自動(dòng)控制的概念,(a) 手動(dòng)控制漫畫(huà) (b) 自動(dòng)控制 水溫的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的示意圖,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論

8、與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,8,,防空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,9,現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代生活離不開(kāi)對(duì)一些物理量的控制，包括實(shí)現(xiàn)對(duì)這種

9、控制的自動(dòng)化。例如公共電網(wǎng)上的電壓是50周、220伏的交流電。為此，在發(fā)電廠就要設(shè)法控制電壓、頻率這兩物理量為恒值，這要采用自動(dòng)調(diào)壓和自動(dòng)調(diào)頻裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中，如在化肥廠控制反應(yīng)釜（塔）內(nèi)溫度和壓力為恒值，使化學(xué)反應(yīng)速度加快。在機(jī)械加工廠金屬切削機(jī)床上，經(jīng)常是控制工件或刀具的轉(zhuǎn)速為恒值，使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量能提高。而各種現(xiàn)代火炮的俯仰角和方位角都是自動(dòng)控制的。現(xiàn)代生活中，空調(diào)器保持室內(nèi)溫度為恒值，冰箱、洗衣機(jī)無(wú)不進(jìn)行一些物理量的控制，而

10、洗衣機(jī)更把洗衣、漂洗和脫水等操作自動(dòng)按程序進(jìn)行。,,社會(huì)和生活中的控制問(wèn)題,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,10,加速社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革和社會(huì)信息化的進(jìn)程,1. 提高社會(huì)生產(chǎn)率和工作效率；2. 節(jié)約能源和原材料消耗；3. 保證產(chǎn)品質(zhì)量；4. 改善勞動(dòng)條件，減輕體力、腦力勞

11、動(dòng)；5. 改進(jìn)生產(chǎn)工藝和管理體制。,,控制與自動(dòng)化的作用,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,11,自動(dòng)化 自動(dòng)控制 控制理論 電氣工程與自動(dòng)化 工業(yè)自動(dòng)化 機(jī)械制造自動(dòng)化 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,,控制科學(xué)與工程學(xué)科,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)

12、展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,12,培養(yǎng)適合社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)需要，德智體全面發(fā)展，在控制理論、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、人工智能與機(jī)器人控制等領(lǐng)域具有寬廣理論基礎(chǔ)和相關(guān)專門知識(shí)，具有創(chuàng)新和開(kāi)拓精神的高級(jí)工程技術(shù)人才。畢業(yè)生能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防各部門和行業(yè)從事信息及控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、集成、開(kāi)發(fā)、制造和應(yīng)用等工作。,,人才的培

13、養(yǎng)目標(biāo),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,13,(1) 科學(xué) 科學(xué)（Science）是指對(duì)各種事實(shí)和現(xiàn)象進(jìn)行觀察、分類、歸納、演繹、分析、推理、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并對(duì)各種定量規(guī)律予以驗(yàn)證和公式化的知識(shí)體系?？茖W(xué)的任務(wù)是揭示事物發(fā)展的客觀規(guī)律，探求真理，作

14、為人們改造世界的指南。,(2) 技術(shù) 技術(shù)（Technology）是指人類根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自然科學(xué)原理改變或控制其環(huán)境的手段和活動(dòng)，是人類活動(dòng)的一個(gè)專門領(lǐng)域。技術(shù)的任務(wù)是利用和改造自然，以其生產(chǎn)的產(chǎn)品為人類服務(wù)。,,一些術(shù)語(yǔ)——科學(xué)，技術(shù),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

15、 吳 敏,14,(3) 工程 工程（Engineering）是指應(yīng)用科學(xué)知識(shí)使自然資源最好地為人類服務(wù)的專門技術(shù)。,,一些術(shù)語(yǔ)——工程，系統(tǒng),(4) 系統(tǒng)    系統(tǒng)（System）是指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響的一些部分組成的具有某種功能的有機(jī)整體。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

