控制科學(xué)與工程前沿論壇

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y控制科學(xué)與工程前沿論壇報(bào)告任課老師： 劉國(guó)海 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 控制科學(xué)與工程 1602 學(xué)生姓名： 李尚龍 學(xué)生學(xué)號(hào)： 2211607047 2017年4月本人李尚龍對(duì)于控制科學(xué)與工程前沿論壇這門(mén)課申請(qǐng)優(yōu)秀。申請(qǐng)優(yōu)秀理由：首先，關(guān)于控制科學(xué)與工程前沿論壇八周課程，每節(jié)課都有出勤且都有認(rèn)真聽(tīng)講。其次，對(duì)于每個(gè)老師的課程都做了相關(guān)筆記。第一周趙德安老師和第五周高國(guó)琴老師都介紹了機(jī)器人，雖方向相似，但又各有特色。趙老師主要演示了幾種不同類(lèi)型機(jī)器人的操作過(guò)程，高老師主要是針對(duì)機(jī)器人控制的原理和理論做了較為詳細(xì)的介紹。第二周丁世宏老師主要介紹

2、了滑?？刂葡嚓P(guān)的基本原理和現(xiàn)況。第三周潘天紅老師則是對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量分析與控制方法研究以及電力需求側(cè)的電能監(jiān)測(cè)與電能管理服務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)做了系統(tǒng)介紹。第六周沈躍老師對(duì)農(nóng)業(yè)噴灌技術(shù)做了很詳細(xì)的介紹，并給我們演示了幾段噴灌車(chē)的操作和運(yùn)用視頻，介紹的同時(shí)也讓我們通過(guò)視頻實(shí)際運(yùn)用的視頻更好的了解和分析噴灌車(chē)的工作原理。最后，趙文祥老師圍繞“中國(guó)制造2025”跟我們大略介紹了與控制相關(guān)的研究和聯(lián)系，主要是針對(duì)航天航空裝備等十個(gè)相關(guān)方向，讓我們自己分析其與控制有何聯(lián)系并說(shuō)出自己的想法，最后同我們一起討論，我覺(jué)得這點(diǎn)很有意義。最后，按照?qǐng)?bào)告格式要求，認(rèn)真完成相關(guān)報(bào)告。1 前言控制理論的發(fā)展歷史可分為兩個(gè)階段：經(jīng)

3、典控制理論與現(xiàn)代控制理論。報(bào)告主要針對(duì)現(xiàn)代控制理論的研究方向及其在工業(yè)中的應(yīng)用做了探討。分析了控制理論在完善已有的理論、方法、技術(shù)，擴(kuò)大其適用領(lǐng)域；增加控制理論體系的開(kāi)放性，吸取其他學(xué)科的先進(jìn)成果；開(kāi)拓新視角；廣義模型化；多目標(biāo)優(yōu)化；混合式控制理論等方面的研究方向。分析了智能控制；魯棒控制；模糊控制等在工業(yè)上的應(yīng)用。2 控制理論的研究方向（1） 控制理論綜述60年代產(chǎn)生的現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)變量概念為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)來(lái)分析、綜合復(fù)雜控制系統(tǒng)的新理論，適用于多輸入、多輸出，時(shí)變的或非線性系統(tǒng)。飛行器及其控制系統(tǒng)正是這樣的系統(tǒng)。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論對(duì)它進(jìn)行分析、綜合能使飛行器控制系統(tǒng)的性

4、能達(dá)到新的水平。從60年代“阿波羅”號(hào)飛船登月，70年代“阿波羅”號(hào)飛船與“聯(lián)盟”號(hào)飛船的對(duì)接，直到80年代航天飛機(jī)的成功飛行，都是與現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用分不開(kāi)的。在控制精度方面，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)和新型元、部件，使洲際導(dǎo)彈的命中精度由幾十公里減小到百米左右?，F(xiàn)代控制理論的核心之一是最優(yōu)控制理論。這種理論在60年代初開(kāi)始獲得實(shí)際應(yīng)用。這就改變了經(jīng)典控制理論以穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)為中心的設(shè)計(jì)方法，而是以系統(tǒng)在整個(gè)工作期間的性能作為一個(gè)整體來(lái)考慮，尋求最優(yōu)控制規(guī)律，從而可以大大改善系統(tǒng)的性能。最優(yōu)控制理論用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和轉(zhuǎn)速控制、軌跡修正最小時(shí)間控制、最優(yōu)航跡控制和自動(dòng)著陸控制等方面都取得

