自动控制发展前沿 论文.doc

1、自动控制发展前沿xxx(1. xxxx 大学机电工程学院 郑州 450000)摘要：研 究 自 动 控 制 技 术 有 利 于 将 人 类 从 复 杂 、 危 险 、 繁 琐 的 劳 动 环 境 中 解 放 出 来 从 而 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 。 150 多 前 过 程 控 制 理 论 体 系 体 制

2、至 今 ， 自 动 控 制 经 历 了 极 大 的 发 展 ， 尤 其 是 与 数字 技 术 的 结 合 更 是 使 自 动 控 制 产 生 了 质 的 飞 跃 ， 正 在 向 着 低 成 本 、 高 效 率 、 柔 性 化 、 智 能 化 的 方 向 发 展 。研究自动控制技术的发展前沿，有助于增进我们对现代自动控制的方向有一个更加准确的把握。关键词：自 动 控 制 智 能 化 发展前沿Development frontier of automatic control JIANG Hai Long (1.xxxxx University, College of Mechanical & El

3、ectrical Engineering, Zhengzhou 450000)Abstract：automatic control technology is conducive to human freed from the complex, dangerous, tedious labor environment and greatly improve control efficiency. The automatic control is a branch of engineering science. It involves the use of feedback principles

4、 of dynamic systems automatically, so that the output value is close to the value we want. From a methodological point of view, it is based on a mathematical system theory. Before more than 150 process control theoretical system system since the automatic control has experienced great development, e

5、specially with digital technology combined with the automatic control produced a qualitative leap, is toward low-cost, high-efficiency, flexible, intelligent direction. The forefront of the development of the study of automatic control technology, and help to promote a more accurate grasp of the dir

6、ection of the modern automatic control.Key words：automatic control intelligent the development frontier0 前言自动化控制（automation control）属于自动化技术的一门，广义来说，通常是指不需借着人力亲自操作机器或机构，能利用动物以外的其他装置元件或能源，来达成人类所期盼执行的工作。更狭义地说即是以生化、机电、电脑、通讯、水力、蒸汽等科学知识与应用工具，进行设计来代替人力或减轻人力或简化人类工作程序的机构机制，皆可称之。自动控制是相对人工控制的概念而言的。指的是在没人参与的情况下

7、，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。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。自动控制系统的理论主要是反馈论，包括从功能的观点对机器和物体中（神经系统、内分泌及其他系统）的调节和控制的一般规律的研究。离散控制理论在计算中也有很广泛的应用。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。1 自 动 控 制 发 展 过 程 概 况1.1 40 年 代 -60 年 代 初 ： 需 求

8、动 力 ： 市 场 竞 争 ,资 源 利 用 ， 减 轻 劳 动 强度 ， 提 高 产 品 质 量 ， 适 应 批 量 生 产 需 要 。 主 要 特 点 ：此 阶 段 主 要 为 单 机 自 动 化 阶 段 ， 主 要 特 点 是 :各 种单 机 自 动 化 加 工 设 备 出 现 ， 并 不 断 扩 大 应 用 和 向 纵深 方 向 发 展 。1.2 60 年 代 中 -70 年 代 初 期 ： 2需 求 动 力 ： 市 场 竞 争 加 剧 ， 要 求 产 品 更 新 快 ，产 品 质 量 高 ， 并 适 应 大 中 批 量 生 产 需 要 和 减 轻 劳动 强 度 。 主 要 特 点 ：

9、 此 阶 段 主 要 以 自 动 生 产 线 为标 志 ， 其 主 要 特 点 是 :在 单 机 自 动 化 的 基 础 上 ，各 种 组 合 机 床 、 组 合 生 产 线 出 现 ， 同 时 软 件 数 控系 统 出 现 并 用 于 机 床 ， CAD、 CAM 软 件 开 始 用 于实 际 工 程 的 设 计 和 制 造 中 ， 此 阶 段 硬 件 加 工 设 备适 合 于 大 中 批 量 的 生 产 和 加 工 。1.3 70 年 代 中 期 -至 今 ：需 求 动 力 ： 市 场 环 境 的 变 化 ， 使 多 品 种 、 中 小 批量 生 产 中 普 遍 性 问 题 愈 演 愈 烈

10、 ， 要 求 自 动 化 技 术及 其 广 度 与 深 度 的 发 展 ， 使 其 各 相 关 技 术 高 度 综合 ， 发 挥 整 体 最 佳 效 能 。 主 要 特 点 ： 自 70 年 代初 期 美 国 学 者 首 次 提 出 CIM 概 念 至 今 ， 自 动 化 领域 已 经 发 生 了 巨 大 变 化 ， 其 主 要 特 点 是 :CIM 已作 为 一 种 哲 理 、 一 种 方 法 逐 步 为 人 们 所 接 受 ；CIM 也 是 一 种 实 现 集 成 的 相 应 技 术 ， 把 分 散 独 立的 单 元 自 动 化 技 术 集 成 为 一 个 优 化 的 整 体 。 所 谓哲

