自动化前沿技术.ppt

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自动化前沿技术自动化前沿技术1、自动化技术的概述、自动化技术的概述

（1）自动化技术诞生自动化技术诞生

（2）自动化技术发展自动化技术发展（3）自动化技术原理自动化技术原理2、自动化前沿技术、自动化前沿技术

（1）自动化技术的江湖门派自动化技术的江湖门派

（2）自动化技术的十八般武艺自动化技术的十八般武艺3、自动化技术的应用、自动化技术的应用工业、军事、日常生活工业、军事、日常生活自自动化的化的诞生生人人类自开始自开始进行行劳动以来，就一直梦想着制造出能以来，就一直梦想着制造出能够无无需人的参与就可以自己完成任需人的参与就可以自己完成任务的的劳动工具。

工具。

从刀耕火种的年代起，人从刀耕火种的年代起，人们就梦想着省就梦想着省时省力地生省力地生产出更出更多的多的东西，来西，来满足人足人们生活的需要。

人生活的需要。

人们在几千年的生在几千年的生产过程程中，中，发明了很多明了很多节省力气的工具，如在河流上建造的水省力气的工具，如在河流上建造的水车。

可。

可以通以通过水的冲水的冲击带动轮子子转动，实现灌灌溉、淘米等工作。

、淘米等工作。

工工业革命的到来革命的到来（1788年年），为自自动化的化的发展展带来了巨大来了巨大的的动力。

力。

此后的此后的一百多年一百多年中中，人们一直在探索，特别是人们一直在探索，特别是，经过从从1934年到年到1947年的十几年研究年的十几年研究（二战期间二战期间）,最最终提出了自提出了自动化的理化的理论基基础著作著作控制控制论。

标志着自志着自动化技化技术的正式的正式诞生。

生。

从从诞生到生到现在，自在，自动化技化技术在各个在各个领域大域大显身手，身手，飞机机导航、交通运航、交通运输、导弹控制中到控制中到处都是自都是自动化技化技术的的应用。

用。

自自动化化在在炮火中炮火中发展展自自动化技化技术从从产生到生到现在，它的在，它的发展始展始终没有离开武器装没有离开武器装备的需要。

的需要。

在第二次世界大在第二次世界大战中，同盟国中，同盟国军队的主要作的主要作战武器是火炮。

武器是火炮。

当当时的火炮威力大、射程的火炮威力大、射程远，但是命中精度比，但是命中精度比较差。

如果没有二差。

如果没有二战这个巨大的个巨大的实验场，自，自动化技化技术也不会有如此大的也不会有如此大的发展。

可以展。

可以这样说“军事装事装备是自是自动化之父，二化之父，二战是自是自动化化诞生的生的产房房”。

如果如果说军事事设备是自是自动化之父，那么工化之父，那么工业生生产就是自就是自动化之化之母。

自母。

自动化生化生产是人是人们梦寐以求的事情。

梦寐以求的事情。

福特福特发明的汽明的汽车生生产线是最成功的早期生是最成功的早期生产线，1913年福特年福特创建了由建了由专用机床用机床组成的成的“运运动中的中的组装装线”在在这种生种生产线上，要上，要组装的部件由装的部件由传送送带运到一个个工人面前，每一个工人只完成一运到一个个工人面前，每一个工人只完成一种操作。

