计算机时代下的自动控制理论与自动化技术(2017大学报告)

韩璞教授,TEL-mail:hanpu,计算机时代下的自动控制理论与自动化技术,2、电子元器件与数字计算机的发展简史,报告内容,3、自动控制理论发展的三个阶段,4、计算机时代控制理论的数学工具数字仿真与参数优化,5、系统智能建模方法,6、自动控制系统分析与优化设计,1、自动控制学科简述,前言,我们每个人都生活在4维空间，我们的思想、理念、知识、理论和技术都是时间的变量,韩璞,一、自动控制的问题描述,问题描述,设计一个自动控制系统：,控制系统任务：,在一定的品质指标下消除一切扰动，维持被控量为希望值,时域指标,频域指标,开环控制系统的品质指标,品质要求：按程序步运行,“自动控制理论”所要解决的问题,1、被控对象的数学模型,2、控制系统的调节品质指标,3、控制系统的结构,4、控制器结构或算法（PID等）,5、最优品质指标下的控制器结构或参数,自动控制对象,发电过程,1、过程控制,石化过程,2运动控制,3程序控制,数控机床,生产线,轨道交通,大型设备的启停,切削加工自适应控制系统,大型引风机启动逻辑程序步骤,混杂系统,生产（运动）过程系统,自动化设备（系统）,自动控制理论主要针对生产（运动）过程系统,4混杂系统,二、电子元器件与数字计算机的发展简史,电子管,晶体管,集成电路,微处理器,1947年发明5070年代使用,1971年80年代后得到了快速发展,1961年发明7080年代使用,1904年发明,1、控制器元器件发展,运算放大器：,60年代晚期集成电路,1930年电子管,1950年后晶体管,第一代：电子管计算机,第二代：晶体管计算机,第三代：集成电路计算机,第四代：大规模集成电路计算机,1946年2月14日世界上第一台计算机诞生,(1964-1971),（1967年1978年）,1951：无操作系统，机器指令或汇编语言,（1957-1964）,中国第一台1967,2、计算机的发展历程,计算机硬件结构,冯诺依曼,（1.8万只，占地170m2,30t）,第五代：智能计算机：,第六代：生物计算机,（一个蛋白质分子就是存储体）,能够模拟、延伸、扩展人类的智能,（1980年代）,1983年美国提出生物计算机的概念，目前正在研究发展，还没有被商业化,3、微处理器（CPU）与个人计算机（PC）,1、1971年，Intel公司首先推出了世界上第一个4位微处理器芯片Intel4004同年，第一台使用了4004芯片的微型计算机诞生了。,2、1972年Intel公司推出了8位微处理器芯片8008，之后的几年中，8位微型计算机得到了飞速的发展。其中最为著名的是苹果公司的AppleII,3、1978年Intel公司推出了16位微处理器芯片8086,5、1985年Intel公司推出32位微处理器80386,4、1981年第一部桌上型计算机IBMPC(personalcomputer）,计算机硬件结构总线结构,三、自动控制理论发展的三个阶段,J.C.Maxwell发表了“论调节器”,1868年,1948年维纳发表了控制论,在这一时期，使用的电子元器件是电子管，存在着体积、质量和使用寿命等都诸多问题，当时又没有计算机作为计算工具，所以，不得不根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，采用人工做草图和表的方法，对控制系统进行分析与优化设计，进而使得控制算法能在实际工程中得以实现并能满足控制品质要求。,1、经典控制理论阶段(1868-1948年）,不能在时域求出微分方程的解析解和数值解,变换到复频域,用做草图的方法求解微分方程,控制器：,P,超前滞后补偿,（超调量和过渡时间）,频率域品质指标：,比例控制是有差控制，仅适合无自平衡对象,经典控制理论更适合运动过程系统,例：,经典控制理论主要贡献,1）传递函数,1942年H.Harris定义了传递函数：在零初始条件下，系统输出的拉氏变换与输入拉氏变换只比。然而，拉氏变换是法国数学家、天文学家拉普拉斯（Laplace）于1812年提出来的，主要用来求解微分、积分方程，偏微分方程。