5、了明顯的成果。現(xiàn)代控制理論的另一核心是最優(yōu)估計(jì)理論（卡爾曼濾波）。它為解決飛行器控制中的隨機(jī)干擾和隨機(jī)控制問(wèn)題提供一種有力的數(shù)學(xué)工具?？柭鼮V波突破了維納濾波的局限性，適用于多輸入、多輸出線性系統(tǒng)，平穩(wěn)或非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，在飛行器測(cè)軌-跟蹤、控制攔截和會(huì)合等方面得到廣泛應(yīng)用。（2）控制理論研究方向1、完善已有的理論、方法、技術(shù)，擴(kuò)大其適用領(lǐng)域隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進(jìn)一步的發(fā)展，彌補(bǔ)各理論分支的缺點(diǎn)與不足，以滿足更高的控制性能指標(biāo)。比如：預(yù)測(cè)控制需要建立高精度的信息預(yù)測(cè)模型，研究新的滾動(dòng)優(yōu)化策略和更有效的反饋校正方法；魯棒控制要求尋找保守性小，且易于驗(yàn)證

6、的判據(jù)，探求易實(shí)現(xiàn)便于設(shè)計(jì)的魯棒控制方案?，F(xiàn)有的控制理論在線性系統(tǒng)控制中大都能取得良好的控制效果，但對(duì)離散、非線性復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的研究大都剛剛起步，或處于初級(jí)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的模型一般都很復(fù)雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時(shí)變等特性。因此將控制理論的研究領(lǐng)域推廣到非線性復(fù)雜系統(tǒng)有重要的實(shí)際意義。2、增加控制理論體系的開(kāi)放性，吸取其他學(xué)科的先進(jìn)成果控制理論本身是一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)，在其發(fā)展過(guò)程中不斷吸收其它相關(guān)學(xué)科的新技術(shù)、新思想，才達(dá)到今天這種較為完善的境界，為了進(jìn)一步滿足人們更高的控制要求，控制理論需要對(duì)當(dāng)代多種前沿學(xué)科、多種先進(jìn)技術(shù)和多種科學(xué)方法加以高度綜合集成。已有初

7、步研究的混沌控制、可拓控制就是明證。3、開(kāi)拓新視角大多數(shù)控制理論是從信息處理的角度尋找相應(yīng)的控制策略，如果轉(zhuǎn)換一個(gè)角度從能量觀點(diǎn)也應(yīng)該可以看到控制問(wèn)題的許多特征。控制理論一方面可以深入研究應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)的理論體系(如內(nèi)?？刂?，另一方面也可以針對(duì)某一類(lèi)控制系統(tǒng)，根據(jù)其特點(diǎn)，研究簡(jiǎn)便實(shí)用、保守性小的有針對(duì)性的控制理論與設(shè)計(jì)。4、廣義模型化工業(yè)過(guò)程系統(tǒng)是一個(gè)具有高度復(fù)雜、不確定、多層次、網(wǎng)絡(luò)性系統(tǒng)，單純依靠數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定量分析是不現(xiàn)實(shí)的。大系統(tǒng)理論根據(jù)大系統(tǒng)的多級(jí)、多層、多段結(jié)構(gòu)特性，對(duì)不同的級(jí)別、層次、階段選取相應(yīng)的精度和粒度，建立“變粒度”廣義模型,對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分析和并行處理。進(jìn)一

