1、1,自动控制面临的难题和挑战 及解决的途径人工智能技术和智能控制技术简介,2,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,无论是理论的结晶还是实际的成就，在控制领域里都有着丰富的遗产。自古代亚历山大时期利用反馈调节流量的克泰希比斯水钟(滴漏)，直到今天的宇宙探测火箭和自动生产工厂，控制系统在技术和科学的发展中都起着关键的作用。目前，控制的应用已经渗透到我们日常生活的各个方面，如自动开关门，室温的自动调节等等。,自动控制取得了伟大的成就，为什么还会有难题和挑战了？我们从社会发展的角度来说明一下。,3,物质生产是人类社会生存与发展的基础。(物质生产是人们改造自然、创造物质财富的活动。)人们在物质生产
2、的活动中，总是要依靠和使用他们所处的那个时代的科学技术所能提供的劳动生产工具。从最原始的木棍、石块到最现代化的工业装备，任何劳动工具都是人类与其生存环境之间相互作用的一种界面（interface）,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,4,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,追求目标的控制系统,5,18世纪欧洲工业革命之后，出现了有源的工具，即机器设备。机器设备可以在许多场合下取代人类繁重的体力劳动，具有功率放大与信息转换的作用。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,珍妮纺纱机(1760年),随着科学技术的不断发展，机器设备越来越复杂，人对机器的控制，从直接的手动控制向自动控制
3、逐渐发展。,骡机 (1779年),6,在工业生产中，需要对机器设备进行操作和控制。对机器设备最基本的控制有两种。 一种是起动或停止的开关控制； 另一种是连续量的调节。通过这两种基本控制作用可以实现对机器设备中单个变量的控制，它们的自动化是自动控制的基础。自动化程度的提高使人机结合的界面向更高的抽象层次发展，这意味着机器设备不仅能够取代人的大部分体力劳动，还在逐渐发展，以达到能够取代人的一部分脑力劳动的程度。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,7,在英国工业革命的大环境下，1788年（另一种说法是1769年）Watt（瓦特）发明了自动调节蒸汽机转速的离心调节器（也称离心力调节器/离心调速
4、器，又称飞球调速器、还称飞锤调速器），这是工业生产中最早采用的自动调节系统。,离心调节器 Centrifugal governor,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,8,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,离心调节器工作原理,离心调节器 Centrifugal governor,9,蒸汽机转速控制系统方框图,车用柴油机的离心式调速器,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,离心调节器 Centrifugal governor,10,詹姆斯瓦特 James Watt (1736 1819),11,蒸汽机(Steam Engine),英国工业革命时的一座煤矿,第一台成功运作的蒸汽机
5、,12,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(1/3),一、瓦特对蒸汽机的最初设想1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机， ,纽可门大气式蒸汽机,游梁式有杆泵采油,13,二、蒸汽机的销售 ,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(2/3),14,二、蒸汽机的销售 1784年，瓦特以带有飞轮、齿轮联动装置和双向装置的高压蒸汽机的综合组装取得了他在革新纽可门蒸汽机过程中的第四项专利。1785年，他也因蒸汽机改进的重大贡献，被选为皇家学会会员。1788年发明能控制进气阀的开启程度从而控制蒸汽机速度的离心调速器；1790年发明压力表(压力计，汽缸示工
6、器)，至此瓦特完成了蒸汽机发明的全过程。1814年被选为法兰西科学院外籍院士。,瓦特与蒸汽机(J. Watt & Steam Engine)(3/3),15,陈列在英国伦敦科学博物馆内的瓦特制成的第一台蒸汽机,16,自动控制技术的发展是受到很多技术的影响，各方面的知识积累、启发，才最终发展成为一门独立的学科。自动控制首先是工业上有需要，随着工业的发展（工业革命的进程），技术的进步，一点一点往前进。在瓦特发明离心调速器 Centrifugal governor (1788年)80年之后的1868年，,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,17,1868年Maxwell（麦克斯韦，183118
7、79）建立了飞球调节器的微分方程模型， Maxwell在论文“论调节器” (Maxwell J.C.， “On Governors”，Proceedings of the Royal Society of London，vol.16，PP.270-283，1868) 中首先解释了Watt速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,18,詹姆斯克拉克麦克斯韦James Clerk Maxwell (1831.06.13-1