11、 理 ， 就 是 企 业 应 根 据 需 求 来 分 析 并 克 服 现 存 的“瓶 颈 ”， 从 而 实 现 不 断 提 高 实 力 、 竞 争 力 的 思想 策 略 ； 而 作 为 实 现 集 成 的 相 应 技 术 ， 一 般 认 为是 :数 据 获 取 、 分 配 、 共 享 ； 网 络 与 通 信 ； 计 算机 软 硬 件 的 规 范 、 标 准 ； 车 间 层 设 备 控 制 器 等 。同 时 ， 并 行 工 程 作 为 一 种 经 营 哲 理 和 工 作 模 式 自80 年 代 末 期 开 始 应 用 和 活 跃 于 自 动 化 技 术 领 域 ，并 将 进 一 步 促 进 单

12、元 自 动 化 技 术 的 集 成 。2 当今自动控制前沿2.1 智能控制智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。 控制理论发展至今已有 100 多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已步入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。20 世纪 80 年代以来，信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。2.2 集 成 或 者 （ 复 合 ）

13、 混 合 控 制几 种 方 法 和 机 制 往 往 结 合 在 一 起 ， 用 于 一 个实 际 的 智 能 控 制 系 统 或 装 置 ， 从 而 建 立 起 混 合 或集 成 的 智 能 控 制 系 统 。2.3 分 级 递 阶 控 制 系 统分 级 递 阶 智 能 控 制 是 在 自 适 应 控 制 和 自 组 织控 制 基 础 上 ， 由 美 国 普 渡 大 学 Saridis 提 出 的 智能 控 制 理 论 .分 级 递 阶 智 能 控 制 （ Hierarchical Intelligent Control） 主 要 由 三 个 控 制 级 组 成 ，按 智 能 控 制 的 高

14、低 分 为 组 织 级 ， 协 调 级 ， 执 行 级 ，并 且 这 三 级 遵 循 “伴 随 智 能 递 降 精 度 递 增 “原 则 。 组 织 级 （ organization level） ： 组 织 级 通过 人 机 接 口 和 用 户 （ 操 作 员 ） 进 行 交 互 ， 执 行 最高 决 策 的 控 制 功 能 ， 监 视 并 指 导 协 调 级 和 执 行 级的 所 有 行 为 ， 其 智 能 程 度 最 高 。协 调 级 （ Coordination level） ： 协 调 级 可进 一 步 划 分 为 两 个 分 层 ： 控 制 管 理 分 层 和 控 制 监督 分 层

15、 。执 行 级 （ executive level） ： 执 行 级 的 控制 过 程 通 常 是 执 行 一 个 确 定 的 动 作 。 2.4 专 家 控 制 系 统 （ Expert System)专 家 指 的 是 那 些 对 解 决 专 门 问 题 非 常 熟 悉 的人 们 ， 他 们 的 这 种 专 门 技 术 通 常 源 于 丰 富 的 经 验 ，以 及 他 们 处 理 问 题 的 详 细 专 业 知 识 。专 家 系 统 主 要 指 的 是 一 个 智 能 计 算 机 程 序 系统 ， 其 内 部 含 有 大 量 的 某 个 领 域 专 家 水 平 的 知 识与 经 验 ， 能

16、 够 利 用 人 类 专 家 的 知 识 和 解 决 问 题 的经 验 方 法 来 处 理 该 领 域 的 高 水 平 难 题 .它 具 有 启发 性 ， 透 明 性 ， 灵 活 性 ， 符 号 操 作 ， 不 一 确 定 性推 理 等 特 点 。专 家 系 统 是 利 用 专 家 知 识 对 专 门 的 或 困 难 的问 题 进 行 描 述 。 用 专 家 系 统 所 构 成 的 专 家 控 制 ，无 论 是 专 家 控 制 系 统 还 是 专 家 控 制 器 ， 其 相 对 工程 费 用 较 高 ， 而 且 还 涉 及 自 动 地 获 取 知 识 困 难 、无 自 学 能 力 、 知 识

