第一章-自動(dòng)控制的一般概念-第一講

1、1,自動(dòng)控制原理 —經(jīng)典部分,張 婧 E-mail：zjing133@163.com TEL: 187-532-63968,1,2,所需課程基礎(chǔ),高等數(shù)學(xué) 大學(xué)物理 線性代數(shù) 復(fù)變函數(shù)與積分變換 信號(hào)與系統(tǒng) 電路 數(shù)字/模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) Matlab教程(計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)),2,3,后續(xù)課程,微機(jī)原理/單片機(jī) 電機(jī)與拖動(dòng) 過程控制 運(yùn)動(dòng)控制 計(jì)算機(jī)控制,3,4,參考

2、書目,教材：胡壽松主編. 自動(dòng)控制原理(第五版). 高等教育出版社.主要參考書：1.吳麒主編. 自動(dòng)控制原理(第二版). 清華大學(xué)出版社.2.黃家英主編. 自動(dòng)控制原理. 高等教育出版社.3. R.C. Dorf and R.H. Bishop. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)(第十版). 清華大學(xué)出版社.4. Morris Driels. 線性控制系統(tǒng)工程. 清華大學(xué)出版社.,4,5,學(xué)時(shí)安排：90學(xué)時(shí) -72學(xué)時(shí)理論課

3、 -18學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課(自動(dòng)化) 48學(xué)時(shí)-理論課(建環(huán)必修) 40學(xué)時(shí)-理論課(電子信息選修)考試：考試成績(jī)*70% 實(shí)驗(yàn)成績(jī)*10% 平時(shí)成績(jī)*20%(考勤+作業(yè)),5,6,主要內(nèi)容,第一章 自動(dòng)控制的一般概念第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型第三章 線性系統(tǒng)的

4、時(shí)域分析法第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正第八章 非線性控制系統(tǒng)分析,6,,重點(diǎn),7,第一章 自動(dòng)控制的一般概念,1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方式1-2 自動(dòng)控制系統(tǒng)示例1-3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1-4 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1-5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)工具,7,8,1-1 自動(dòng)控制的基本原理與方式,自動(dòng)控制科學(xué)的發(fā)展(一) 經(jīng)

5、典控制理論(二) 現(xiàn)代控制理論(三) 智能控制理論,8,1. 最早： 中國(guó)：產(chǎn)生“控制”的思想，而非理論,9,指南車,候風(fēng)地動(dòng)儀,漏水轉(zhuǎn)渾天儀,(一) 經(jīng)典控制理論,10,10,銅壺滴漏,整件滴漏由四個(gè)銅壺組成，分別是日壺、月壺、星壺、受水壺。保持星壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。星壺上部有一個(gè)小洞，如果月壺滴下的水多了，便從這里流出，使星壺的水量保持恒定，以便均勻地滴水給受水壺。受水壺中水逐漸增加，浮舟托起木箭上升

6、。將木箭的頂端與銅表尺刻度對(duì)照，得到時(shí)間。,11,國(guó)外：出現(xiàn)反饋控制裝置 希臘人凱特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年在油燈中使用浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。 現(xiàn)代歐洲最先發(fā)明反饋控制的是荷蘭的德勒貝爾，使用了溫度反饋控制。 鄧尼斯·帕平最先發(fā)明了蒸汽閥的壓力控制器。 1765年，普爾佐諾夫發(fā)明了浮子閥門式水位調(diào)節(jié)器，用于蒸汽鍋爐水位的自動(dòng)控制。,11,12,2. 閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與應(yīng)用

7、歐洲工業(yè)革命的標(biāo)志：James Watt于1765年在薩維利發(fā)明的蒸汽機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的現(xiàn)代意義上的蒸汽機(jī)。 1770年，他利用離心式飛錘調(diào)速器構(gòu)建了蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在鍋爐壓力和負(fù)荷變化的條件下，通過離心式調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門的開度，使蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速維持在一定的范圍內(nèi)。,12,詹姆斯·瓦特,13,13,缺點(diǎn)：調(diào)速系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩問題，當(dāng)振蕩過大時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(穩(wěn)態(tài)性能及動(dòng)態(tài)性能差，存在穩(wěn)態(tài)誤差——第三章)

