《控制理论概要》PPT课件

1、智能控制理论,主讲人:李俊民西安电子科技大学数学系,控制论学科属于数学学科下属的五个二级学科之一,数学一级学科二级学科：基础数学；计算数学；概率统计；应用数学运筹学与控制论：应用背景最强的学科，是控制工程的理论。工业自动化，机器人系统中有重要的应用。,第一讲,控制理论概况介绍,提纲Outline,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与挑战控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,提纲Outline,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与挑战控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,1控制基本问题实例1,(a)手动控制漫画(b)自动

2、控制图1水温的手动控制和自动控制的示意图,图1中水温的操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。同时他要决定（通过大脑）：他的手应该朝哪个方向旋转加温用的蒸汽阀门和旋转多大的角度。采用自动控制时上述功能都有各种的元件和仪表来代替。例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。调节问题（Regulation）,实例2-防空导弹制导系统,各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸（图2）。跟踪问题(Tracking),现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包括实现对这种控制的自动

3、化。例如公共电网上的电压是50周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为恒值、卫生洁具水箱的水位也保持为恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。,控制系统遍布现代社会和现代生活!人类离不开自动控制装置和设备.,提纲Outl

4、ine,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与挑战控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,控制的工程概念,控制概念的关键是反馈，它的工程概念是指用一个机器或过程偏离所期望的运行状态的偏差来推动一个装置，使机器或过程回到期望的状态。该概念适合于自动调节系统，自动跟踪系统等工程系统。1948年Wiener(维纳)将通讯和控制系统的控制机理和生物机体中某些控制机制加以类比，形成控制论,控制概念的一般定义,对于某个确定对象或过程，根据给定的目标或任务所采取的行为或决策。该概念可以应用于更一般的系统,如经济系统、社会系统、生物系统和方法论中。,控制基本问题的分类,调节问

5、题（Regulation）跟踪问题(Tracking),提纲Outline,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与展望控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,控制科学发展历史及其展望,1经典控制理论阶段,远在十七世纪人类就利用对反馈和控制的认识，创造了许多装置，如古老的钟表机构，水轮及风力磨房的速度调节。1765年瓦特（JamesWate）发明了蒸汽机，利用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，对第一次工业革命产生了重大作用。,公元1788年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图3

6、）,1868年Maxwell发表的“关于调节器”一文指出，控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来确定。1875年Routh利用多项式根的组方法建立了判断实多项式右半平面根个数的算表从而给出了判别稳定性的Routh判据。1895年赫尔维茨(Hurwitz),采用多项式系数排成的矩阵的主子式的符号来判断右半平面根的个数和稳定性。先后找到了系统稳定的代数判据，即系统特征根具有负实部是系统稳定的充要条件。1892年俄国学者Lyapunov发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文提出了用适当的能量函数Lyapunov函数和正定性及其导数的负定性来鉴别系统的稳定性准则

7、，从而总结和发展了系统的经典时域分析法。,1927年Black发明了负反馈放大器1932年美国贝尔实验室工程师Nyquist发表了反馈放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定的Nyquist判据。后来苏联学者米哈依洛夫又把Nyquist判据推广到条件稳定的开环不稳定系统的一般情况，由Nyquist判据而提出的频率响应理论为控制工程师提供了设计一个具有高度质量动态品质及静态准确度的控制系统所需要的分析工具。在二战中频率域法被推广到离散系统、随机系统及非线性系统中。,1948年Evans提出了“根轨迹法”的重要结果，提供了从系统微分方程式模型研究问题的一个简单而有效的方法。1948年美国著名的控制论

8、创始人Wiener系统总结了前人结果，发表了控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科的产生奠定了基础。直到此为止，完成了控制理论第一阶段，称为古典控制理论。,古典控制理论主要是解决单输入单输出问题（SISO）；主要采用传递函数、频域特性、根轨迹为基础的频域分析法。研究系统多半为线性定常系统,2.现代控制理论阶段,1960年Kalman提出的状态空间法及能控性及能观性概念，建立在状态空间法基础上的线性系统的分析和综合方法通常称为现代线性控制理论自60年代中期以来，现代控制理论又有新的的理论和方法，主要有线性系统的几何概念、代数理论和多变量频率域方法。还