种操作。

自自动化技化技术为生生产力的力的发展起了巨大作用，展起了巨大作用，实现了人了人们摆脱脱繁重的繁重的劳动的愿望。

同的愿望。

同时自自动化技化技术也在也在应用中得到不断用中得到不断发展和展和完善。

完善。

自自动化原理化原理下面我下面我们以一个以一个简单的例子，的例子，来说明自动化的原理。

来说明自动化的原理。

自自动化化设备和机器的关和机器的关键就在于反就在于反馈的存在，正是有了他的存的存在，正是有了他的存在，才使自在，才使自动化成化成为可能。

反可能。

反馈就是自就是自动化的奥妙所在。

化的奥妙所在。

所以所以自动控自原理也叫反馈控制原理。

自动控自原理也叫反馈控制原理。

一一个自个自动化系化系统无无论结构多么复构多么复杂都是由下面几部分都是由下面几部分组成：

成：

第一，第一，检测比比较装置。

装置。

第二，控制器。

第二，控制器。

第三，第三，执行机构。

行机构。

第四，控制量。

第四，控制量。

控制器控制器系系统的大的大脑传感器感器系系统的耳目的耳目执行器行器系系统的的手脚手脚受控受控对象象温柔的羔羊温柔的羔羊稳定性定性不可或缺不可或缺鲁棒性棒性健康的系健康的系统极点极点控制系控制系统的精灵的精灵自动化的前沿技术自动化的前沿技术模糊控制模糊控制其其实我很清楚我很清楚最最优控制控制-“没有更好只有最好没有更好只有最好”自适自适应控制控制以以变制制变鲁棒控制棒控制以静制以静制动线性控制理性控制理论纵横横非非线性控制理性控制理论的的发展展PID控制控制简而而优秀秀预测控制控制未卜先知未卜先知故障故障诊断断神医妙手神医妙手人工智能人工智能智慧之智慧之巅专家系家系统身身边的的专家家推理控制推理控制经验的作用的作用集散控制系集散控制系统（DCS）模糊控制模糊控制模糊控制是以模糊集合理模糊控制是以模糊集合理论为基基础的一种新的一种新兴的控制手段，它的控制手段，它是模糊系是模糊系统理理论和模糊技和模糊技术与自与自动控制技控制技术相相结合的合的产物。

自从物。

自从这门科学科学诞生以来，它生以来，它产生了生了许多探索性甚至是突破性的研究与多探索性甚至是突破性的研究与应用用成果，同成果，同时，这一方法也逐步成一方法也逐步成为了人了人们思考思考问题的重要方法的重要方法论。

1965年美国的控制年美国的控制论专家家L.A.Zadeh教授教授创立了模糊集合立了模糊集合论，从而从而为描述，研究和描述，研究和处理模糊性理模糊性现象提供了一种新的工具。

一种利象提供了一种新的工具。

一种利用模糊集合的理用模糊集合的理论来建立系来建立系统模型，模型，设计控制器的新型方法控制器的新型方法模模糊控制也随之糊控制也随之问世了。

模糊控制的核心就是利用模糊集合理世了。

模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把，把人的控制策略的自然人的控制策略的自然语言言转化化为计算机能算机能够接受的算法接受的算法语言所描述言所描述的控制算法，的控制算法，这种方法不种方法不仅能能实现控制，而且能模控制，而且能模拟人的思人的思维方式方式对一些无法构造数学模型的被控一些无法构造数学模型的被控对象象进行有效的控制。

行有效的控制。

模糊控制作模糊控制作为智能智能领域中最具有域中最具有实际意意义的一种控制方法，已的一种控制方法，已经在工在工业控制控制领域，家用域，家用电器自器自动化化领域和其他很多行域和其他很多行业中解决了中解决了传统控制方法无法或者是控制方法无法或者是难以解决的以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。

，取得了令人瞩目的成效。

最最优控制控制最最优控制控制问题研究的主要内容是：

怎研究的主要内容是：

怎样选择控制控制规律才能使控律才能使控制系制系统的性能和品的性能和品质在某种意在某种意义下下为最最优，求解最，求解最优控制控制问题的方的方法，目前主要的就是上述的两种方法，另外可能法，目前主要的就是上述的两种方法，另外可能还会用到一些数会用到一些数值解法。

用解法。

用这些方法已些方法已经成功的解决了成功的解决了许多多动态控制控制问题，如最小，如最小时间控制，最少燃料控制和最佳控制，最少燃料控制和最佳调节器等。

最器等。

最优控制已控制已经在航天，航在航天，航海，海，导弹，电力系力系统，控制装置，生，控制装置，生产设备和生和生产过程中得到了比程中得到了比较成功的成功的应用，而且在用，而且在经济系系统和社会系和社会系统中也得到了广泛的中也得到了广泛的应用。

用。

最最优控制控制问题有四个关有四个关键点：

（点：

（1）受控）受控对象象为动态系系统。

（。

（2）初始与初始与终端条件（端条件（时间和状和状态）。

（）。

（3）性能指）性能指标。

（。

（4）容）容许控制。

控制。

而最而最优控制控制问题的的实质就是要找出容就是要找出容许的控制作用或控制的控制作用或控制规律，使律，使动态系系统（受控（受控对象）从初始状象）从初始状态转移到某种要求的移到某种要求的终端状端状态，并，并且保且保证某种要求的性能指某种要求的性能指标达到最小达到最小值或者是最大或者是最大值。