,2）劳斯稳定性判据,劳斯表：,缺陷：1、求闭环传递函数困难2、只能得到临界稳定点,劳斯于1877年提出的稳定性判据能够判定一个多项式方程中是否存在位于复平面右半部的正根，而不必求解方程,3）根轨迹法判据,缺陷：1、求闭环传递函数困难2、绘制根轨迹困难3、只能是一个参数的根轨迹4、很难给出闭环极点要求,1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，这一方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系,4）奈奎斯特稳定性判据,缺陷：1、给出频域品质指标困难2、频率特性曲线难于绘制,美国学者H.奈奎斯特1932年提出：根据闭环控制系统的开环频率响应判断闭环系统稳定性的准则。奈奎斯特稳定判据只能用于单变量线性定常系统。,伯德图是由贝尔实验室的荷兰裔科学家Bode，H.W.在1940年提出。Bode发明了一种简单但准确的方法绘制增益及相位的图。,5）伯德图,缺陷：必须已知传递函数中的所有参数,对离散时间系统进行拉普拉斯变换时，遇到了。定义：,1947年由W.Hurewicz提出，用来解决线性常系数差分方程1952年，在哥伦比亚大学被Ragazzini和Zadeh冠以“thez-transform”,称为Z变换,6）z传递函数,脉冲传递函数,缺陷：1、求脉冲传递函数困难2、分析方法难于掌握,7）描述函数与相平面,相平面,描述函数,缺陷：频域法的所有缺陷,8）PID控制律,1936年考德伦,PID控制律蕴含着“哲学”思想：P（比例）根据当下（现在）的偏差实施控制；I（积分）根据积累（过去）的偏差实施控制；D（微分）根据偏差的变化率（未来）实施控制。,经典控制理论的无能为力!,品质要求：,某火电站主汽温度控制系统,某飞机俯仰姿态自动控制系统,控制器,升降舵伺服电机,飞机本体,垂直陀螺仪,某导弹控制系统,导弹旋转初始角速度62.8ran,在19501960年代蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展的支持下，控制理论在1960年前后有了重大的突破和创新。,1960年卡尔曼发表了著名文章线性滤波与预测问题的新方法,2、现代控制理论阶段（19501960年代）,在该文章中出现了名词现代控制理论,现代控制理论的核心思想：,被控对象的描述：在时间域里用状态方程描述多输入多输出系统,控制策略：状态反馈,品质指标：,1、特征方程极点位置,状态反馈控制系统设计方法,1、跟匹配法,给出所希望的闭环系统特征方程：,2、最优控制,1892年，他的博士论文论运动稳定性的一般问题,没有必要讨论一般性问题，具体问题具体分析,只需要按稳定性定义，用计算机直接求解即可！,控制系统分析方法李雅普诺夫稳定性理论,现代控制理论的无能为力!,判断可控性、可观性没有必要，也很困难,脱丁烷精馏塔两端产品的质量控制,状态反馈控制：很难给出闭环极点,3、智能控制理论阶段（1970年代）,2）化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程要求实现的最简单的任务有：监控、预警等，远远超出镇定的范围,现代工程系统的需要：,1）车间调度控制，在工程上称为柔性制造系统（FMS）及计算机集成制造系统（CIMS）。离散事件动态系统（DEDS）理论，要求完成的任务已远比镇定复杂多了,机器人班组控制，要求跟踪、操作、适应复杂环境、自主控制之外，还要求能避免内力对抗、运动及力量的协调等,太空飞行器上的空间机器人，具有自己的特点：多体系统、受非完整约束、自主控制、遥控、装配等等。,拟人机器人，要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。,3）拟人机器人、智能机器人及车，要求实现的任务更是多种多样的，如跟踪、代替人做各种操作以及简单的装配任务等。,（1）先进控制器自适应与预测控制,（2）智能控制器,在70年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在另一个方向规则控制（rule-basedcontrol）上取得了重要的进展。70年代可以看作是智能控制的形成期。,模糊控制器,（3）智能控制系统,从70年代初开始，傅京孙、Gloriso和Saridis等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织自学习控制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人-机交互式分级递阶智能控制的系统结构。,控制系统的任务不再是单一的稳定性问题，而是对复杂系统的整体控制要求，甚至直接对系统生产出的产品质量提出要求。