9、有Bellman的动态规则和Pontryagin的极大值原理和Kalman滤波器理论等。,20世纪60-70年代，英国学者H.罗森布罗克、D.梅恩和A.G.麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法。,70年代初瑞典的Astrom和德国的Landau分别提出了自校正理论和模型参考自适应控制理论。两者形成了自适应控制理论的基本内容70年代末期Mesarovic根据分解-协调原理提出了大系统理论，其中的递阶结构和分散结构理论，为解决复杂系统问题提供了很好的方法论。大系统是指由许许多多子系统通过广泛互连接而形成的复杂系统，大系统理论中提出的关联预测法和关联平衡法成为处理关联关系的有

10、效方法。,现代控制理论包括：线性控制系统理论、最优控制、系统辨识、随机控制理论、自适应控制以及大系统控制理论、鲁棒控制、非线性控制理论等,现代控制理论的特点,现代控制理论是解决多输入多输出问题（MIMO）；主要采用状态空间法分析法。研究系统为非线性（大）系统。现代控制理论是模型论，而不是控制论,3.智能控制理论阶段,控制理论是研究各种系统的一般性共同控制规律的科学，它的应用已遍及当今技术社会的方方面面，成为人们认识和改造世界进程中不可或缺的基本手段。,随着计算机和其它高技术的急剧发展以及世界范围内日益加剧的经济竞争，人类一方面面临处理越来越复杂的大量动态系统，另一方面保持技术和经济竞争的优势不

11、断地刺激着追求系统控制的精确性、有效性和可靠性。航天技术、生命科学、工业过程，以至社会经济和生态环境等领域出现了大量的复杂系统控制问题，对控制理论提出了前所未有的挑战。研究智能化程度越来越高的控制方法以处理日益复杂的实际动力系统是控制理论的发展趋势。,智能控制的诞生,3C问题:对象复杂,任务复杂和环境复杂问题现代控制理论无法解决.复杂系统的主要特征表现在如下几方面：动力学模型的不确定性；测量信息的粗糙性和不完整性；动态行为或扰动的随机性；离散层次和连续层次的混杂性；系统动力学的高度非线性；状态变量的高维性和分布性；各子系统间的强耦合性。复杂系统控制在规模上、复杂性及灵活性上将大大突破传统的自动

12、控制在概念和方法上的局限性。它要求控制系统对被控对象的动力学模型要有“学习”和“识别”能力，对环境和扰动的变化要有“适应”和“稳健”能力，等等。可以认为，研究智能化程度越来越高的控制方法以处理日益复杂的实际动力系统是控制理论的发展趋势。,智能控制的诞生,将人工智能引入到自动控制系统，形成智能控制系统。这是新一代的自动控制系统。它的特点是具有智能，能解决一些以往的自动控制解决得不好或者不能解决的控制问题。它将人工智能中的专家系统、学习控制、模糊逻辑控制和具有多层感知器的神经网络等分别与自动控制和系统工程的一些方法相结合，形成一些新的、具有独特性能的智能自动控制系统，例如智能机器人。,3C问题的实

13、例,1.三级倒立摆系统,2.综合自动化,20世纪50年代末到60年代初，开始出现电子数字计算机控制的化工厂，60年代末在制造工业中出现了许多自动生产线，工业生产开始由局部自动化向综合（全盘）自动化方向发展。70年代出现用专用机床组成的无人工厂，80年代初才出现用柔性制造系统组成的无人工厂（图4和图5）。,无人加工车间,图4,3.无人组装车间,图5,4.智能和水下机器人,机器人及其应用,机器人发展概况,机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的40年内发生了日新月异的变化。机器人已经不仅成为先进制造业不可缺少的自动化装备，而且正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领