8、879.11.05)生于爱丁堡，卒于剑桥， 英国物理与数学家。 十九世纪最伟大的物理学家，在物理史上足堪与牛顿、爱因斯坦齐名。,19,Maxwell在苏格兰的乡间长大，8岁母亲即因癌症过世，与父亲关系融洽密切。他10岁进入Edinbough Academy(爱丁堡中学)就读，认识终生的好友化学家 Tate。 1846年，15岁的Maxwell就在爱丁堡皇家学会学报上发表了他第一篇数学论文讨论卵形线(oval)与多焦点曲线，展现了他惊人的数学天赋。 1847年，16岁的Maxwell(与Tate)考入苏格兰最高学府爱丁堡大学就读，他持续发表数学与物理的论文，并广泛阅读Cauchy、Fourier
9、、Monge、Newton、Poisson、Taylor的著作。1850年，19岁的麦克斯韦在福布斯教授的推荐下，转到了剑桥大学，他进入剑桥大学三一学院(Trinity College)，据他的数学老师 Hopkins(霍普金斯)说Maxwell是他在剑桥见过的资赋优异生中的最优异者。1854年Maxwell毕业获选为三一学院的fellow(英国大学的研究员)，1856年因父亲生病，他申请回苏格兰马里斯切尔(Marischal)学院任教。1857年，他完成他著名的土星环研究并因此获得剑桥大学的亚当斯奖。他预测，如果土星环要稳定则它必然是由许多微小固体所构成，这个预测要等到廿世纪末Voyager
10、太空船(旅行者号探测器 )到达土星才证实。另外，在这段期间，他也完成他著名的色彩理论。 1859年，声望如日中天的Maxwel申请爱丁堡大学教职时，却败于好友Tate之手。,麦克斯韦简介 (1/2),20,行星名称 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王 海王 冥王 体积(地球=1) 0.06 0.86 1 0.15 1321 764 63 58 0.006,太阳(The Sun) 依照至太阳的距离,行星顺序是水星(Mercury),金星(Venus),地球(the earth),火星(Mars),木星(Jupiter),土星(Saturn),天王星(Uranus),海王星(Neptune)
11、。 冥王星(Pluto)。 小行星帶(asteroid belt),彗星(comet), 流星(meteor)和陨石(meteorite)。,21,这是“旅行者2号”1981年拍摄的土星照片。在图中还可以看到土卫四和土卫五。,这张“旅行者1号”拍摄的土星照片显示土星大气中一条带着的条纹。,旅行者1号探测器,铜质磁盘唱片,22,1860年他受聘为伦敦国王学院 (Kings College) 的自然哲学与天文学教授，开始他学术上丰硕的六年： (1)1864年，在A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field中，Maxwell 提出描述电磁场的Maxw
12、ell方程，用四个偏微分方程概括一切电磁现象，他由此计算出电磁波传递的速度等同于光速，因此断言光是一种电磁波。这个发现，是爱因斯坦思考狭义相对论的重要背景。(2)在Illustrations of the Dynamical Theory of Gases中他开始发展现代气体动力论的想法，用微观分子的统计行为解释宏观的气体性质。1866年他与Boltzmann独立地获得所谓的Maxwell-Boltzmann分布定律。1865年，Maxwell辞去了国王学院的教职，1871年才又接受剑桥大学聘任为物理系的Cavendish(卡文迪什)教授。Maxwell是一个对实验相当在行的物理学家，在国王学
13、院期间他曾经督导测量电磁单位的实验工作，在剑桥他受命设计并监督知名的 Cavendish(卡文迪什)实验室的建造。1879年他的健康逐渐恶化，11月卒于剑桥，葬于英格兰。 1931年在 Maxwell 百年冥诞的纪念会上，爱因斯坦阐明 Maxwell工作的重要性： （他的工作）是自牛顿以来，物理学上影响最深远与丰硕的工作。,麦克斯韦简介 (2/2),23,麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个方程。通常称为麦克斯韦方程。,麦克斯韦方程组,在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。麦克斯韦提出的涡旋电场
14、和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。,24,卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory),剑桥大学建于1209年，历史悠久。以英国物理学家和化学家亨利卡文迪什(Henry Cavendish)命名的卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory)相当于英国剑桥大学(University of Cambridge)的物理系。著名物理学家麦克
