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自动控制前沿自动控制前沿 河南工业大学理学院 张应奇 主要内容主要内容 历史发展历史发展 基本原理基本原理 产生价值产生价值 主要应用主要应用 自动控制简介自动控制简介 自动控制前沿自动控制前沿 附言附言 一、自动控制简介一、自动控制简介 自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的 劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工 程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的 自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角 度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控 制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。基础的结 论是由诺伯特维纳，鲁道夫卡尔曼提出的。 诺伯特诺伯特 维纳（维纳（Norbert WienerNorbert Wiener）传记）传记 个人成果概述 维纳在其50年的科学生涯中，先后涉足哲学、数学、物理学和工 程学，最后转向生物学，在各个领域中都取得了丰硕成果，称得 上是恩格斯颂扬过的、本世纪多才多艺和学识渊博的科学巨人。 他一生发表论文240多篇，著作14本。他的主要著作有控制论 (1948)、维纳选集(1964)和维纳数学论文集(1980)。维 纳还有两本自传昔日神童和我是一个数学家。 诺伯特维纳（Norbert Wiener，1894.11.26日1964.3.18）， 美国应用数学家，控制论的创始人，在电子工程方面贡献良 多。他是随机过程和噪声过程的先驱，又提出了“控制论”的 一词。他先后留学于英国剑桥大学和德国哥丁根大学，在罗 素、哈代、希尔伯特等著名数学家指导下研究逻辑和数学。 维纳主要成果一：维纳主要成果一：建立维纳测度建立维纳测度 维纳是第一个从数学上深刻地研究布朗运动的数学家。1921年， 他用函数空间的点来表示作布朗运动的粒子的路径，并证明，所 有这些路径除了概率为O的集合外，都是连续但又不光滑即几乎 处处不可微的。他运用勒贝格积分计算了这些路径上函数的平均 值。1923年，维纳第一次给出随机函数的严格定义，证明可以是 布朗运动的理论模型。维纳从样本路程的观念出发，研究“路径” 的集合，引进维纳测度，揭示了连续而不可微函数的物理特征， 故布朗运动又称维纳过程。维纳的工作对于概率是极富成效的。 它不仅给老问题注入了新生命，更重要的是开辟了崭新的研究领 域，揭示了概率论和其他数学分支之间引人注目的联系。维纳的 这项研究可以说是现代概率论的开创性工作。现在把定义在连续 函数空间的一种描述布朗运动的测度称为维纳测度，关于这个测 度的积分称为维纳积分。后来，日本数学家伊藤清在此基础上发 展了随机积分论。 维纳主要成果二：维纳主要成果二：引进巴拿赫引进巴拿赫维纳空间维纳空间 1920年，维纳将法国数学家弗雷歇关于极限和微分的广义理论 推广到矢量空间，并给出了一个完整的公理集合。维纳的结果 与几个星期以后发表在波兰数学期刊上的巴拿赫的论文不谋而 合，广义的程度也分毫不差。巴拿赫构想和发表他的理论比维 纳早几个月，但两者的独立程度是一样的。故这两项工作一度 被称为巴拿赫一维纳空间理论。维纳在短时间里继续发表了有 关这方面的成果，为冯诺依曼1927年提出希尔伯特空间以及希 尔伯特空间中的算子的公理方法提供了基础。后来维纳逐渐离 开了这个领域，但他对泛函分析这一20世纪产生和蓬勃发展的 新兴数学分支所作出开拓性工作己载入数学史册。 维纳主要成果三：维纳主要成果三：阐述位势理论阐述位势理论 19231925年，维纳对位势理论作出基本的贡献。对于给定 连续边值函数的狄利克雷问题，得出了确切的广义群。对于 一般的紧集定义容度概念，并给出著名的正则性判据。早先 关于一个区域内部的电磁势的概念认为，它应当同边界上给 出的那些值完全一致。维纳遵照他业已研究过的类似于广义 积分的概念，注意到一个区域内部的势可以被看作是由边界 周围的势的线性组合决定，即使按照这个定义在接近边界点 时不能给出一个连续函数边界。这是一个崭新的概念，维纳 由此大大地扩展了位势理论的许多概念，包括电荷和电容的 概念。这一成果的意义在于，新理论认为，一个内点的势与 边界值的关系是一种广义积分，而不是由一种将这些内部势 与边界上的势结合起来的极限过程。这就把原有关于边界问 题的观点颠倒了过来。就象数学上曾经有过的多次观点颠倒 一样，重新阐述位势理论给多年来被一种过于因循守旧的论 点弄得死气沉沉的局面吹进了一股清新的空气。 维纳主要成果四：维纳主要成果四：发展调和分析发展调和分析 为了给亥维赛计算法建立一个扎实的逻辑基础，维纳走上了调 和分析的新道路。1926年初他发表了这方面的第一篇论文，此 后五年的工作以一篇广义调和分析的长文而达到顶峰。维纳从 物理学借来函数作为调和分析的钥匙，而后又把它同通讯理论 联系起来，把写成傅立叶变换。他获得了现在所说的光谱分布 状态。为了证明其中一个关键性的公式，维纳在哈代和李特尔 伍德的陶伯定理中提出了一种强有力的高度独创的方法，即非 零绝对收敛傅立叶级数的著名的反转定理。这是一个具有统一 数学抽象意义的惊人例子。维纳在这方面的成果后来成为巴拿 赫代数理论的基础，并由此导出诸如素数定理等结果。 维纳主要成果五维纳主要成果五：发现维纳发现维纳霍普夫方法霍普夫方法 1930年前后，维纳与天文学家霍普夫合作，共同研究一类给定在 半无穷区间上的带差核的奇异积分方程。此类方程现在被称为维 纳维普夫方程。维纳推广了霍普夫关于辐射平衡态的研究，于 1931年得出其求解方法。其基本思想是通过积分变换，将原方程 化为一个泛函方程，然后再用函数因子分解的方法来求解，因此 维纳霍普夫方法又称因子分解法。它已成为研究各种数学物理 问题的一种常用方法。维纳创造性地说明，维纳霍普夫方程最 引人注目的应用表现在两种进程间的分界是时间上的而非空间的 ，这正是在预测理论的某些方面可应用的非常适当的工具。他进 一步指出，还有许多关于仪器研究的更一般的问题可以用这种作 用于时间的技术来解决。40年代以后，这一方程的理论在解析函 数边值问题、调和分析和算子理论的基础上得到了系统的发展， 其应用也从辐射问题扩展到许多其他领域，如中子迁移、电磁波 衍射、控制论、多体问题及入口理论等。 