14、域渗透。,机器人主要分为两大类：用于制造环境下的工业机器人（如焊接、装配、喷涂、搬运等机器人），和用于非制造环境下的特种机器人（如水下机器人、农业机器人、微操作机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等）。,智能移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。机器人也正在向拟人机器人的方向发展。特种机器人在海洋与农业、服务与医疗、生物与基因工程、航空与航天等领域的应用显示出强大的生命力，如安全微创的脑外科辅助定位机器人、雕刻机器人、导游机器人等都进入实用化阶段。,图7机器人正在清洗瓷砖壁面,迈向二十一世纪的中国机器人,图8焊接机器人,我国把智能机器人列为高技术发展计划，主要是围绕特种机器人进行攻

15、关。完成1000m水下无缆自治机器人的研制，并完成了无人驾驶振动式压路机、隧道凿岩机、大型喷浆机、机器人化装载机、自动摊铺机等机器人化工程机械。我国在研制出遥控移动机器人及爬壁机器人以后，又根据市场需求开发出排爆机器人、面壁,清洗机器人、医疗辅助机器人、机器人足球等。,机器人涉及的自动化技术,（1）变结构控制与学习控制变结构滑动模控制一直是机器人控制研究的重点，因其直观上的合理性而得到特别的重视。自适应滑动模控制等新的方法对传统的方法做了重要的改进。,（2）机器视觉与机器智能如何获取场景和目标的图像信息，并把其处理成机器能够理解的特征或模式，是机器智能中非常困难的研究课题。,（3）智能控制与信

16、息融合室外智能移动机器人所涉及的关键技术包括移动机器人的控制体系结构、机器人视觉信息的实时处理、车体的定位系统、多传感器信息融合技术，以及路径规划技术与车体控制技术等。,5.高速列车和太空飞行器的智能控制,高速列车简介,采用交流传动技术，流线型头形、轻量化鼓形车体、动力学性能较好的小轮径动力车转向架等，架装了导流板，而控制系统采用MITRAC分布式微机控制装置等，使该车组技术性能进一步完善和提高。我国高速“子弹头”列车，时速达300多km/h。,磁悬浮高速列车已在上海运行，最高速每小时430km。,人类太空飞行与国际空间站,国际空间站是一座有两个足球场大小的空间站，将成为人类历史上第一个完备的

17、太空实验室。,我国于2000年成功发射了神舟二号飞船。飞船在太空飞行的几天中，进行了一系列的空间材料、空间天文和空间生物等实验。在这艘飞船上装有空间晶体生长炉、空间生物培养箱、宇宙天体高能辐射监测仪、大气密度探测器等实验设备，俨然一个太空实验室。,神舟五号飞船,这是最后一次无人的飞船，但为有人飞行作最后的准备。飞行108圈后于2003年1月5日返回地球。神舟五号飞船于2004年载人成功飞行。,和已往的飞船一样，太空实验室进行空间材料试验、空间生命科学、空间天文和空间生物以及空间环境、太空辐射探测等实验。具有划时代意义的飞行是宇航员在神舟五号飞船中记录了许多重要的资料。,我国于2002年底成功发

18、射了神舟四号飞船。,6.虚拟现实技术,6.4.2常用的虚拟现实系统（1）飞行仿真系统（2）作战仿真系统（3）与虚拟生物对话（4）用于遥控机器人的遥现技术,动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术,虚拟现实涉及的自动化关键技术:,7.巡航导弹和预警飞机,巡航导弹及其测控系统在翼式导弹和无人驾驶遥控飞机的基础上，利用红外成像技术、精密制导技术、隐形技术，配之以先进的电子集成电路、微型计算机等，研制出小巧、机动灵活,、精度高、成本低的低空突防武器巡航导弹。巡航导弹在现代战争特别是局部战争中发挥着重要作用。,巡航导弹测控中的自动化技术,巡航导弹测量的