8、 如何解決？,轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制原理,14,3. 經(jīng)典控制理論的發(fā)展階段 3.1 穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)—第三章 1868年，英國(guó)J.C. Maxwell以離心式調(diào)速器為背景，在論文《論調(diào)節(jié)器》中指出速度反饋控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，可通過線性常微分方程從理論上給出四階以下的穩(wěn)定條件-取決于特征方程的根是否具有負(fù)實(shí)部,14,麥克斯韋,穩(wěn)定性,15,1872年，俄國(guó)維什聶格拉斯基對(duì)蒸汽機(jī)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，在論文《論調(diào)整器

9、的一般原理》中將線性微分方程簡(jiǎn)化成由調(diào)整對(duì)象和調(diào)整器組成的系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合直接作用于蒸汽機(jī)的調(diào)速器的特性，指出如何選擇參數(shù)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 1878年，他還對(duì)非線性繼電器型調(diào)整器進(jìn)行了研究。維什聶格拉斯基在蘇聯(lián)被視為自動(dòng)調(diào)整理論的奠基人。,15,16,1807年，美國(guó)機(jī)械師R. Fulton設(shè)計(jì)出世界上第一艘蒸汽機(jī)帶動(dòng)車輪撥水的“克萊蒙特”號(hào)蒸汽輪船，故其被稱為“輪船之父”。,羅伯特·富爾頓,克萊蒙特號(hào)下水,17,1865

10、年，在安慶內(nèi)軍械所由徐壽、華蘅芳設(shè)計(jì)建造了我國(guó)第一艘明輪推進(jìn)的蒸汽機(jī)輪船“黃鵠”號(hào)。,徐壽,華蘅芳,黃鵠號(hào)復(fù)原圖,18,1866年，英國(guó)J.M. Gray設(shè)計(jì)出第一艘明輪驅(qū)動(dòng)的全自動(dòng)蒸汽輪船“東方”號(hào),19,3.2 勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)—第三章 1877年，英國(guó)E.J. Routh提出根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式在右半平面的根的數(shù)目，從而將當(dāng)時(shí)各種有關(guān)穩(wěn)定性的孤立的結(jié)論和非系統(tǒng)的結(jié)果統(tǒng)一起來，開始建立有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。,19

11、,勞斯,20,1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨(dú)立給出了根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一種方法。這兩種判據(jù)實(shí)質(zhì)是一樣的，都是根據(jù)特征方程的系數(shù)來判斷高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,20,赫爾維茨,21,3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)—第九章 1892年，俄國(guó)A.M.Lyapunov在其天才般的博士論文《運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》中提出了李亞普諾夫方法，即李亞普諾夫第一法(間接法)和李亞普諾夫第二

12、法(直接法)。其中李雅普諾夫第二法不僅可用于線性系統(tǒng)而且可用于非線性時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。,21,李雅普諾夫,22,3.4 PID控制理論—第六章 1922年，美國(guó)N. Minorsky基于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)提出位置控制系統(tǒng)的分析，并對(duì)PID三作用控制給出控制規(guī)律的公式。 1942年，美國(guó)Tatlor儀器公司的J.G. Ziegler和N.B. Nichols給出PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。,尼柯爾斯,23,這一時(shí)期討論的問題主

13、要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)偏差，所用的數(shù)學(xué)工具是微分方程解析法。這些是在時(shí)間域上進(jìn)行討論的，通常稱這些方法為控制理論的時(shí)域分析法。,23,由于電子元器件的非線性特性不便用代數(shù)判據(jù)來分析其穩(wěn)定性；而有些系統(tǒng)不僅對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度有要求，且對(duì)過渡過程的快速性和平穩(wěn)性亦做出一定的要求，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確的跟蹤與補(bǔ)償能力，促使反饋控制系統(tǒng)的研制與理論研究有了很大的發(fā)展。,24,3.5 負(fù)反饋理論的發(fā)展與應(yīng)用 1927年

14、，貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)電氣工程師H.S. Black首先提出基于誤差補(bǔ)償?shù)那梆伔糯笃鳎诖嘶A(chǔ)上最終提出負(fù)反饋放大器并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。 負(fù)反饋可以通過降低增益來改善器件的線性性能。但如果放大器沒有正確地設(shè)計(jì)為負(fù)反饋，那么放大器會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，從而使工作變得不穩(wěn)定。 —如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？,24,布萊克,25,3.6 奈氏判據(jù)——第五章 1932年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)物理學(xué)家H. Nyquist在傅氏變換的基

15、礎(chǔ)上提出以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)。此判據(jù)不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以用來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。 奈氏判據(jù)是頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)，為具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。,25,,,乃奎斯特,26,1938年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)應(yīng)用數(shù)學(xué)家H.W. Bode進(jìn)一步研究通信系統(tǒng)頻域的方法，提出頻域響應(yīng)的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖描述法(Bode圖)，使頻率特性的繪制更適于工程設(shè)計(jì)。 1940年，N.