8、步的，利用數(shù)學(xué)模型和知識(shí)模型集成的廣義模型進(jìn)行定量定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析，已引起不少學(xué)者的注意。譬如，通過(guò)輸出的測(cè)量值與模型的預(yù)估值，得到模型的預(yù)測(cè)誤差，再利用模型預(yù)測(cè)誤差來(lái)校正模型的預(yù)測(cè)值，從而得到更為準(zhǔn)確的將來(lái)輸出的預(yù)測(cè)值，克服了時(shí)滯帶來(lái)的不良因素。5、多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器時(shí)，通常有多個(gè)相互矛盾的目標(biāo)需要考慮，如何分析和協(xié)調(diào)這些目標(biāo)，以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)成為近年來(lái)的一重要課題。6、混合式控制理論1）復(fù)合式控制：各控制理論分支都有自己的長(zhǎng)處與不足，以一種控制理論為主，結(jié)合其它控制理論優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成復(fù)合式控制往往能取得更佳的控制效果。比如：模糊控制與PID 控制相結(jié)合產(chǎn)生模糊PID 控制，與

9、自適應(yīng)控制相結(jié)合產(chǎn)生模糊自適應(yīng)控制；將變結(jié)構(gòu)控制引入到預(yù)測(cè)控制中得到變結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)控制，引入到模糊控制中得到魯棒模糊控制等。這些復(fù)合式控制都顯示出旺盛的生命力，代表了一種發(fā)展趨勢(shì)。2) 多模態(tài)控制、多模型自適應(yīng)控制：集多種控制理論優(yōu)點(diǎn)于一身，除了前面所說(shuō)的復(fù)合式控制外還可以采用多模態(tài)控制和多模型自適應(yīng)控制。多模態(tài)控制指多個(gè)控制器存在于同一控制系統(tǒng)中，在適當(dāng)時(shí)刻切換處于工作態(tài)的控制器，發(fā)揮控制作用。比如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)于反射型推理，專(zhuān)家系統(tǒng)擅長(zhǎng)于解釋型推理，兩者組合可實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的雙模態(tài)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器具有學(xué)習(xí)能力，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)入訓(xùn)練狀態(tài)，這時(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)控

10、制器執(zhí)行控制任務(wù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成學(xué)習(xí)后，控制任務(wù)再交回給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,控制器運(yùn)行狀態(tài)的切換由專(zhuān)家監(jiān)控系統(tǒng)完成。3) 大系統(tǒng)智能控制：隨著控制問(wèn)題的復(fù)雜，控制要求的提高，智能控制給大系統(tǒng)理論提供先進(jìn)的控制算法，大系統(tǒng)理論給分級(jí)遞階智能控制提供協(xié)調(diào)等理論指導(dǎo)，兩者有機(jī)結(jié)合代表了第三代控制理論的發(fā)展方向。大系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)大多規(guī)模龐大，功能綜合，因素眾多，有時(shí)需要采用人機(jī)協(xié)作集人的智能與機(jī)器智能于一體，這就需要進(jìn)一步的理論研究，以消除人機(jī)隔閡達(dá)到“人機(jī)合一，物我相融”的高智能水平。3 控制理論在工業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用現(xiàn)代控制理論是在20世紀(jì)50年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的?？臻g技術(shù)的發(fā)展迫

11、切要求建立新的控制原理，以解決諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類(lèi)的控制問(wèn)題。這類(lèi)控制問(wèn)題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制理論難以解決。1958年，蘇聯(lián)科學(xué)家.龐特里亞金提出了名為極大值原理的綜合控制系統(tǒng)的新方法。在這之前,美國(guó)學(xué)者R.貝爾曼于1954年創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃,并在1956年應(yīng)用于控制過(guò)程。他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問(wèn)題，并開(kāi)拓了控制理論中最優(yōu)控制理論這一新的領(lǐng)域。19601961年，美國(guó)學(xué)者R.E.卡爾曼和R.S.布什建立了卡爾曼-布什濾波理論,因而有可能有效地考慮控制問(wèn)題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的研究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù)雜的控制