17、面 太 窄 等 问 题 。 尽 管 专 家 系 统在 解 决 复 杂 的 高 级 推 理 中 获 得 较 为 成 功 的 应 用 ，但 是 专 家 控 制 的 实 际 应 用 相 对 还 是 比 较 少 。2.5 人 工 神 经 网 络 控 制 系 统神 经 网 络 是 指 由 大 量 与 生 物 神 经 系 统 的 神 经细 胞 相 类 似 的 人 工 神 经 元 互 连 而 组 成 的 网 络 ； 或由 大 量 象 生 物 神 经 元 的 处 理 单 元 并 联 互 连 而 成 .这 种 神 经 网 络 具 有 某 些 智 能 和 模 拟 人 控 制 功 能 。学 习 算 法 是 神 经

18、网 络 的 主 要 特 征 ， 也 是 当 前研 究 的 主 要 课 题 .学 习 的 概 念 来 自 生 物 模 型 ， 它是 机 体 在 复 杂 多 变 的 环 境 中 进 行 有 效 的 自 我 调 节 。3神 经 网 络 具 备 类 似 人 类 的 学 习 功 能 。 一 个 神 经 网络 若 想 改 变 其 输 出 值 ， 但 又 不 能 改 变 它 的 转 换 函数 ， 只 能 改 变 其 输 人 ,而 改 变 输 人 的 唯 一 方 法 只能 修 改 加 在 输 人 端 的 加 权 系 数 。神 经 网 络 是 利 用 大 量 的 神 经 元 按 一 定 的 拓 扑学 调 整 方

19、 法 。 它 能 表 示 出 丰 富 的 特 性 ： 并 行 计 算 、分 布 存 储 、 高 度 容 错 、 可 变 结 构 、 非 线 性 运 算 、自 我 组 织 、 学 习 或 自 学 习 等 。 这 些 特 性 是 人 们 长期 追 求 和 期 望 的 系 统 特 性 。 它 在 智 能 控 制 的 参 数 、结 构 或 环 境 的 自 组 织 、 自 适 应 、 自 学 习 等 控 制 方面 具 有 独 特 的 能 力 。 神 经 网 络 可 以 和 模 糊 逻 辑 一样 适 用 于 任 意 复 杂 对 象 的 控 制 ， 但 它 与 模 糊 逻 辑不 同 的 是 擅 长 单 输

20、入 多 输 出 系 统 和 多 输 入 多 输 出系 统 的 多 变 量 控 制 ， 在 模 糊 逻 辑 表 示 的 SIMO 系统 和 MIMO 系 统 中 ， 其 模 糊 推 理 、 解 模 糊 过 程 以及 学 习 控 制 等 功 能 常 用 神 经 网 络 来 实 现 。 模 糊 神经 网 络 技 术 和 神 经 模 糊 逻 辑 技 术 ： 模 糊 逻 辑 和 神经 网 络 作 为 智 能 控 制 的 主 要 技 术 已 被 广 泛 应 用 。两 者 既 有 相 同 性 又 有 不 同 性 。 其 相 同 性 为 ： 两 者都 可 作 为 万 能 逼 近 器 解 决 非 线 性 问 题

21、 ， 并 且 两 者都 可 以 应 用 到 控 制 器 设 计 中 。 不 同 的 是 ： 模 糊 逻辑 可 以 利 用 语 言 信 息 描 述 系 统 ， 而 神 经 网 络 则 不行 ； 模 糊 逻 辑 应 用 到 控 制 器 设 计 中 ， 其 参 数 定 义有 明 确 的 物 理 意 义 ， 因 而 可 提 出 有 效 的 初 始 参 数选 择 方 法 ； 神 经 网 络 的 初 始 参 数 。 但 在 学 习 方 式下 ， 神 经 网 络 经 过 各 种 训 练 ， 其 参 数 设 置 可 以 达到 满 足 控 制 所 需 的 行 为 。 模 糊 逻 辑 和 神 经 网 络 都是 模

22、 仿 人 类 大 脑 的 运 行 机 制 ， 可 以 认 为 神 经 网 络技 术 模 仿 人 类 大 脑 的 硬 件 ， 模 糊 逻 辑 技 术 模 仿 人类 大 脑 的 软 件 . 根 据 模 糊 逻 辑 和 神 经 网 络 的 各 自特 点 ， 所 结 合 的 技 术 即 为 模 糊 神 经 网 络 技 术 和 神经 模 糊 逻 辑 技 术 . 模 糊 逻 辑 、 神 经 网 络 和 它 们 混合 技 术 适 用 于 各 种 学 习 方 式 智 能 控 制 的 相 关 技术 与 控 制 方 式 结 合 或 综 合 交 叉 结 合 ， 构 成 风 格 和功 能 各 异 的 智 能 控 制