19、传感器类型一般为普通光学、激光（红外）、声学、无线电波等。由于激光雷达的波束角窄，角度测量精度高，所以只要单台便可进行高精度跟踪测量，利用一部雷达测得目标的距离、方位角和高低角来进行目标定位。为了增强回波信号，要在巡航导弹上安装协作目标。,预警飞机概述,机载预警系统中的自动化技术：,空中预警飞机是用于搜索、监视和跟踪空中和海上目标的作战支援飞机。其目的是达到快捷准确发现敌人目标、有效跟踪目标，并指挥拦截或阻击敌人目标。,图9美制E-3“望楼”空中预警飞机,有源相控阵雷达技术、阵列信号、空时二维信号处理技术、机载环境下光学探测及图像处理技术、多目标跟踪与多传感信息融合技术、敌我识别技术、机载并行

20、计算机技术、态势评估、威胁评估和战斗辅助决策指挥技术、导航技术,8.数字地球与机敏传感网络,把整个地球“数字化”之后，装进计算机里面，借助它，人们无论走到哪里都可以按地理坐标了解地球上任何一处、任何方面的信息。,设想把有关地球海量的、多分辨的、3-维的、动态的数据按地理坐标集成起来，形成一个一体化的“数字地球”。,7.1数字地球北京宣言,7.2机敏传感网络,机敏传感网络将为士兵提供实时图像、微观气象、移动目标、集成信息等有用信息，所采用的技术可能包括物理模型、动态数据库、无线通信和下一代互联网等。在未来的社会中，传感器将无处不在，到处充满了各种各样的传感器，包括军用的和商用的。,机敏传感网络的

21、概念,9.大型射电望远镜跟踪系统,10智能物联网,所谓物联网，就是“物物相连的互联网”。通俗地讲，是把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。,物联网由传感感知、传输通信、运算处理、应用解决方案四大关键环节构成。国家传感网创新示范区，无锡在国家物联网产业中承担着重要的战略地位,陕西物联网应用技术项目,环保监测无线环境物联网项目、水文监测物联网项目、土壤水分及农业精细化工程物联网项目、智能建筑物联网项目、水电气热四大能源节能减排智能监测及控制系统、区域智能交通物联网项目、智能电网监测物联网项目、学校及幼儿园管理物联网项目等。,提纲Outl

22、ine,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与展望控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,控制理论研究热点问题,智能控制混合系统理论网络控制理论与网络安全先进控制理论与方法,复杂系统自适应学习控制理论与算法,复杂系统包括快时变系统、变时滞系统、未知系统（非线性参数化系统）和多模型系统的自适应控制、学习控制均是未解决问题。a）、自适应控制是研究系统参数不确性问题的有效方法，现有方法只对线性化参数有交往，对于非线性参数化问题是一个公开的难问题，近年来，这一方面已有一些研究成果部分解决此问题，但离完全解决有很大差距，因此，这一问题的研究一直是理论工作者的热点。,复杂

23、系统自适应学习控制理论与算法,b）、现有的自适应控制仅能处理未知参数情况，对于快时变未知参数一直是一个有挑战的问题。对于这种情况要得到自适应调节或自适应跟踪结果是非常困难的，但如果将自适应控制和学习控制相结合，研究时变系统的自适应学习控制问题，将有可能，我们已得到了自适应迭代学习控制和自适应重复学习控制的有效方法，如何将这一方法做深入研究是非常有趣的问题。c）、学习控制是基于系统品质学习的高级控制方法，有基于模糊逻辑系统的学习控制，基于神经网络的学习控制；迭代学习控制；重复学习控制等。将学习控制和自适应控制有机结合，研究对未知系统、多模型系统和新型系统策略是十分重要的科学问题。d）非一致目标跟