时至今日，最至今日，最优控制理控制理论的研究，无的研究，无论在深度或是广度上，都在深度或是广度上，都有了有了较大的大的进展。

然而，随着人展。

然而，随着人们对客客观世界世界认识的不断深化，又的不断深化，又提出了一系列有待解决的新提出了一系列有待解决的新问题。

可以毫不夸。

可以毫不夸张地地说，最，最优控制理控制理论依旧是极其活依旧是极其活跃的科学的科学领域之域之一。

一。

自适自适应控制控制在日常生活中，所在日常生活中，所谓自适自适应是指生物能改是指生物能改变自己的自己的习性以适性以适应新的新的环境的一种特征。

因此，直境的一种特征。

因此，直观地地讲，自适，自适应控制器控制器应当是当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和象和扰动的的动态特性的特性的变化。

化。

自适自适应控制的研究控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系象是具有一定程度不确定性的系统，这里里所所谓的的“不确定性不确定性”是指描述被控是指描述被控对象及其象及其环境的数学模型不是完全境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。

确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。

任何一个任何一个实际系系统都具有不同程度的不确定性，都具有不同程度的不确定性，这些不确定性些不确定性有有时表表现在系在系统内部，有内部，有时表表现在系在系统的外部。

从系的外部。

从系统内部来内部来讲，描述被控描述被控对象的数学模型的象的数学模型的结构和参数，构和参数，设计者事先并不一定能准者事先并不一定能准确知道。

作确知道。

作为外部外部环境境对系系统的影响，可以等效地用的影响，可以等效地用许多多扰动来表来表示。

示。

这些些扰动通常是不可通常是不可预测的。

此外，的。

此外，还有一些有一些测量量时产生的不生的不确定因素确定因素进入系入系统。

面。

面对这些客些客观存在的各式各存在的各式各样的不确定性，如的不确定性，如何何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最达到并保持最优或者近似最或者近似最优，这就是自适就是自适应控制所要研究解决的控制所要研究解决的问题。

鲁棒控制棒控制鲁棒控制（棒控制（RobustControl）方面的研究始于方面的研究始于20世世纪50年代。

年代。

在在过去的去的50年中，年中，鲁棒控制一直是国棒控制一直是国际自控界的研究自控界的研究热点。

所点。

所谓“鲁棒性棒性”，是指控制系，是指控制系统在一定（在一定（结构，大小）的参数构，大小）的参数摄动下，下，维持某些性能的特性。

根据持某些性能的特性。

根据对性能的不同定性能的不同定义，可分，可分为稳定定鲁棒棒性和性能性和性能鲁棒性。

以棒性。

以闭环系系统的的鲁棒性作棒性作为目目标设计得到的固定得到的固定控制器称控制器称为鲁棒控制器。

棒控制器。

鲁棒控制方法，是棒控制方法，是对时间域或域或频率域来率域来说，一般要假，一般要假设过程程动态特性的信息和它的特性的信息和它的变化范化范围。

一些算法不需要精确的。

一些算法不需要精确的过程模程模型，但需要一些离型，但需要一些离线辨辨识。

一般一般鲁棒控制系棒控制系统的的设计是以一些最差的情况是以一些最差的情况为基基础，因此，因此一般系一般系统并不工作在最并不工作在最优状状态。

常用的。

常用的设计方法有：

方法有：

INA方法，方法，同同时镇定，完整性控制器定，完整性控制器设计，鲁棒控制，棒控制，鲁棒棒PID控制以及控制以及鲁棒极点配置，棒极点配置，鲁棒棒观测器等。

器等。

鲁棒控制方法适用于棒控制方法适用于稳定性和可靠性作定性和可靠性作为首要目首要目标的的应用，用，同同时过程的程的动态特性已知且不确定因素的特性已知且不确定因素的变化范化范围可以可以预估。

估。

飞机和空机和空间飞行器的控制是行器的控制是这类系系统的例子。

的例子。

线性控制理性控制理论线性控制理性控制理论是系是系统与控制理与控制理论中最中最为成熟和最成熟和最为基基础的一个的一个组成分支，是成分支，是现代控制理代控制理论的基石。

系的基石。

系统与控制理与控制理论的其他分支，的其他分支，都不同程度地受到都不同程度地受到线性控制理性