自动控制面临的难题

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518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Centrifugalgovernor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Centrifugalgovernor9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Centrifugalgovernor10詹姆斯·瓦特JamesWatt(1736–1819)詹姆斯-瓦特的故乡格里诺克格里诺克的瓦特像11蒸汽机(SteamEngine)英国工业革命时的一座煤矿第一台成功运作的蒸汽机12瓦特与蒸汽机(J.Watt&SteamEngine)(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&SteamEngine)(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&SteamEngine)(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Centrifugalgovernor(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171868年Maxwell（麦克斯韦，1831～1879）建立了飞球调节器的微分方程模型，Maxwell在论文“论调节器”(MaxwellJ.C.，“OnGovernors”，ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon，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JamesClerkMaxwell(1831.06.13-1879.11.05)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。19Maxwell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EdinboughAcademy(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、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(TrinityCollege)，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)0.060.8610.15132176463580.006太阳(TheSun)依照至太阳的距离,行星顺序是水星(Mercury),金星(Venus),地球(theearth),火星(Mars),木星(Jupiter),土星(Saturn),天王星(Uranus),海王星(Neptune)。冥王星(Pluto)。小行星帶(asteroidbelt),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221860年他受聘为伦敦国王学院(King‘sCollege)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〈ADynamicalTheoryoftheElectromagneticField〉中，Maxwell提出描述电磁场的Maxwell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〈IllustrationsoftheDynamicalTheoryofGases〉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(CavendishLaboratory)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(HenryCavendish)命名的卡文迪什实验室(CavendishLaboratory)相当于英国剑桥大学(UniversityofCambridge)的物理系。著名物理学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)(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(JamesWilliamRayleigh)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(RichardH.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，卡文迪什至今仍不失为世界著名的实验室之一。261877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,1749∼1825)的著作中找到了数学依据，重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271928年美国AT&T贝尔实验室(BellLabs)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。