维纳主要成果六：维纳主要成果六：提出维纳滤波理论提出维纳滤波理论 在第二次世界大战期间，为了解决防空火力控制和雷达 噪声滤波问题，维纳综合运用了他以前几方面的工作， 于1942年2月首先给出了从时间序列的过去数据推知未来 的维纳滤波公式，建立了在最少均方误差准则下将时间 序列外推进预测的维纳滤波理论。维纳的这项工作为设 计自动防空控制炮火等方面的预测问题提供了理论依据 ，并为评价一个通讯和控制系统加工信息的效率和质量 从理论上开辟了一条途径。它对自动化技术科学有重要 的影响。维纳在问题中引进统计因素并使用了自相关和 互相关函数，事实证明这是极其重要的。维纳滤波模型 在50年代被推广到仅在有限时间区间内进行观测的平稳 过程以及某些特殊的外平稳过程，其应用范围也扩充到 更多的领域，至今它仍是处理各种动态数据(如气象、水 文、地震勘探等)及预测未来的有力工具之一。 维纳主要成果七：维纳主要成果七：开创维纳信息论开创维纳信息论 维纳是信息论的创始人之一。他从带直流电流或者至少可看作直 流电流的电路出发来研究信息论，独立于申农，将统计方法引入 通讯工程，奠定了信息论的理论基础。维纳把消息看作可测事件 的时间序列，把通信看作统计问题，在数学上作为平稳随机过程 及其变换来研究。他阐明了信息定量化的原则和方法，类似地用 “熵”定义了连续信号的信息量，提出了度量信息量的申农维纳 公式：单位信息量就是对具有相等概念的二中择一的事物作单一 选择时所传递出去的信息。维纳的这些开创性工作有力地推动了 信息论的创立，并为信息论的应用开辟了广阔的前景。信息论创 立者申农说：“光荣应归于维纳教授”。 维纳主要成果八：维纳主要成果八：创立控制论创立控制论 维纳对科学发展所作出的最大贡献，是创立控制论。这是一门以 数学为纽带，把研究自动调节、通信工程、计算机和计算技术以 及生物科学中的神经生理学和病理学等学科共同关心的共性问题 联系起来而形成的边缘学科。1947年10月，维纳写出划时代的著 作控制论，1948年出版后，立即风行世界。维纳的深刻思想 引起了人们的极大重视。它揭示了机器中的通信和控制机能与人 的神经、感觉机能的共同规律；为现代科学技术研究提供了崭新 的科学方法；它从多方面突破了传统思想的束缚，有力地促进了 现代科学思维方式和当代哲学观念的一系列变革。现在，控制论 已有了许多重大发展，但维纳用吉布斯统计力学处理某些数学模 型的思想仍处于中心地位。他定义控制论为：“设有两个状态变量 ，其中一个是能由我们进行调节的，而另一个则不能控制。这时 我们面临的问题是如何根据那个不可控制变量从过去到现在的信 息来适当地确定可以调节的变量的最优值，以实现对于我们最为 合适、最有利的状态。” 鲁道夫鲁道夫 卡尔曼（卡尔曼（Rudolf Emil KalmanRudolf Emil Kalman） 1953年于麻省理工学院获得电机工程学士，第二年获得 硕士学位。1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。1964 年至1971年任职斯坦福大学。1971年至1992年任佛罗里 达大学数学系统理论中心（Center for Mathematical System Theory）主任。1972起任瑞士苏黎世联邦理工学 院数学系统理论中心主任直至退休。先居住于苏黎世和 佛罗里达。2009年获美国国家科学奖章。 鲁道夫鲁道夫 卡尔曼的贡献卡尔曼的贡献 卡尔曼滤波的一个典型实例是从一组有限的，包含噪声的 ，对物体位置的观察序列（可能有偏差）预测出物体的位 置的坐标及速度。在很多工程应用(如雷达、计算机视觉) 中都可以找到它的身影。同时，卡尔曼滤波也是控制理论 以及控制系统工程中的一个重要课题。当输入为带有高斯 白噪声的信号时，使期望输出和实际输出之间的均方根误 差达到最小的线性系统，这种滤波方法以它的发明者鲁道 夫.E.卡尔曼的名字命名为卡尔曼滤波。 二、历史发展二、历史发展 第一代过程控制体系：是150多年前基于513psi的气动信 号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System） 。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制 室的概念。 第二代过程控制体系（模拟式或ACS, Analog Control System）: 是基于010mA或420mA的电流模拟信号， 这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控 制领域。它标志了电气自动控制时代的到来。控制理论有 了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础； 控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。 二、历史发展二、历史发展 第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）. 70年 代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在 测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程 控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第 三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了 计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自 然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需 要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用420mA的 模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性 方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统 瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。 第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分 布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处 理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前 普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字 控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有 一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部 件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征 。