12、問(wèn)題。幾乎在同一時(shí)期內(nèi)，貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引入控制理論中。狀態(tài)空間法對(duì)揭示和認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的許多重要特性具有關(guān)鍵的作用。其中能控性和能觀測(cè)性尤為重要，成為控制理論兩個(gè)最基本的概念。到60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼-布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。 現(xiàn)代控制理論所包含的學(xué)科內(nèi)容十分廣泛,主要的方面有:線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨機(jī)控制理論和適應(yīng)控制理論。（1）智能控制在工業(yè)上的應(yīng)用許多工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)線上，例如：化工、冶煉、材料加工、軋鋼等，由于反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重，環(huán)境干擾不

13、確定，要求與約束多樣等原因，對(duì)其系統(tǒng)運(yùn)行情況和過(guò)程的信息了解較少，自動(dòng)化集成控制應(yīng)用存在一定的難度，需要運(yùn)用智能控制模式。生產(chǎn)過(guò)程的智能控制主要包括兩個(gè)方面：局部級(jí)和全局級(jí)。局部級(jí)的智能控制是將智能引入工藝過(guò)程的某一單元進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，例如專(zhuān)家控制器、智能PID控制器、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器等。全局級(jí)的智能控制主要針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的自動(dòng)化，包括整個(gè)操作工藝的控制，過(guò)程的故障診斷，規(guī)劃過(guò)程操作處理異常等。針對(duì)局部智能控制設(shè)計(jì)，目前研究的熱點(diǎn)是智能PID控制器的設(shè)計(jì)。因?yàn)镻ID控制至今仍是工業(yè)控制中最廣泛的控制規(guī)律，但常規(guī)的PID控制已不能滿足現(xiàn)在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)，所以就有必要將人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)的PID控

14、制規(guī)律結(jié)合為智能PID控制。通過(guò)智能技術(shù)的加盟，智能PID控制器相比傳統(tǒng)的PID控制器，在參數(shù)的整定和在線自適應(yīng)調(diào)整方面有其顯著的優(yōu)越性，并可用于控制一些非線性的復(fù)雜對(duì)象。專(zhuān)家控制系統(tǒng)把專(zhuān)家操作經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能力結(jié)合起來(lái)，具有啟發(fā)式推理的能力，能對(duì)時(shí)變、非線性、易受干擾的復(fù)雜控制對(duì)象取得較好的控制效果，主要應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真建模、參數(shù)整定、故障檢測(cè)及過(guò)程監(jiān)控。但現(xiàn)有專(zhuān)家控制系統(tǒng)無(wú)法表達(dá)符號(hào)以外的知識(shí)，存在知識(shí)獲取困難和知識(shí)庫(kù)無(wú)法自動(dòng)更新的缺憾。模糊控制具備處理人類(lèi)模糊語(yǔ)言信息的能力，可模擬人類(lèi)進(jìn)行判斷和決策，但不具備自學(xué)能力，且規(guī)則自適應(yīng)性差，穩(wěn)態(tài)精度有限。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有并行處理

15、和高度自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，但它不能描述和處理模糊信息，運(yùn)行過(guò)程不具有推理的透明性。智能控制一般不具有解析性，沒(méi)有通用的穩(wěn)定性判定方法，還有很多方面有待進(jìn)一步完善。（2）魯棒控制在工業(yè)上的應(yīng)用1、基于不確定性界限的魯棒控制器設(shè)計(jì)已知名義系統(tǒng)及不確定性的界限，設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)使其滿足穩(wěn)定性或性能指標(biāo)要求。這里的不確定性包括：對(duì)外干擾的不確定性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)、參數(shù)變化的不確定性，一般前者稱(chēng)為魯棒伺服機(jī)問(wèn)題，發(fā)展較早（70 年代中期），后者稱(chēng)為魯棒調(diào)節(jié)問(wèn)題，發(fā)展較晚（70 年代末、80 年代初開(kāi)始）。屬于這類(lèi)方法有：1）保證價(jià)值控制理論；2）Lyapunov最大-最小方法；3）變結(jié)構(gòu)控制理論（VS