16、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,15,,一些術(shù)語(yǔ)——信息，控制,(5)    信息信息（Information）是指符號(hào)、信號(hào)或消息所包含的內(nèi)容，用來(lái)消除對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的不確定性。,(6)    控制控制（Control）是指為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)到特定的目的，通過(guò)信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。,2024年3月22日,

17、先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,16,,一些術(shù)語(yǔ)——反饋，調(diào)節(jié),(7)    反饋反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。,(8)    調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)（Regulatio

18、n）是指通過(guò)系統(tǒng)的反饋信息自動(dòng)校正系統(tǒng)的誤差，使諸如溫度、速度、壓力或位置等參量保持恒定或在給定范圍之內(nèi)的過(guò)程。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,17,,一些術(shù)語(yǔ)——管理，決策,(9)    管理管理（Management）是指為了充分利用各種資

19、源來(lái)達(dá)到一定的目標(biāo)而對(duì)社會(huì)或其組成部分施加的一種控制。,(10) 決策決策（Decision Making）是指為最優(yōu)地達(dá)到目標(biāo)，對(duì)若干準(zhǔn)備行動(dòng)的方案進(jìn)行選擇。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,18,,自動(dòng)化與自動(dòng)控制的定義,自動(dòng)化（Automation） ，是指機(jī)器或裝

20、置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。自動(dòng)控制（Automatic Control）是關(guān)于受控系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的理論和技術(shù)。自動(dòng)化主要研究的是人造系統(tǒng)的控制問(wèn)題。自動(dòng)控制則除了上述研究外，還研究社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生物、環(huán)境等非人造系統(tǒng)的控制問(wèn)題。例如生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會(huì)控制及人口控制等，顯然這些都不能歸入自動(dòng)化的研究領(lǐng)域的。不過(guò)人們提到自動(dòng)控制，通常是指工程系統(tǒng)的控制，在這個(gè)意義上自動(dòng)化和自動(dòng)控制是相近的

21、。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,19,,指南車銅壺滴漏及浮子式閥門飲酒速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)計(jì)里鼓車漏水轉(zhuǎn)渾天儀候風(fēng)地動(dòng)儀水運(yùn)儀象臺(tái),我國(guó)古代自動(dòng)裝置,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

22、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,20,,指南車,中國(guó)古代(公元78~139年)用來(lái)指示方向的一種具有自動(dòng)離合齒輪系裝置的車輛，它是一種馬拉的雙輪獨(dú)轅車。車箱上立一個(gè)伸臂的木人，車箱內(nèi)裝有能自動(dòng)離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動(dòng)，而后端則向反方向移動(dòng)，并將傳動(dòng)齒輪放落，使車輪的傳動(dòng)帶動(dòng)木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響。,2024年3月22日,

23、先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,21,,指南車復(fù)原模型,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,22,,銅壺滴漏,中國(guó)古代(公元1135年)的自動(dòng)

24、計(jì)時(shí)（測(cè)量時(shí)間）裝置，又稱刻漏或漏刻。這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。這個(gè)問(wèn)題后來(lái)是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來(lái)解決的。用一個(gè)浮子式閥門作為自動(dòng)切斷閥。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

25、 吳 敏,23,,飲酒速度的自動(dòng)調(diào)節(jié),中國(guó)古代(公元1178年)南方和西南方部落村民在飲酒管中使用浮子式閥門來(lái)保持均勻的飲酒速度。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,24,,計(jì)里鼓車,中國(guó)用來(lái)自報(bào)行車?yán)锍痰墓能嚒?2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專

26、題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,25,公元2世紀(jì)，中國(guó)東漢的天文學(xué)家張衡創(chuàng)制的一種天文表演儀器。它是一種用漏水推動(dòng)的水運(yùn)渾象，和現(xiàn)在的天球儀相似，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)天體運(yùn)行的自動(dòng)仿真。,,漏水轉(zhuǎn)渾天儀,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

27、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,26,,候風(fēng)地動(dòng)儀,公元132年張衡發(fā)明的一種觀察地震的自動(dòng)檢測(cè)儀器,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,27,,水運(yùn)儀象臺(tái),公元1088年，中國(guó)蘇頌等人把渾儀(天文觀測(cè)儀器)、渾象(天文表演儀器)和自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置結(jié)合在一起建成了水