24、踪的自适应迭代学习控制是发展学习控制的重要方向之一，这一问题的主要特点在于控制目标是固定的，变化的，利用系统的复合能量函数是当前研究的有效方法；另外，利用函数逼近或样条插值理论将是潜在的途径之一。,混合系统建模、分析与控制,混合系统是由连续时间动态系统和离散事件动态系统组合而成的复杂系统，并且两部分相互作用、相互影响。目前，混合系统按离散事件动态系统的模型不同而进行分类，包括有切换系统、有限自动机系统、petri网系统、逻辑型系统pw系统等，以往关于连续时间动态系统和离散事件动态系统的研究均是分开进行，将两者有机结合，考虑两部分之间的相互作用的研究工作不太常见，本课题针对混合系统的研究现状，重

25、点对以下问题进行研究a）、对不确定切换型系统、不确定有限自动机型系统、不确定Petri网型系统和不确定逻辑型系统、不确定Piecewise型系统等研究它的建模，稳定性、能控性、能观性分析及综合及控制问题。b）、对以上五类混合系统研究它的同时镇定问题、鲁棒控制问题及自适应控制问题，以及干扰抑制或衰减问题等。c)、对随机混合系统（包括具有马尔可夫跳转系统）研究它的建模，稳定性、能控性、能观性分析及综合及控制问题d）、将a）,b)和c）中研究结果应用到先进制造系统，模糊逻辑系统的分析与设计中。,网络控制系统与网络安全,控制对象与控制器之间用网络连结起来的控制系统称为网络化控制系统，由于控制系统中嵌入

26、网络系统，使得整个系统变成一个复杂的混合系统，这一复杂系统性能包括了控制系统性能和网络系统性能，如何分析该系统的性能以及设计出一种优良的控制器是本课题的主要研究内容，在这一领域中，主要有两大类问题是急需研究的，一类的网络化系统的控制controlovernetworkedsystem，另一类是网络控制controlofnetwork，我们要研究的问题如下：a）、对于网络化系统的控制问题，一般将网络的主要特性提炼出来，即网络引起的时延和数据包的丢失，把它们融入到控制系统，研究一类变时延动态系统的分析与控制问题，分析网络化控制系统的性能。b）、复杂动态网络系统的建模、分析与控制和同步重点研究随机图

27、，小世界网络、尺度自由网络（Scale-free）的分析、控制与同步问题。,容错或非脆弱保性能控制,容错控制是指当系统执行器（控制器）或传感器出现故障或失效时，控制器仍能保持系统稳定，具备一定动态性能的控制方法；保性能控制是指系统存在参数或结构不确定性时控制器能保持系统某种性能（如二次型性能指标）的控制策略；非脆弱控制是指控制器结构或参数中出现不确定性时，设计反馈控制增益矩阵，使系统具有稳定性和较好的性能。目前关于线性系统容错或非脆弱保性能控制研究结果较多，而关于非线性、时滞、广义系统的容错或非脆弱保性能控制研究结果较少，这是本课题研究的主要内容。,群体动力系统（动态网络）理论,复杂动态网络系

28、统中同步化行为是自然界、社会生活和生物系统中的普通现象,如鸟群、鱼群和蚁群表现出来的群智能.复杂网络中的小世界特性、无标度和同步特性与网络拓扑结构有密切关系。研究一类复杂网络系统的稳定性和非脆弱同步算法，复杂网络系统的鲁棒牵制控制算法，分析系统的性能。,提纲Outline,控制问题实例控制的概念及其分类控制科学发展简史与展望控制理论研究热点问题控制论国际国内著名杂志和会议课程要求与考试,国际国内著名杂志和会议,一、国际期刊：IEEETransactionsonAutomaticControlAutomatica(IFAC汇刊)IEE（IET）ProceedingsPartD:ControlTh

29、eoryandApplicationsInt.JofControlInt.JofSystemsScienceSystemsandControlLetterInt.J.RobustandNonlinearControlSIAMControlandOptimizationInt.J.AdaptiveControlandSignalProcessingIEEETransactionsonSystemsManandCybernetic,PartA,PartBIEEETransactionsonNeuralNetworksIEEETransactionsonFuzzySystems,国际国内著名杂志和会议,二、中文期刊：中国科学E辑自动化学报科学通报系统科学与数