15、斯韦(James Clerk Maxwell)(1831-1879)负责筹建这所实验室。1874年实验室建成后他担任第一任实验室主任，直到他1879年因病去世。 1879年麦克斯韦去世后，瑞利(James William Rayleigh)继任卡文迪什实验室主任。他因在气体密度的研究中发现氩而获1904 年度的诺贝尔物理奖。第三任主任 。第四任主任 。 第八任主任 。1995年起担任实验室第九任主任的弗伦德(Richard H.Friend，1953)是位实验物理学家。 。,25,卡文迪什实验室在近代物理学的发展中做出了杰出的贡献，一百多年来培养出的诺贝尔奖金获得者已达20余人，卡文迪什至今仍
16、不失为世界著名的实验室之一。,26,1877年英国的劳斯(E.J.Routh, 1831-1907)和1895年德国的霍尔维茨(A.Hurwitz)分别独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则，直至今日还在沿用。 19世纪末，英国工程师赫维赛德(O.Heaviside, 1850 - 1925)发明了一种“运算法”，以求解电路网络的某些问题。这种方法很快被许多人所采用，也被应用到分析自动控制系统的问题上，并取得了显著的成就。由于缺乏严密的数学论证，曾受到某些著名数学家的反对。后来，人们终于在法国数学家拉普拉斯(P.S.Laplace, 17491825)的著作中找到了数学依据，重
17、新定义并命名为拉普拉斯变换(1923年)。控制器的设计问题是由Minorsky(米诺尔斯基)等人在1922年研制船舶操纵控制器开始研究的，其研究成果可以看成是现在广泛应用的PID控制器的前身， Minorsky证明了从系统的微分方程确定系统的稳定性的方法。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,27,1928年美国AT&T贝尔实验室(Bell Labs)的电气工程师H.Black(布莱克)在解决电子管放大器失真问题时首先引入反馈的概念。描写这种单输入单输出线性系统的微分方程可以通过Laplace变换在频率域上表示，这样，反馈放大器的性能便可以利用通讯工程师所熟悉的通频带、截止频率等术语来表
18、达和分析。之后，Bode和Nyquist等人提出了用频率域方法对反馈放大器的稳定性和其他品质进行分析与综合的理论方法。1928年8月2日，Harold Black(哈罗德布莱克)(1898-1983)，在前往曼哈顿西街(Manhattan West Street)的上班途中，在哈得孙河(the Hudson River)的Lackawanna渡船上灵光一闪，发明了在当今控制理论中占核心地位的负反馈放大器。由于手头没有合适的纸张，他将其发明记在了一份纽约时报(The New York Times)上，这份早报已成为一件珍贵的文物诊藏在AT&T的档案馆中。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径
19、,28,乘客站在机翼上等待营救,“哈得孙河奇迹”感动整个美国 2009年01月18日 10:52:04 来源：新华网 全美航空公司一架客机15日从纽约长岛起飞后出现故障。飞行员应变迅速，驾驶客机避开纽约人口密集街区，无损坠落于哈得孙河。地面救援人员接应及时。机上155人全员获救。,纽约州州长戴维帕特森称这起无人遇难的“空难”事件为“哈得孙河奇迹”。这架空中客车A320客机15日15时26分从纽约长岛拉瓜迪亚机场飞往北卡罗来纳州夏洛特，但起飞约分钟后出现引擎故障，怀疑由飞鸟“卷入”客机两侧引擎所致。 飞行员切斯利萨伦伯格三世随即呼叫长岛地面控制中心，称客机遭遇“双重鸟击”。技术人员说，由于两个引
20、擎均无法运行，客机难以返回起飞机场。 萨伦伯格三世知道附近的新泽西州泰特伯勒有一个小型机场，但他最终决定放弃这一着陆点，改向哈得孙河方向滑翔。,29,30,1942年，Ziegler(齐格勒)和Nichols(尼科尔斯)提出了调节PID控制器参数的方法。系统的频域分析技术是在Nyquist(奈奎斯特)、Bode(伯德)等早期的关于通信学科的频域研究工作的基础上建立起来的，Harris(哈里斯)于1942年提出了传递函数的概念，首先将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域分析技术的理论基础。Evens(埃文斯)等在1946年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那个时代的另一个里程
21、碑。 第二次世界大战中，控制系统频域分析技术的方法被用于高炮、雷达、飞机等的自动调节系统设计，取得了很大的成功，反过来又促进了理论研究的进一步发展。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,31,炮瞄雷达 Gun Directing Radar,32,到20世纪50年代，建立起了以频率响应法和根轨迹法为核心的控制理论，后来被称为经典控制理论（classical control theory）的理论体系，控制科学开始成为一门独立于其它学科的新兴技术科学。早期，被称为自动调节原理， 1868年Maxwell在时间域上用微分方程分析控制系统性能的理论提出之后，在欧美并末产生太大的影响。在第二次世界