28、運(yùn)儀象臺(tái)。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,28,,控制和自動(dòng)化的發(fā)展回顧,自動(dòng)裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用：18世紀(jì)以前自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期：18世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代局部自動(dòng)化時(shí)期 ：20世紀(jì)40-50年代綜合自動(dòng)化時(shí)期：20世紀(jì)50年代末起至今,2024年3月22日,先進(jìn)控制理

29、論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,29,,自動(dòng)裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用,古代自動(dòng)裝置：中國(guó)古代自動(dòng)裝置；巴比倫、古埃及和希臘的教堂廟門自動(dòng)開(kāi)啟、銅祭司自動(dòng)灑圣水、投幣式圣水箱等自動(dòng)裝置。近代自動(dòng)裝置：17世紀(jì)以來(lái)，在歐洲一些國(guó)家相繼出現(xiàn)了多種自動(dòng)裝置：法國(guó)物理學(xué)家B.帕斯卡（Pascal）于公元1642年發(fā)明的加

30、法器；荷蘭機(jī)械師C.惠更斯（Huygens）于公元1657年發(fā)明鐘表；英國(guó)機(jī)械師E.李（Lee）在公元1745年發(fā)明帶有風(fēng)向控制的風(fēng)磨；俄國(guó)機(jī)械師И.И.波爾祖諾夫（Ползунов）于公元1765年發(fā)明為蒸汽鍋爐水位保持恒定用的浮子式閥門水位調(diào)節(jié)器。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳

31、 敏,30,,自動(dòng)化技術(shù)形成時(shí)期,公元1788年 J.瓦特將離心式調(diào)速器與蒸汽機(jī)的閥門連接起來(lái)，構(gòu)成蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,31,,自動(dòng)調(diào)節(jié)的廣泛應(yīng)用,由于第一次工業(yè)革命的需要，人們開(kāi)始采用自動(dòng)調(diào)節(jié)器（Regulator）或裝置，使一些物

32、理量保持在給定值附近。公元1868年法國(guó)工程師J.法爾科（Farcot）發(fā)明反饋調(diào)節(jié)器，并把它與蒸汽閥連接起來(lái)，操作蒸汽船的舵，他稱之為伺服機(jī)構(gòu)（Servo-mechanism）。 20世紀(jì)20~30年代，美國(guó)開(kāi)始采用PID模擬式調(diào)節(jié)器（比例-積分-微分調(diào)節(jié)器）?，F(xiàn)在還在許多工廠中采用。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

33、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,32,反饋 (Feedback) —— 反饋控制系統(tǒng),,自動(dòng)控制的基本概念,P：蒸汽機(jī)（控制對(duì)象）；C：調(diào)節(jié)器（控制器）。反饋（Feedback）是指將系統(tǒng)的實(shí)際輸出和期望輸出進(jìn)行比較，形成誤差，從而為確定下一步的控制行為提供依據(jù)。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大

34、學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,33,自動(dòng)控制(Automatic Control)研究的問(wèn)題:,自動(dòng)控制系統(tǒng)分析 (Analysis) (1) 穩(wěn)定性 (Stability) (2) 動(dòng)態(tài)特性 (Dynamic Performance) (3) 靜態(tài)特性 (Static Performance) (4) 魯棒性 (Robustness)自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合(Synthesis)／設(shè)計(jì)(Design),,自

35、動(dòng)控制研究的問(wèn)題,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,34,,自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,自動(dòng)調(diào)節(jié)器和被控制對(duì)象（蒸汽機(jī)或船舵）組成自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Automatic Regulation System）。當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)忽高忽低，即系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩（不穩(wěn)定）。這迫使一些數(shù)學(xué)