23、系 统 和 智 能 控 制 器 是 智 能 控制 技 术 方 法 的 一 个 主 要 特 点 。2.6 模 糊 控 制 系 统所 谓 模 糊 控 制 ， 就 是 在 被 控 制 对 象 的 模 糊 模型 的 基 础 上 ， 运 用 模 糊 控 制 器 近 似 推 理 手 段 ， 实现 系 统 控 制 的 一 种 方 法 .模 糊 模 型 是 用 模 糊 语 言和 规 则 描 述 的 一 个 系 统 的 动 态 特 性 及 性 能 指 标 。 模 糊 控 制 的 基 本 思 想 是 用 机 器 去 模 拟 人 对 系统 的 控 制 .它 是 受 这 样 事 实 而 启 发 的 ： 对 于 用 传

24、统 控 制 理 论 无 法 进 行 分 析 和 控 制 的 复 杂 的 和 无 法建 立 数 学 模 型 的 系 统 ， 有 经 验 的 操 作 者 或 专 家 却能 取 得 比 较 好 的 控 制 效 果 ， 这 是 因 为 他 们 拥 有 日积 月 累 的 丰 富 经 验 ， 因 此 人 们 希 望 把 这 种 经 验 指导 下 的 行 为 过 程 总 结 成 一 些 规 则 ， 并 根 据 这 些 规则 设 计 出 控 制 器 。 然 后 运 用 模 糊 理 论 ， 模 糊 语 言变 量 和 模 糊 逻 辑 推 理 的 知 识 ， 把 这 些 模 糊 的 语 言上 升 为 数 值 运 算

25、 ， 从 而 能 够 利 用 计 算 机 来 完 成 对这 些 规 则 的 具 体 实 现 ， 达 到 以 机 器 代 替 人 对 某 些对 象 进 行 自 动 控 制 的 目 的 。 模 糊 逻 辑 用 模 糊 语 言 描 述 系 统 ， 既 可 以 描 述应 用 系 统 的 定 量 模 型 也 可 以 描 述 其 定 性 模 型 。 模糊 逻 辑 可 适 用 于 任 意 复 杂 的 对 象 控 制 。 但 在 实 际应 用 中 模 糊 逻 辑 实 现 简 单 的 应 用 控 制 比 较 容 易 。 简 单 控 制 是 指 单 输 入 单 输 出 系 统 （ SISO) 或 多 输入 单 输

26、 出 系 统 （ MISO) 的 控 制 。 因 为 随 着 输 入 输出 变 量 的 增 加 ， 模 糊 逻 辑 的 推 理 将 变 得 非 常 复 杂 。参 考 文 献1 Tan, K.C. and Li, Y. (2001) Performance-based control system design automation via evolutionary computing. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 14 (4). pp. 473-486. ISSN 0952-1976, 2 Li, Y., et al

27、. (2004). CAutoCSD - Evolutionary search and optimisation enabled computer automated control system design. International Journal of Automation and Computing, 1(1). pp.76-88. ISSN 1751-8520, 3 IMLACH J, BLAIR B J, ALLAIRE P. Measured and predicted force and stiffness characteristic of industrial mag

28、netic bearingsJ. Trans. ASME J. Tribol., 1991, 113：784-788.4 Gene F. Franklin, J. D. Powell, and AbbasEmani-Naeini, Feedback Control of DynamicSystems, 4th ed., 2002.5 FOURNEYEYN M E. Advancing into tholographical photoelasticityC/ American Society of Mechanical Engineers. Applied Mechanics Division

29、. Symposium on Applications of Holography in Mechanics，August 23-25 ，1971，University of Southern California，Los Angeles，California. New York：ASME，1971：17-38.6 FANUC Series21/21B OPRRATORS MANUAL 1996.077王台有,江荣杰.自动控制M .全威图书有限公司，1999.4King Station. Jiang Rongjie. Automatic control M. Roly Books Limite

30、d, 1999.8汪永文.自动控制M .全华科技图书股份有限公司,2002.Wang Yongwen. Automatic control M. Chinese science and technology books Limited by Share Ltd, 2002.9张充鑫，赖连康.自动化概论M.全华科技图书股份有限公司,2003.Zhang Chongxin, Lai Liankang. Introduction to automation M. Chinese science and technology books Limited by Share Ltd, 2003.10廖国清，萧志清.陈曦照机电整合M.全华科技图书股份有限公司, 1999.Liao Guoqing, Xiao Zhiqing. Chen Xizhao. Mechanical and electrical integration M. Chinese science and technology books Limited by Share Ltd, 1999.作者简介：xxx，男，xxx 年出生，本科生，主要进行数控技术方面的研究。E-mail：xxxxx