自动控制的发展历程及现代技术2021完整版课件.ppt

自动控制的发展历程及现代技术,主 要 内 容,1.自动控制技术的发展历程,2.自动控制的现代技术,中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. 1100B.C.),前 期 控 制,自动控制的发展历程,秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.),前 期 控 制,自动控制的发展历程,亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,英国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年),英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年),俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年),前 期 控 制,自动控制的发展历程,由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水,前 期 控 制,自动控制的发展历程,美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913),经 典 控 制 前 期,自动控制的发展历程,美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922),美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928),经 典 控 制 前 期,自动控制的发展历程,美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927),经 典 控 制 前 期,自动控制的发展历程,自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener,给出的定义为：“Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”,闭环控制系统的结构框图：,经 典 控 制 前 期,自动控制的发展历程,美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929),经 典 控 制 前 期,自动控制的发展历程,美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法,美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),N.B. Nichols,经 典 控 制,自动控制的发展历程,美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,经 典 控 制,自动控制的发展历程,美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939),经 典 控 制,自动控制的发展历程,英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937),在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948),经 典 控 制,自动控制的发展历程,MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled Data System),经 典 控 制,自动控制的发展历程,美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954),经 典 控 制,自动控制的发展历程,苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国R. Bellman在RAND Coporation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),现 代 控 制,自动控制的发展历程,世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960),现 代 控 制,自动控制的发展历程,苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961),宇宙哥伦布-加加林,现 代 控 制,自动控制的发展历程,1963年, 美国的Lofti Zadeh与C. Desoer发表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念,现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958),现 代 控 制,自动控制的发展历程,苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。,现 代 控 制,自动控制的发展历程,瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor。,现 代 控 制,自动控制的发展历程,英国H.H Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach(1974) 。,现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国ARPA计算机网络初步建成(1971),现 代 控 制,自动控制的发展历程,日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。,现 代 控 制,自动控制的发展历程,加拿大G. Zames提出H 鲁棒控制设计方法(1981年),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年),现 代 控 制,自动控制的发展历程,美国A. Bryson 和Y.C Ho 发表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论(1983),现 代 控 制,自动控制的发展历程,中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986),现 代 控 制,自动控制的发展历程,IEEE Control Systems Award 获得者,现 代 控 制,自动控制的发展历程,第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),现 代 控 制,自动控制的发展历程,旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索,现 代 控 制,自动控制的发展历程,以机器人为单元的无人化工厂,现 代 控 制,自动控制的发展历程,控制与管理一体化,现 代 控 制,自动控制的发展历程,鲁棒性：,是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。,现代鲁棒控制：是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。,常用的设计方法有：INA方法，同时镇定，完整性控制器设计，鲁棒控制，鲁棒PID控制以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。,鲁棒控制以静制动,鲁 棒 控 制,自动控制的现代技术,鲁棒控制方法适用于：稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。,鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。,鲁 棒 控 制,自动控制的现代技术,模糊控制其实我很清楚,一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法,模糊控制：,模糊控制的核心：利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。,模 糊 控 制,自动控制的现代技术,模 糊 控 制,自动控制的现代技术,模糊控制的发展阶段： 经典模糊控制 自适应模糊控制 专家模糊控制 基于神经网络的自学习模糊控制,其实现方式： 由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。,专 家 系 统,自动控制的现代技术,专家系统(Expert System):是一个基于知识的智能推理系统，它涉及到对知识获取、知识库、推理控制机制以及智能人机接口的研究，是集人工智能和领域知识于一体的系统。,专家系统身边的专家,工作原理：,专家系统应用人工智能技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识进行推理，仿真人类专家作决定的过程来解决那些需要专家知识才能解决的复杂问题。,专 家 系 统,自动控制的现代技术,专家系统的表达式： 知识+推理=系统,专家系统的组成：,知识库,推理机,知识获取部分,解释接口,专 家 系 统,自动控制的现代技术,专家系统主要结构：,神经网络控制,自动控制的现代技术,人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN):是模仿人类脑神经活动的一种人工智能技术。,神经网络控制模拟人的神经元,神经网络控制,自动控制的现代技术,在这种网络中，学习过程由正向传播和反向传播组成，在正向传播过程中，输入信号从输入层经隐层单元逐层处理，并传向输入层，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输入层不能得到期望的输出，则转入反向传播，将输入信号的误差沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，使得误差信号最小。,工作原理：,神经网络控制,自动控制的现代技术,常用的基本策略：,特征和性质：,非线性平行分布处理硬件实现学习和自适应性数据融合多变量系统,预 测 控 制,自动控制的现代技术,预测控制未卜先知,预测控制:是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法，采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略进行控制。,现在比较流行的算法有： 模型算法控制（MAC）； 动态矩阵控制（DMC）； 广义预测控制（GPC）； 广义预测极点（GPP）控制； 内模控制（IMC）； 推理控制（IC）。,预 测 控 制,自动控制的现代技术,预测控制的基本特征：建立预测模型方便； 采用滚动优化策略； 采用模型误差反馈校正。,适用于控制不易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程。,控制科学与技术在20世纪的人类科技进步中起到了举足轻重的作用，为了解决当今社会的许多挑战性问题产生了积极的影响，提供了科学的思想方法论；为许多产业领域实现自动化奠定了理论基础，提供了先进的生产技术和先进的控制仪器及装备。特别是数字计算机的广泛使用，为控制科学与技术开辟了更广泛的应用领域。,回顾近百年来的工程技术的发展，可以看到，20世纪的控制科学与技术是在实践的重大需求驱动下快速发展的，他经历了若干重要的发展时期，如20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制律概念；20年代的反馈放大器；30年代的Nyquist与Bode图；40年代维纳的控制论；50年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理；60年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系统能控性和能观性；70年代的自校正控制和自适应控制；80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制；90年代基于智能信息处理的智能控制理论。-中国工程院院士 郑南宁 教授,谢 谢！,12. 仔细思量一下就会明白：对对方的不信任，实际上就是对自我的不信任。推测对方的内心时，人就像把自己的生命反映到镜子中一样凝视着，再将其投影于对方，从而决定信任或不信任对方。19. 女人分结婚与不结婚两种，男人分自愿结婚与被迫结婚两种。9. 成你做了什么，而要问你为别人做了什么。10. 狂妄的人有救，自卑的人没有救。15. 没有天生的信心，只有不断培养的信心。12. 男子汉应该是一种内在的品质，而不是靠化妆和表演就能显现出来的!8. 一个人除非自己有信心，否则带给别人信心。9. 自己打败自己的远远多于比别人打败的。6. 只有全力以赴，梦想才能起飞。15. 我不能忍受游手好闲，因此，我以为只要我能够做，我就会继续做下去。-达尔文(英国)6. 成功的人是跟别人学习经验，失败的人只跟自己学习经验。2. 高峰只对攀登它而不是仰望它的人来说才有真正意义。13. 顾客后还有顾客，服务的开始才是销售的开始。15. 一个人的成熟，并不表现在获得了多少成就上，而是面对那些厌恶的人和事，不迎合也不抵触，只淡然一笑对之。10. 平生不做皱眉事，世上应无切齿人。,