36、家從理論上來(lái)加以研究，創(chuàng)造多種代數(shù)穩(wěn)定判劇。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,35,,反饋控制和頻率法,進(jìn)入20世紀(jì)以后，工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，促進(jìn)了對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析和綜合的研究。 代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)加上公元1922年N.米諾爾斯基《關(guān)于船舶自動(dòng)操舵的穩(wěn)定性》和19

37、34年美國(guó)H.L.黑曾（Hazen）發(fā)表的《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》論文，標(biāo)志著經(jīng)典控制理論的誕生。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,36,,局部自動(dòng)化時(shí)期,自動(dòng)防空火力控制系統(tǒng)經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論

38、與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,37,,自動(dòng)防空火力控制系統(tǒng),在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力控制系統(tǒng)和飛機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)等軍事技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了各種精密的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

39、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,38,,經(jīng)典控制理論的形成和發(fā)展,經(jīng)典控制 (Classical Control)：1930年~1960年基于頻域 (Frequency Domain) 的方法傳遞函數(shù) (Transfer Function),代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)的基礎(chǔ)上加上W.埃文斯（Evans）1948年的根軌跡法（Root Locus Method），奠定了適宜用于單變量控制問(wèn)

40、題的經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)。頻域法成為分析和設(shè)計(jì)線性單變量自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法。早期，反饋控制系統(tǒng)通稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，后稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Control System）。因此，調(diào)節(jié)器也稱為控制器。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,39,,經(jīng)典控制理論形成的歷

41、史動(dòng)力,推 動(dòng): 受當(dāng)時(shí)重大技術(shù)（通訊技術(shù)和火炮技術(shù)等） 的深刻影響物理學(xué)：牛頓力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)”數(shù) 學(xué)：線性常系數(shù)微分方程、復(fù)變函數(shù)、概率、統(tǒng)計(jì)工 具：模擬電路和模擬計(jì)算機(jī),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,40,,局部自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用,二

42、次大戰(zhàn)后，在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器，并用電子模擬計(jì)算機(jī)（Electronic Analog Computer）來(lái)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)化，即單個(gè)過(guò)程或單個(gè)機(jī)器的自動(dòng)化。,在20世紀(jì)30-40年代出現(xiàn)了統(tǒng)一信號(hào)的、通用的、標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)單元組合儀表。20世紀(jì)50年代研制出了電動(dòng)單元組合儀表。這些為工業(yè)自動(dòng)化提供了必不可少的技術(shù)工具，并使得構(gòu)成和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)便、更工程化了。,智能化的儀表和控制器是當(dāng)前流行的產(chǎn)品

43、。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,41,,智能化儀表與控制器,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,42,,電子數(shù)字計(jì)算

44、機(jī)的發(fā)明,目前小型電子數(shù)字計(jì)算機(jī)或單片計(jì)算機(jī)已成為復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制和算法。,電子數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部元件和結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和大規(guī)模集成電路的四個(gè)發(fā)展階段。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明，為60-70年代開(kāi)始的在控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用程序控制和邏輯控制以及應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)直接控制生產(chǎn)過(guò)程，奠定了基礎(chǔ)。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

45、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,43,,國(guó)產(chǎn)“銀河III”計(jì)算機(jī),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,44,自動(dòng)控制的歷史地位和作用,20世紀(jì)40年代是自動(dòng)化技術(shù)和理論形成的關(guān)鍵時(shí)期： 工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化首先來(lái)自于傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)

46、方式的變更，即從 汽車流水線開(kāi)始的。 1946年美國(guó)福特汽車公司副經(jīng)理哈特首先提出用“自動(dòng)化”一詞來(lái) 描述這種流水線。 1947年4月，福特汽車公司建立了自動(dòng)化研究部門，稱作自動(dòng)化工程 師的專家到這個(gè)部門工作。 不到3年的時(shí)間，使汽車成本下降了近3倍，只用了8年的時(shí)間就使汽 車銷售價(jià)格下跌到原來(lái)的9%，使汽車走進(jìn)了普通家庭。 汽車工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了冶金、化工、石油等工業(yè)，促進(jìn)了連續(xù)生 產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展。,,