22、大战期间和战后发展起来的经典控制理论是一种基于频率域的理论。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,33,在俄国和前苏联，对时间域方法的研究一直在进行，并取得了许多重大成果。在这些成果中首推Lyapunov(李雅谱诺夫)的稳定性理论。1892年A.M.Lyapunov用严格的数学分析方法全面地论述了稳定性问题。,A. M. 李雅普诺夫 A. M. A. M. Lyapunov， (18571918） 俄罗斯数学家、物理学家、力学家。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,34,1956年，前苏联科学家L.C.Pontryagin（庞特里亚金）提出极大值原理。Pontryagin的极大值
23、原理是又一重大成果，它奠定了追求综合目标的控制系统的理论基础。,. ，L.C.Pontryagin (19081988)，俄罗斯数学家。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,35,最优控制理论是现代控制理论中最早发展起来的分支之一。最优控制理论主要讨论：求解最优控制问题的方法和理论，包括最优控制的存在性、唯一性和最优控制应满足的必要条件等。最优控制理论始于20世纪50年代末，其主要标志是前苏联数学家庞特里亚金（L.C.Pontryagin）等提出的“最大值原理”。最优控制理论在工矿企业、交通运输、电力工业、国防工业（军事工业 ）和国民经济管理等部门有着广泛的应用。,一、自动控制面临的难题
24、和挑战及解决的途径,36,1959年美国数学家R.E.Kalman提出了著名的卡尔曼滤波器（kalman filter），1960年又提出能控性和能观测性的概念。,Rudolf Emil Kalman(1930 ) 美国数学家和电气工程师,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,37,20世纪60年代以后，由于受航天技术发展的推动，控制理论的研究又产生了一次新的飞跃。俄罗斯科学家的工作引起了美国学术界的重视，时间域的研究又成为主流，控制系统理论逐渐形成了严格的理论体系。20世纪60年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分析的现代控制理论提供了可能。20世纪60年代中期，现代控制理论初步形
25、成。之后的十几年，最优控制的问题受到很大重视。这主要是由于人们对高质量控制的需求和在控制系统中更有效地使用计算机所导致的必然结果。人们常用第二代控制理论的这些手段进行系统设计，大大改善了系统的精度及技术经济指标。除应用于航空、航天、航海等部门外，在冶金、石油、化工、交通运输等部门也得到广泛应用。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,38,20世纪50年代以来，随着计算机性能的提高与价格的降低，经典控制的理论与技术在工业自动化系统中获得了日益广泛的应用。特别是近几十年来，计算机硬件技术的发展日新月异。开关量控制实现了无触点化；顺序控制由固定的逻辑控制电路发展为以微处理器为核心的可编程序控制
26、器(PLC - Program Logic Control)；连续量的调节，则从模拟式控制仪表、直接数字控制发展到以微处理器为核心的可编程过程控制器(PPC - PowerPC的简写，工业计算机，工业控制计算机)。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,39,而后，PLC与PPC互相覆盖对方的功能，并与局域网、分布式数据库等技术相结合，形成了综合顺序控制、连续量调节和数据处理与通讯功能的新一代集散型控制系统(DCS-Distributed Control System)。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,40,DCS是计算机、自动控制技术及网络通讯技术的综合产物。,一、自动控制面
27、临的难题和挑战及解决的途径,41,20世纪80年代以来，计算机集成制造系统(CIMS - Computer Integrated Manufacturing Systems)得到迅速发展。CIMS是管理工程、控制工程、计算机工程、电子工程和机械工程等多学科的交叉、多种技术的集成和渗透形成的，是实现综合自动化的基本模式，也是21世纪的“未来产业基本模式”。CIMS从用户订货单开始，输入产品需要的有关信息，从产品初始构思、设计、制造、检验、管理、经营均有机联系的一个高技术综合生产控制系统。CIMS将工厂控制系统与企业行政事务管理信息集成在一起，在企业内部完成自动化作业的全过程。,一、自动控制面临的
28、难题和挑战及解决的途径,42,CIMS采用层次式的控制结构，将管理信息系统(MIS)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程(CAE)、企业资源计划(ERP)、物料需求计划(MRP)、制造资源计划(MRP)等功能集于一身，采用MAP作为通讯网络并与远程网络相连。因此，CIMS的发展已使综合自动化成为现实。,MIS - Management Information System，管理信息系统 FMS - Flexible Manufacturing System，柔性制造系统 CAD - Computer Aided Design，计算机辅助设