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅 依赖于420mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代 模拟信号。 二、历史发展二、历史发展 二、历史发展二、历史发展 第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场 总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从 CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现 场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的 真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的 DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达 到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器 之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高 ，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力， 实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓 现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向 传输、具有多节点分支结构的通信链路。简单地说传统的 控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行 器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也 就是数字信号。主要的总线有Profibus，LonWorks等。 三、基本原理三、基本原理 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越 重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下， 利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器 ，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参 数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。自动控制 理论是研究自动控制共同规律的技术科学。它的发展初期 ，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控 制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火 炮定位系统，雷达跟踪系统以及其他基于反馈原理的军用 设备，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后 ，以形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为 基础的经典控制理论，它主要研究单输入-单输出，线形定 常数系统的分析和设计题。 , , 配电自动化 自动控制加工 四、产生价值四、产生价值 自动化技术的深入发展，促进了单元技术的不断综合，以 CIMS为代表的未来工厂自动化技术，正不断显示出其巨 大的效益，以美国科学院根据对美国在CIMS方面较领先 的五大公司的长期调查分析，认为采用先进自动化技术， 如CIMS，可以获得以下效益： , , 四、四、产生价值产生价值 a.产品质量提高 200-500% b.生产率提高 40-70% c.设备利用率提高 200-300% d.生产周期缩短 30-60% e.在制品减少 30-60% f.工程设计费用减少 15-30% g.人力费用减少 5-20% h.提高工程师的工作能力 300-3500% 由此可见，自动化技术的应用，其效益明显提高。 , , , , 五、五、主要应用一：调速器主要应用一：调速器 实际上这个离心调速器不是瓦特发明的，一般我们叫瓦特的 离心调速器，它实际上不是瓦特的发明。这是什么呢？就是 在那个时期，大家看到风力磨坊就是相当于离心调速器的那 个飞球，实际上在那个时候，已经有这样的调速器。瓦特是 改良了蒸汽机，用了这样的一个调速器，但是现在很多人都 愿意把这个离心调速器，挂在瓦特的名下。所以一般的书上 ，大家看到的是瓦特的离心调速器，你要看正式的书，假如 材料写的确切的话，只说1788年前后，不确切说哪一天的年 代，因为不是他发明的。就是说一项科学技术的发展，并不 是一个人，就是说瓦特又能发明蒸汽机又能发明调节系统， 好像什么都是他发明的，实际上他也利用了前人的很多知识 的积累。这是1788年，随后大概有一百年左右的历史，工业 里边自动控制系统就是个离心调速器，当时主要就是个蒸汽 机，蒸汽机离心调速器，没有别的类型，后来进到二十世纪 ，就是出现了飞机。大家可能知道的，斯佩雷（Sperry）发 明了陀螺，他想办法把陀螺做成一个自动驾驶仪。 五、主要应用二：五、主要应用二：火力控制火力控制 1925年-1940年，斯佩雷（Sperry）的工作，这里谈的是 anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是这样的：它 这个火力控制，这里一大堆人的地方，这是它主要的核心 部分，叫火控指挥仪。火控指挥仪是指什么意思呢？根据 飞机的方位角、高低角，飞机在飞的时候还有一个前置角 ，打前置角，把这个呢，控制火炮，告诉火炮。就是这个 地方是它的指挥仪，等到火力控制的地方，这里站了三个 人，当时的术语叫人工伺服，三个人，为什么三个人呢， 一个方位角，一个高低角，还有一个引信。因为他那时候 还要算出来，就是要指挥仪算，算出来我炮弹飞到你飞机 的时候，需要多少时间。引信就是指一个定时器，它拨到