47、2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,45,,綜合自動(dòng)化時(shí)期,現(xiàn)代控制 (Modern Control)：1960年~1980年基于時(shí)域 (Time Domain) 的方法狀態(tài)空間模型 (State Space Model)先進(jìn)控制 (Advanced Control)：198

48、0年~：基于頻域+時(shí)域的方法 (傳遞函數(shù)+狀態(tài)空間模型)基于知識(shí)的方法——智能控制 (Intelligent Control)基于模型+知識(shí)的方法——集成控制 (Integrated Control),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,46,1956年，前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家Л.龐特

49、里亞金提出極大值原理。同年，美國(guó)數(shù)學(xué)家R.貝爾曼創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃。兩者為解決最優(yōu)控制問(wèn)題提供了理論工具。1960年美國(guó)數(shù)學(xué)家R.卡爾曼提出能控性和能觀性兩個(gè)概念，揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在屬性?？柭€引入狀態(tài)空間法，提出具有二次型性能指標(biāo)的線性狀態(tài)反饋律，為線性自動(dòng)控制系統(tǒng)給出了最優(yōu)調(diào)節(jié)器的概念。以上這些新概念和新方法標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的誕生。20世紀(jì)60~70年代，英國(guó)學(xué)者H.羅森布羅克、D.梅恩和A.G.麥克法蘭等將頻率法推廣到分析和設(shè)計(jì)多

50、變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法。,,現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,47,,現(xiàn)代控制理論形成的歷史動(dòng)力,推 動(dòng): 遠(yuǎn)程火箭技術(shù)與航天技術(shù)、現(xiàn)代航海技術(shù) 的直接影響物理學(xué)：力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理數(shù) 學(xué)：線性代數(shù)（幾何方法）和矩陣論

51、；線性常 微分方程組理論；實(shí)、復(fù)變函數(shù)論變分法； 泛函分析；概率、統(tǒng)計(jì).工 具：電子計(jì)算機(jī)技術(shù)促進(jìn),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,48,,遙測(cè)、遙控和遙感,遙測(cè)就是對(duì)被測(cè)對(duì)象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。遙控就是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。遙

52、感就是利用裝載在飛機(jī)或人造衛(wèi)星等運(yùn)載工具上的傳感器，收集由地面目標(biāo)物反射或發(fā)射出來(lái)的電磁波，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)獲得關(guān)于目標(biāo)物（如礦藏、森林、作物產(chǎn)量等）的信息。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,49,,綜合自動(dòng)化,20世紀(jì)50年代末到60年代初，開(kāi)始出現(xiàn)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的化工廠

53、，60年代末在制造工業(yè)中出現(xiàn)了許多自動(dòng)生產(chǎn)線，工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始由局部自動(dòng)化向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。70年代出現(xiàn)用專用機(jī)床組成的無(wú)人工廠，80年代初才出現(xiàn)用柔性制造系統(tǒng)組成的無(wú)人工廠。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,50,,無(wú)人組裝車間,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(

54、控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,51,,先進(jìn)控制理論的形成和發(fā)展,1981年，基于頻域和時(shí)域方法，Zames提出最優(yōu)靈敏度控制，開(kāi)始了魯棒控制研究時(shí)代。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，基于知識(shí)的方法，把人工智能與自動(dòng)控制相結(jié)合，出現(xiàn)了智能控制研究階段。近年來(lái)，基于知識(shí)和解析的方法，實(shí)現(xiàn)了集成控制。,2024年3月22日,先進(jìn)控

55、制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,52,,先進(jìn)控制理論形成的歷史動(dòng)力,推 動(dòng):微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 機(jī)器人技術(shù)； 經(jīng)濟(jì)、技術(shù)全球化進(jìn)程的加快,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

56、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,53,,智能機(jī)器人和水下機(jī)器人,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,54,基本的控制方法,,第二講：,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

57、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,55,,經(jīng)典控制,波德圖 (Bode Plot) 方法,奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析,其它穩(wěn)定性分析方法,PID控制,維納濾波器方法的基本思想,基于奈魁斯特穩(wěn)定性設(shè)計(jì)思想,經(jīng)典控制的特征,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