控制策略也不再是控制回路中单一的控制算法，而是针对多种控制任务而设计的智能控制系统。,四、计算机时代控制理论的数学工具数字仿真与参数优化,差分方程,传递函数,微分方程,数学模型的发展过程,17世纪（1684年）,1942年H.Harris,1812年Laplace,差分方程,传递函数,微分方程,仿真程序,数字仿真过程：,（1）,（3）,（2）,1、数字仿真,求：,的值,经典解法：,令：,，则有：,根据导数的定义：,数值解法：,已知,求微分：,求积分：,经典解法：,数值解法：,经典解法：,计算机解法：,x=0;DT=1;fork=1:1:500 x=x+DT/85*(-x+1);y(k)=x;Endplot(y),求解微分方程：,欧拉公式,离散相似公式,传递函数,方框图,（1）,实例,微分方程,传递函数,（2）,差分方程,微分方程,（3）,clearall;DT=1;ST=800;LP=ST/DT;Q=0;DTA=0.52;Ti=65;x1=0;x2=0;x3=0;R=1;fori=1:LPe=R-x3;x1=x1+DT/DTA/Ti*e;upi=e/DTA+x1;x2=x2+DT*0.6369*(-x2+upi)/54;x3=x3+DT*(-x3+x2)/53.6;t(i)=i*DT;y(i)=x3;endplot(t,y,b);holdon;,差分方程,仿真程序,（4）,两项任务：,无论做任何工作，人们总希望选用所有可能方案中最优的方案,一、怎样把要求解的问题用一个有极值（极小或极大）的带有约束条件的函数来描述（通常把这个函数称为目标函数）；,二、在提出的目标函数下，采用什么样的策略来改变系统的参数，使这个目标函数达到最小或最大。,最优化问题：,（规划数学与运筹学）,2、参数优化,1）目标函数,t,1,r,综合型目标函数：,快速性约束,输出幅值约束,稳、准性约束,2）优化策略,起始点,终点最优点,爬山法：,（1）经验整定公式,（2）经典参数优化算法,多变量单纯形法,（3）穷举法,遗传算法、蚁群算法、粒子群算法,（4）群体智能,粒子群算法,函数计算,控制系统参数优化实例,设计综合目标函数,%控制系统仿真及目标函数计算子程序functionQ=Simu_obj(DTA,Ti)DTA=0.081*0.93*10;Ti=0.6*2*73.3;DT=1;ST=1000;LP=ST/DT;a=exp(-DT/73.3);b=1-a;x1=0;x2=0;xi=0;Q=0;fori=1:LPe=1-x2;xp=e/DTA;xi=xi+DT/DTA/Ti*e;u=xp+xi;x1=a*x1+0.93*b*u;x2=a*x2+b*x1;t(i)=i*DT;U(i)=u;Y(i)=x2;Q=Q+t(i)*abs(e)*DT;endumax=abs(max(U)Mp,tr,ts,FAI,Tp,E1,E2,E3=O_quality(DT,LP,Y,t)if(FAI0.98);Q=Q+1030;endifMp20;Q=Q+1025;endifumax2;Q=Q+1020;endiftr100;Q=Q+1015;endifts400;Q=Q+1015;endplot(t,U,t,Y,r);holdon;,五、系统智能建模方法,差分方程,传递函数,微分方程,数学模型的发展过程,17世纪（1684年）,1942年H.Harris,1812年Laplace,（理论建模白盒法）,（试验建模黑盒法）,灰盒法,辨识原理,目标函数：,最小二乘建模,模型结构：,目标函数：,模型解析解：,目标函数：,令：,模型结构：,最小二乘辨识方法的困境,1、怎样加入希望的扰动及怎样消除随机噪声,2、怎样对多输入系统进行辨识,3、怎样对闭环系统进行辨识,智能建模灰盒法,我对模型的认识,实例,智能建模,选择模型：,目标函数：,求解方法：,群体智能,应用实例开环系统建模,应用实例闭环系统建模,六、自动控制系统分析与优化设计,控制问题：,解决方案：,数字仿真（微分方程的数值解）+参数优化,提出控制品质指标+选择控制系统结构+选择控制器结构和算法（PID）,优化控制器参数优化出被控系统模型参数,流化床锅炉床温控制,1、单回路控制,要求控制品质指标,目标函数,转子绕线机系统,使系统对斜坡输入响应的稳态误差小于10%；系统对阶跃响应的超调量在10%左右；按稳态误差要求的调节时间为3s左右。,设计滞后校正装置,优化目标函数：,如果,罚函数：,则让,如果,则让,