29、计 CAM - Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造 CAE - Computer Aided Engineering，计算机辅助工程 ERP - Enterprise Resource Planning，企业资源计划 MRP - Material Requirement Planning，物料需求计划 MRP - Manufacturing Resources Planning，制造资源计划,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,43,CIMS是英文Computer Integrated Manufacturing Systems，直译就是计算机集成制
30、造系统。计算机集成制造-CIM的概念最早是由美国学者哈林顿博士提出的。CIMS与计算机综合自动化制造系统是同义词，后者是CIMS在中国早期的另一种叫法，虽然通俗些，但因此无法表达集成的内涵，使用得较少。随着经济环境的发展，CIMS被赋予了新的含义，即现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）。将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业全生命周期各个阶段，通过信息集成，过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织及管理）、经营和技术三要素的集成。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,
31、44,20世纪70年代以来，随着科学的发展和社会的进步，现代的工业、电力、交通、生物、生态以及军事指挥等大规模的生产和管理系统愈来愈多，日益复杂。现今对于那些能够在大范围内采集数据，处理数据，分析情况，从而进行指挥管理和控制的系统，往往统称为大系统。对于这样一些大规模的复杂的系统评价、设计、控制与管理，只能求助于运用系统工程学的方法，对其实施系统控制。如通过分别解决大系统中各自独立而又相互制约的子系统的最优化问题，来达到全系统的整体最优化目的。大系统理论应运而生 。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,45,在工业自动化系统的基础自动化级，至今应用最为广泛的仍然是PID调节器这类基于经典
32、控制理论的技术。经典控制理论有两个重要前提：(1)受控制的变量具有独立性，即各个变量之间没有耦合。这实际上是指变量之间的耦合作用较弱，因此每一个变量都可以用一个独立的调节回路来控制，其余变量对它的耦合效应可以忽略，或作为干扰处理。(2)受控变量与控制作用之间具有线性关系，至少应在一定的范围内可作线性化的近似。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,46,然而，对于某些特殊的设备，当对其控制性能的要求很高时，往往不能回避多变量耦合与非线性问题。而对于追求目标的控制系统，由于要与非人为的环境发生交互，不仅这些问题不能回避，而且还有更多的问题需要加以考虑。人们曾经努力在经典控制理论的框架内解决多
33、变量与非线性的问题，并获得了一些局部的成果。但是这类问题的彻底解决要求有新的概念和理论方法，这就是时间域的控制系统理论，通常称为现代控制理论。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,47,现代控制理论研究的主要对象是具有一阶Markov(马尔可夫)性质的动态系统，它所取得的具有应用价值的成果是针对集中参数的连续时间动态系统。这样的系统可以用满足Lipschitz(利普希茨)条件的一阶常微分方程组来描述其动态特性。针对计算机数字控制的需要，可以通过采样，把本质上连续的动态系统人为地离散化，从而得到集中参数离散时间动态系统，其动态特性可用一阶差分方程组描述。(随机过程，随机微分方程，随机偏微分
34、方程论，偏微分方程的解的存在性和唯一性。),一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,48,从控制对象的定量数学描述（数学模型）出发，就能够用严格的数学解析方法来研究控制系统的分析与综合问题。按照这种理论所设汁的控制系统可能具有的功能包括：(1)稳定；(2)跟踪；(3)优化。为了扩大控制系统理论的应用范围，人们曾经对不确定性的问题进行过深入的研究。第一类不确定性是系统模型的不确定性（未建模）。第二类不确定性是环境的不确定性。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,49,同时具有上述两类不确定性的系统控制问题称为双重控制(dual control)问题。Feldbaum(费尔德鲍曼)的研究指
35、出，在一般情况下双重控制问题的最优解是无法实现的。只有满足分离定理条件的所谓中性系统(例如LQG-linear quadratic Gaussian problem，线性二次型高斯问题)，参数辨识、状态估计和控制器设计彼此独立，双重控制问题的最优解才能实现。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,50,在现有理论与方法的框架内，控制系统理论尚不足以对付不确定性的挑战。概括起来有以下几点：(1)控制系统的设计与分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型。(2)控制系统的应用，必须提出并遵循一些比较苛刻的假