58、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,56,,波德圖 (Bode Plot) 方法,頻率響應(yīng)法： (1) 幅頻特性 (Magnitude) (2) 相頻特性 (Phase),2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

59、吳 敏,57,,奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析,開(kāi)環(huán)頻率特性:是否圍繞 (-1, j0) 點(diǎn),在保持穩(wěn)定性的前提下，改善中頻段的特性，從而提高系統(tǒng)的性能。,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,58,,勞斯穩(wěn)定性 (Rorth Stability

60、) 分析,伊萬(wàn)斯根軌跡 (Evans Root Locus, 1948)方法 增益和相位裕量 (Gain and Phase Margin) 方法,其它穩(wěn)定性分析方法,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,59,,PID控制,PID (Proportion-Integration-

61、Differentiation) 控制,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,60,經(jīng)典控制的特征,兩個(gè)最基本的問(wèn)題： 維納 (Wiener) 濾波器方法 奈魁斯特穩(wěn)定性 (Nyquist Stability) 分析,SISO (Single Input Single Outpu

62、t) 系統(tǒng) LTI (Linear Time-Invariant)系統(tǒng) 頻域方法 傳遞函數(shù) (復(fù)變函數(shù)作為數(shù)學(xué)工具),,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,61,維納濾波器方法的基本思想,d: 可以用某種隨機(jī)過(guò)程來(lái)表示的外界擾動(dòng) 把反饋控制問(wèn)題變成數(shù)學(xué)上的某些優(yōu)化問(wèn)題 ?

63、卡爾曼-布西濾波器 (Kalman-Bucy Filter)理論 ?現(xiàn)代控制理論,,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,62,,基于奈魁斯特穩(wěn)定性設(shè)計(jì)思想,開(kāi)環(huán)頻率特性: 是否圍繞 (-1, j0) 點(diǎn),在保持穩(wěn)定性的前提下，改善中頻段的特性，從而提高系統(tǒng)的性能。?魯棒控

64、制理論,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,63,,現(xiàn)代控制,狀態(tài)空間方法,能控性和能觀性,內(nèi)部穩(wěn)定性問(wèn)題,LQ控制、LQR和LQG方法,現(xiàn)代控制的特征,最活躍的幾個(gè)領(lǐng)域,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題)

65、 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,64,狀態(tài)空間模型 (State Space Model) 方法,當(dāng)t=0時(shí)， 是x=Ax的解。,,狀態(tài)空間方法,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,65,,

66、能控性 (Controllability) 分析,定義: 存在一個(gè)輸入u(t)，使x(t)從任意的初始狀態(tài)出發(fā)，在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到原點(diǎn)，則 (A，B) 是能控的。定理: 下述條件是等價(jià)的。 (A，B) 是能控的； rank [B AB A2B … An-1B] = n； 存在實(shí)數(shù)矩陣F，使A+BF具有任意指盯的n個(gè)對(duì)稱于實(shí) 的復(fù)數(shù)特征根； 對(duì)于任意的復(fù)數(shù)?，有rank [?I-A B] = n。能控性

67、格拉米昂 (Gramian)矩陣:,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳 敏,66,,能觀性 (Observability) 分析,定義: 任意的初始狀態(tài)，可以由有限時(shí)間內(nèi)的輸出y(t)和輸入u(t)來(lái)唯一決定，則 (C，A) 是能觀的。定理: 下述條件是等價(jià)的。 (C，A

68、) 是能觀的； rank [C CA CA2 … CAn-1]T = n； 存在實(shí)數(shù)矩陣H，使A+HC具有任意指定的n個(gè)對(duì)稱于實(shí) 的復(fù)數(shù)特征根； 對(duì)于任意的復(fù)數(shù)?，有rank [?I-A C] T = n。能觀性格拉米昂矩陣:,2024年3月22日,先進(jìn)控制理論與控制工程(控制科學(xué)發(fā)展專題) 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 吳