16、B. Nichols進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，提出對(duì)數(shù)幅相曲線(尼柯爾斯圖)。,26,伯德,至此經(jīng)典控制理論的頻域分析法建立，其主要用于描述反饋放大器的帶寬和其它頻域指標(biāo)。,27,3.7 傳遞函數(shù)——第二章 1942年，美國(guó)H. Harris在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入傳遞函數(shù)的概念，用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息的概念描述系統(tǒng)的性能和關(guān)系，使頻域法更具普遍意義。 1943年，A.C. Hall利用傳遞函數(shù)和方框圖，將通信工程

17、的頻率響應(yīng)法與機(jī)械工程的時(shí)域分析法相統(tǒng)一，被稱為復(fù)域法。,27,28,3.8 根軌跡的建立——第四章 1948年，美國(guó)的W.R. Evans利用閉環(huán)特征方程的根在開環(huán)參數(shù)變化時(shí)的軌跡來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)參數(shù)與時(shí)域性能指標(biāo)變化間的關(guān)系，提出完整的根軌跡法。,28,伊萬斯,至此，以時(shí)域法、根軌跡法、頻率特性法為核心的經(jīng)典控制理論的框架已構(gòu)建完畢。,29,3.9 控制論的建立 1932~1934年， 美籍奧地利理論生物學(xué)家和哲學(xué)家L

18、.V. Bertalanffy提出用數(shù)學(xué)模型來研究生物學(xué)的方法和機(jī)體系統(tǒng)論的概念； 1945年，發(fā)表《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，并指出不論系統(tǒng)的具體種類、組成部分的性質(zhì)和它們之間的關(guān)系如何，存在著適用于綜合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一般模式、原則和規(guī)律；,29,貝塔朗斐,1942年，美國(guó)數(shù)學(xué)家N. Wiener提出著名的維納濾波理論。 1943年，在《行為、目的和目的論》中首先提出“控制論”這一概念，第一次把只屬于生物的有目的的行為賦予機(jī)

19、器，闡明了控制論的基本思想。 1948年，發(fā)表《控制論：或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，為控制論奠定了理論基礎(chǔ)，標(biāo)志著控制論的誕生。,30,30,維納,31,1954年，錢學(xué)森在《工程控制論》中把設(shè)計(jì)穩(wěn)定與制導(dǎo)系統(tǒng)這類工程技術(shù)實(shí)踐作為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)地闡述了控制論與工程結(jié)合的理論和應(yīng)用，標(biāo)志著控制論的第一個(gè)分支學(xué)科“工程控制論”誕生。,31,錢學(xué)森,32,總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復(fù)數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學(xué)

20、模型，常利用圖表進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，比求解微分方程簡(jiǎn)便。優(yōu)點(diǎn):可通過實(shí)驗(yàn)法建立數(shù)學(xué)模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點(diǎn):只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復(fù)數(shù)域方法研究時(shí)域特性，得不到精確的結(jié)果。,32,至此，形成了以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的完整的經(jīng)典控制理論體系。主要研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題。,33,4. 脈沖控制理論的建立與發(fā)展—第七章,4.1 脈沖理論的建立與發(fā)展 1928年， H. Nyq

21、uist首先證明把正弦信號(hào)從它的采樣值復(fù)現(xiàn)出來，每周期至少必須進(jìn)行兩次采樣。 1933年，蘇聯(lián)工程師科捷利尼科夫首次用公式嚴(yán)格地表述這一定理，故在蘇聯(lián)文獻(xiàn)中稱為科捷利尼科夫采樣定理。,33,34,1938年，美國(guó)數(shù)學(xué)家C. E. Shannon在碩士論文《繼電器與開關(guān)電路的符號(hào)分析》中將布爾代數(shù)的“真”與“假”和電路的“開”與“關(guān)”對(duì)應(yīng)起來，用布爾代數(shù)分析并優(yōu)化開關(guān)電路，奠定了數(shù)字電路的基礎(chǔ)。 1948年，在發(fā)表的《通信的數(shù)