36、设，而这些假设在应用中往往与实际不相吻合。(3)对于某些复杂的和包含不确定性的对象，根本无法以传统数学模型来表示，即无法解决建模问题。(4)为了提高性能，控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初投资和维修费用，降低系统的可靠性。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,51,在受控系统模型的非结构化和不确定性的情况下，在受控系统与复杂环境有强相互作用的情况下，要实现对受控系统过程(追求目标)的闭环自动控制，就是要解决开放系统的建模与控制的问题，为此必须建立新的理论和方法。（现代控制理论自身也在不断发展，现代控制理论所包含的学科内容主要方面有：线性系统理论、最优控制理论、非线性系统理论、随机
37、控制理论、适应控制理论。 ）,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,52,1986年9月18-19日，由美国国家科学基金会(NSF - National Science Foundation)及电气与电子工程师学会(IEEE)控制系统学会(CSS - Control Systems Society)共同发起，在加利福利亚州桑塔卡拉拉大学(University of Santa Clara)召开了一次控制界的“高峰会议”，由美国控制界最著名的五十二位专家学者参加，会议的目的是讨论控制科学的发展及当前面临的问题。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,12名成员组成的指导委员中四个组织者：
38、D. D. Siljak (Chairman), G. F. Franklin, A. H. Levis, W. R. Perkins， 其他8名组成人员：R. W. Brockett, E. J. Davison, Y.-C. Ho, P. Kokotovic, A. J. Laub, S. I. Marcus, W. F. Powers, S. S. Sastry。,53,Challenges to control: A collective view -Report of the workshop held at the University of Santa Clara on Sept
39、ember 18-19, 1986 “对于控制的挑战集体的观点(1986年9月18-19日在桑塔卡拉拉大学举行的专题讨论会报告)”“对于控制的挑战集体的观点(专题讨论会报告)” 分两部分：引言、当今和未来的挑战集体的观点。在引言中，简述了控制科学过去的发展和当前的状况。在当今和未来的挑战集体的观点中，指出了七个具体课题的细节。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,其他参加会议人员（40人）名单：K. J. Astrom, M. Athans, D. Auslander, J. S. Baras, T. Basar, G. Blankenship, S. P. Boyd, A. E. Br
40、yson, Jr. J. Burns, J. Cassidy, J. B. Cruz, D. F. Delchamps, C. A. Desoer, R. F. Drenick, T. Edgar, J. S. Freudenberg, D. Gangsaas, J. Grizzle, A. H. Haddad, W. E. Hopkins, Jr. M. Il-Spong, P. Ioannou, T. L. Johnson, T. Kailath, A. J. Krener,R. E. Larson, W. S. Levine, J. L. Melsa, J. M. Mendel, G.
41、Meyer, J. B. Pearson, H. E. Rauch, G. N. Saridis, J. L. Speyer, J. N. Tsitsiklis, P. Varaiya, G. C. Verghese, M. Vidyasagar, A. S. Willsky, M. Wonham.,54,引言无论是理论的结晶还是实际的成就，在控制领域里都有着丰富的遗产。自古代亚历山大时期利用反馈调节流量的克泰希比斯水钟(滴漏)，直到今天的宇宙探测火箭和自动生产工厂，控制系统在技术和科学的发展中都起着关键的作用。1769年J. 瓦特发明的飞锤调速器对于蒸汽发动机的运行是必不可少的，并成为推动工
42、业革命的重要技术。对于反馈的基础性研究是在1868年由J. C. 麦克斯威尔分析带有调速器的蒸汽发动机系统稳定性开始的。20世纪20年代， 60年代，挑战和惊人的成就是在宇航领域，阿波罗宇宙飞船从地球到月球最优轨线的导航，及在月球上的软着陆都和控制工程紧密相关。航天飞机在它飞行的各个阶段也都依靠着自动控制。,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,“对于控制的挑战集体的观点(专题讨论会报告)” Challenges to control: A collective view-Report of the workshop,55,引言最近二十五年来，影响重大的理论突破是庞特里亚金(Pontrya