16、C），特別是其中的滑動(dòng)模態(tài)控制理論；2、基于靈敏度指標(biāo)的魯棒控制器設(shè)計(jì)這類(lèi)控制器是在名義系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，然后應(yīng)用一些與靈敏度有關(guān)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)控制器使所設(shè)定的性能指標(biāo)最優(yōu)，如H控制等。屬于這類(lèi)方法的主要有：1）H控制理論；2）魯棒的特征結(jié)構(gòu)配置方法。3、基于其他考慮的方法如英國(guó)的 Holowitz 1979 年提出的定量反饋理論（QFT）。魯棒控制理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)器人、航空、航天、交通、一般工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的效果。尤其是在汽車(chē)自動(dòng)駕駛、航天器姿態(tài)控制、機(jī)器人及導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。下面舉一飛行器的例子加以說(shuō)明。飛行器的飛行姿態(tài)控制問(wèn)題屬于多變量的非線性控制問(wèn)題

17、。本例是非線性動(dòng)態(tài)逆控制律在無(wú)動(dòng)力飛行器上的應(yīng)用，把慣性不確定性和氣動(dòng)力矩的不確定性考慮進(jìn)來(lái)，運(yùn)用魯棒控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先時(shí)間里飛行器的模型，推導(dǎo)出無(wú)動(dòng)力飛行器的完整的動(dòng)力學(xué)方程，這是設(shè)計(jì)飛行器姿態(tài)的基礎(chǔ)。依照時(shí)間尺度分離原理，控制方案采用兩環(huán)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)于快變系統(tǒng)和慢變系統(tǒng)，這種分離在工程中是符合實(shí)際要求的。因?yàn)轱w行器的體軸角速度比攻角角速度、側(cè)滑角角速度快。按照實(shí)際的設(shè)計(jì)要求，快速環(huán)的帶寬是慢環(huán)的三到五倍?；谶@種姿態(tài)控制方案，考慮慣性不確性和氣動(dòng)力矩的不確定性。對(duì)慢環(huán)而言，指令姿態(tài)角、真正的姿態(tài)角、指令角速度、真正的角速度一起用于形成體軸指令角速度。對(duì)于快環(huán)而言，指令角速度、真正的

18、角速度與角加速度用來(lái)導(dǎo)出舵偏角，指令舵偏角與一個(gè)低通濾波器和飽和限幅器相連。在快環(huán)設(shè)計(jì)中，當(dāng)設(shè)計(jì)控制律的時(shí)候，采用轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的標(biāo)稱(chēng)形式，通過(guò)選擇合理的控制增益，可以控制飛行器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)。通過(guò)計(jì)算，可以知道不確定性影響收斂的特性?？梢酝ㄟ^(guò)選擇適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。換句話說(shuō)，如果知道了不確定性的最大值和最小值，連同被選擇的增益，就完成了快環(huán)的控制律設(shè)計(jì)。慢環(huán)設(shè)計(jì)如同快環(huán)設(shè)計(jì)一樣，可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)實(shí)現(xiàn)我們的控制目標(biāo)，運(yùn)用Lyapunov函數(shù)來(lái)完成設(shè)計(jì)。魯棒控制是為了解決不確定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題而產(chǎn)生的，為處理不確定性提供了有效的手段，并逐漸構(gòu)筑起魯棒控制理論的完整體系，促進(jìn)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為控制系統(tǒng)提供了良好的理論依據(jù)和實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。但由于魯棒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要由高級(jí)專(zhuān)家完成，故其缺點(diǎn)在于一旦設(shè)計(jì)好這個(gè)控制器，它的參數(shù)可能就不易于改變。相信魯棒控制會(huì)在我們的生活中得到越來(lái)越多的應(yīng)用的利用。（3）模糊控制在工業(yè)上的應(yīng)用近年來(lái),電弧爐煉鋼已經(jīng)成為了主要的煉鋼方式之一。電弧爐系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)非線性,具有三相耦合特征的系統(tǒng),而且其參數(shù)是時(shí)變的,同時(shí)受到隨機(jī)擾動(dòng)的影響。如何通過(guò)電極調(diào)節(jié)