22、學(xué)原理》中提出“信息熵”的概念，解決了對(duì)信息量化的度量問題，為信息論和數(shù)學(xué)通信奠定了基礎(chǔ)。,34,香農(nóng),1949年，在發(fā)表的《噪聲下的通信》中將乃奎斯特的采樣定理加以明確說明并作為定理引用。 二戰(zhàn)期間為軍事領(lǐng)域的密碼分析做出貢獻(xiàn)，1949年，發(fā)表《保密系統(tǒng)的通信原理》使保密通信由藝術(shù)變?yōu)榭茖W(xué)；并于同年證明一次性密鑰是無法被破譯的。 除此之外，對(duì)將連續(xù)的模擬信號(hào)抽樣成離散的數(shù)字信號(hào)的抽樣分析理論也有貢獻(xiàn)，奠定了數(shù)字通信的基礎(chǔ)理

23、論。,35,4.2 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù) 1944年，R.C. Oldenbourg與H.Sartorious以及1948年Tsypkin年分別提出脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，即線性差分方程的所有特征根應(yīng)位于單位圓內(nèi)；并提出一種變換將Z平面的單位圓內(nèi)部轉(zhuǎn)換到新平面的左半面的方法，即可使用Routh-Hurwitz判據(jù)；將連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析方法引入離散系統(tǒng)分析，則求得離散型頻率特性后，奈氏穩(wěn)定判據(jù)和其他一切研究線性系統(tǒng)的頻率法都可應(yīng)用。,36,

24、4.3 Z變換理論 1947年，波蘭數(shù)學(xué)家W. Hurewicz引進(jìn)一個(gè)變換來處理離散序列。 在此基礎(chǔ)上，Tsypkin于1949年及J.R. Ragazzini 和L.A. Zadeh于1952年分別定義和提出了Z變換的方法，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算步驟并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。,37,胡雷維奇,38,由于Z變換只能反應(yīng)脈沖系統(tǒng)在采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故Tsypkin 、R.H. Barker和E.I. Jury又分別于1950年、

25、1951年和1956年提出了廣義Z變換或修正Z變的方法。 脈沖理論的許多工作是由哥倫比亞大學(xué)的 Ragazzini及其博士生Jury(離散系統(tǒng)的朱利穩(wěn)定判據(jù)，離散系統(tǒng)的能觀性與能達(dá)性分析)、R. E. Kalman (卡爾曼濾波、離散狀態(tài)方法、離散系統(tǒng)的能控與能觀性分析)等完成的。,38,卡爾曼,39,當(dāng)把這種理論推廣到更為復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)典控制理論就顯得無能為力了，這是由它的以下幾個(gè)特點(diǎn)所決定。1．只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使

26、對(duì)最簡(jiǎn)單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的； 2．只限于分析和設(shè)計(jì)SISO系統(tǒng)，采用系統(tǒng)的輸入－輸出描述方式，從本質(zhì)上忽略了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性； 3．采用試探法設(shè)計(jì)系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用合適的、簡(jiǎn)單的、工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。,39,40,綜上所述，經(jīng)典控制理論的最主要的特點(diǎn)是：線性定常對(duì)象，單輸入單輸出，完成特定任務(wù)。即便對(duì)這些極簡(jiǎn)單的對(duì)象、對(duì)象描述及控制任務(wù)，理論上也尚不完整，從而促使現(xiàn)

27、代控制理論的發(fā)展：對(duì)經(jīng)典控制的精確化、數(shù)學(xué)化及理論化。,40,41,(二) 現(xiàn)代控制理論—第九章、第十章 20世紀(jì)50年代中期，在蓬勃興起的航空航天技術(shù)的推動(dòng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的支持下，迫切地需要解決多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及時(shí)變系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，如：火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過程中的高精度、快速響應(yīng)、最少燃料和最短路徑等。這些問題難以用經(jīng)典控制理論解決。,41,42,1892年，Lyapuno

28、v提出的穩(wěn)定性理論被應(yīng)用到現(xiàn)代控制理論中。 1954年，美國(guó)數(shù)學(xué)家R. Bellman提出了狀態(tài)分析法，并于1957年提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論。 1956年，俄羅斯數(shù)學(xué)家Pontryagin提出極小值原理。 這為最優(yōu)控制提供了理論基礎(chǔ)。,42,貝爾曼,龐特里亞金,43,1959年，匈牙利裔美國(guó)數(shù)學(xué)家Kalman提出了卡爾曼濾波理論，于1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功應(yīng)用狀態(tài)空間法，并提出了能控性和能觀性的概念，實(shí)現(xiàn)了多變量最優(yōu)控制