43、gin)的极大值理论，贝尔曼(Bellman)的动态规划以及维纳(Wiener)和卡尔曼(Kalman)的滤波理论。一个理论的多面连贯体已经形成，它的知识内容及基本概念不仅对自动控制技术的进一步发展作出贡献，而且对其它学科也作出了贡献。在60-70年代间，又一个突破是能控、能观测理论，线性状态空间模型的反馈镇定，以及与其相关的输入输出模型的状态空间实现理论。这一结构性理论回答了：一个具有输入(执行机构)及输出(传感器)的线性模型，如果不稳定，它是否能被镇定，以及它是否能完成给定的跟踪或调节任务。 这一理论的成就，虽然是不可磨灭的，但应用的范围是有限的，就因为它是假设受控系统的数学模型是完全已知
44、的，且模型的形式是线性微分(或差分)方程。 ,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,“对于控制的挑战集体的观点(专题讨论会报告)” Challenges to control: A collective view-Report of the workshop,56,引言实际系统的模型很少是完全已知的，即使已知，也很少是线性的。自动控制工作者的任务就是：扩展视野，发展新的控制概念和控制方法。(1)采用非完全模型控制系统。(2)采用开始时知之甚少和不甚正确的，但可以在系统工作过程中加以在线改进，使之知之较多和愈臻正确的系统模型。(3)采用离散事件驱动的动态系统和本质上完全断续的系统。 在自动控
45、制发展的现阶段，存在一些至关重要的挑战是基于下列原因的：(1)科学技术间的相互影响和相互促进（例如，计算机、人工智能和超大规模集成电路等技术）；(2)当前和未来应用的需求（例如，空间技术、海洋工程和机器人技术等应用要求）；(3)基本概念和时代思潮发展水平的推动（例如，离散事件驱动、高速信息公路、非传统模型和人工神经网络的连接机制等）。 ,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,“对于控制的挑战集体的观点(专题讨论会报告)” Challenges to control: A collective view-Report of the workshop,57,“对于控制的挑战集体的观点(专题讨论
46、会报告)” Challenges to control: A collective view-Report of the workshop,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,当今和未来的挑战集体的观点 多变量鲁棒、自适应和容错控制 非线性和随机控制 分布参数系统的控制 含有离散变量和离散事件的控制系统 信号处理和通讯 分布信息的处理及决策结构 系统的集成、实验和实现。,58,进入九十年代以来，计算机科学在工业控制中的应用问题已引起学术界越来越广泛的重视与深入研究。其中，最有代表性的是由IEEE控制系统学会和国际自动控制联合会(IFAC)理论委员会合作进行的题为如下所示的研究计划 。Me
47、eting the challenge of computer science in the industrial applications of control: an introductory discussion to the special issue Benveniste, A.; Astrom, K.J. Automatic Control, IEEE Transactions on Volume 38, Issue 7, Jul 1993 Page(s):1004 - 1010 “计算机科学面临工业控制应用的挑战：专题讨论介绍” Benveniste(本伍尼斯特)and Astr
48、om(阿斯托姆)，1993,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,(International Federation of Automatic Control),59,提出这一研究计划是由下列因素所决定的：(1)工业部门往往无法有效地把数学技术的最新进展用于控制和信号处理，以便提高实时系统的智能水平(Intelligent Level)。(2)控制学术界又常常不理解如何在工业上进行控制系统硬件、软件和智能三者的集成开发。自动控制界和计算机科学界在工业和学术两方面的对话与有效合作仍然是一个需要进一步解决的问题。(3)了解在开发大型的实时系统时，硬件、软件和智能应如何结合以及该系统的算法应如何
49、设计。(4)评价由收集专家经验或利用数学模型以及依靠控制和信号处理的数学技术而得到的智能的相关价值。(5)建议重新树立控制和计算机科学的传统学术形象，以求组成一个更加统一的实时与动态系统科学。,“计算机科学面临工业控制应用的挑战” the challenge of computer science in the industrial applications of control,一、自动控制面临的难题和挑战及解决的途径,60,“计算机科学面临工业控制应用的挑战”（ the challenge of computer science in the industrial applications of control ）这个研究计划是在一些国家和多国合作研究项目的基础上形成的。这个研究计划指出：开发大型的实时控制与信号处理系统是工程界面临的最具挑战的任务之一：这涉及硬件、软件和智能（尤其是算法）的结合，而系统集成又需要先进的工程管理技术。工业控制发展中要解决的问题涉及到控制学科、数学学科、计算机学科等。需要这几方面的人协同研究，互相取长朴短，抓住学科的交叉点，研究出行之有效的新理论、新方法。,