29、和最優(yōu)濾波理論。,43,至此，以狀態(tài)方程為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論建立形成。,卡爾曼,44,現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要數(shù)學(xué)工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時(shí)域的方法，它不僅描述系統(tǒng)的外部特性，而且可以揭示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標(biāo)是在揭示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構(gòu)成帶

30、有更高的仿生特點(diǎn)，即不限于單純的閉環(huán)，而擴(kuò)展為適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等。較之經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論的研究對(duì)象要廣泛得多，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的、時(shí)變的、離散的。,44,45,現(xiàn)代控制理論具有以下特點(diǎn)： 1. 控制對(duì)象結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。控制對(duì)象結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單的單回路模式向多回路模式轉(zhuǎn)變，即從單輸入單輸出向多輸入多輸出。它能夠處理極為復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制問題。 2. 研究工具的

31、轉(zhuǎn)變。(1) 積分變換法向矩陣?yán)碚?、幾何方法轉(zhuǎn)變，由頻率法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究；(2) 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，由手工計(jì)算轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)計(jì)算。 3. 建模手段的轉(zhuǎn)變。由機(jī)理建模向統(tǒng)計(jì)建模轉(zhuǎn)變，開始采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)的統(tǒng)計(jì)建模方法。,45,46,(三) 智能控制理論 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究對(duì)象的復(fù)雜性，控制器及控制任務(wù)和目的的復(fù)雜性，并且被控對(duì)象具有不確定性、變結(jié)構(gòu)、模糊性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性和非線性等，很難精確地建立數(shù)學(xué)模型，因此

32、，借助于數(shù)學(xué)模型描述和分析的傳統(tǒng)控制理論已難以解決復(fù)雜系統(tǒng)的問題。這就促使了智能控制理論的產(chǎn)生。,46,1965年，美籍華裔科學(xué)家傅京孫教授首先把人工智能的直覺推理方法應(yīng)用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，將智能控制概括為自動(dòng)控制和人工智能的結(jié)合。 1966年，美國(guó)J.M. Mendel進(jìn)一步在空間飛行器的學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù)，并首先提出了“人工智能控制”的概念。 1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。,4

33、7,傅京孫,48,1971年，傅京孫提出智能控制就是人工智能與自動(dòng)控制的交叉的“二元論”思想，列舉三種智能控制系統(tǒng)：人作為控制器、人機(jī)結(jié)合作為控制器、自主機(jī)器人。 1977年，Saridis提出了智能控制是人工智能、運(yùn)籌學(xué)、自動(dòng)控制相交叉的“三元論”思想及分級(jí)遞階的智能控制系統(tǒng)框架。 1985年8月，IEEE在美國(guó)紐約召開了第一界智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。,48,49,1987年1月，在美國(guó)費(fèi)城由IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)聯(lián)合召開了

34、第一界智能控制國(guó)際會(huì)議，這標(biāo)志著智能控制作為一門新學(xué)科正式建立起來。,49,智能控制的主要形式,50,智能控制的主要技術(shù)方法,智能控制是以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ),擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù),其中應(yīng)用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、自學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。 自適應(yīng)控制理論與方法：以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，處理被控對(duì)象不定和緩時(shí)變，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律。

35、魯棒控制方法：由于控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在,50,51,擾動(dòng)和不確定性因素，當(dāng)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)參數(shù)不精確并可能在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，魯棒控制仍能使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作并具有較好的性能。 非線性控制系統(tǒng)方法：相平面法、描述函數(shù)法、李雅普諾夫第二法、變結(jié)構(gòu)控制方法等。 模糊控制：借助于模糊數(shù)學(xué)模擬人的思維方法，將工藝操作人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，運(yùn)用語言變量和模糊邏輯理論進(jìn)行推理和決策，控制復(fù)雜對(duì)象。主要處理大時(shí)滯非線性系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控

36、制：具有學(xué)習(xí)能力，主要解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問題。,51,52,專家控制方法：應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)某個(gè)領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬專家的決策過程以解決復(fù)雜問題。 預(yù)測(cè)控制方法：一種計(jì)算機(jī)控制算法，在預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上采用多步測(cè)試、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，可適用于控制不易建立數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工作生產(chǎn)過程。 分布式控制：多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別控制不同的對(duì)象或設(shè)備，各自構(gòu)成子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間