1先进控制理论与控制工程(控制科学发展专题)

(2) 技术
技术（Technology）是指人类根据生产实践经验和自然 科学原理改变或控制其环境的手段和活动，是人类活动的一 个专门领域。技术的任务是利用和改造自然，以其生产的产 品为人类服务。
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先进控制理论与控制工程(控制科学发展专题)
中南大学信息科学与工程学院
吴 敏
一些术语——工程，系统
传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好抵消车
子转弯产生的影响。
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指南车复原模型
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铜壶滴漏
• 中国古代(公元1135年)的自动计 时（测量时间）装置，又称刻 漏或漏刻。 这种计时装置最初只有两个壶， 由上壶滴水到下面的受水壶， 液面使浮箭升起以示刻度（即 时间）。 保持上壶的水位恒定是滴漏计 时准确的关键。这个问题后来 是用互相衔接的多极（3-5极） 水壶来解决的。 用一个浮子式阀门作为自动切 断阀。
先进控制理论与控制工程 （控制科学发展专题）
吴 敏
（中南大学信息科学与工程学院，长沙，410083）
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课程的目标
解决下述问题：
• 了解国内外控制科学的现状，从总体上把握发展的脉搏； • 分析控制理论发展各个阶段的主要特征，了解目前国内外 研究的主要方向； • 针对控制理论的发展趋势，讨论控制理论研究前沿的若干 问题；
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控制和自动化的发展回顾
• 自动装置的出现和应用：18世纪以前 • 自动化技术形成时期：18世纪末至20世纪30年代 • 局部自动化时期 ：20世纪40-50年代 • 综合自动化时期：20世纪50年代末起至今
置：法国物理学家B.帕斯卡（Pascal）于公元1642年 发明的加法器；荷兰机械师C.惠更斯（Huygens）于 公元1657年发明钟表；英国机械师E.李（Lee）在公元 1745年发明带有风向控制的风磨；俄国机械师И.И.波 尔祖诺夫（Ползунов）于公元1765年发明为蒸汽锅炉 水位保持恒定用的浮子式阀门水位调节器。
• 从控制系统设计的角度出发，研究控制理论及技术的工程 应用；
• 基于信息科学的迅速发展对控制科学的巨大影响，探讨信 息与控制的融合。
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涉及课程及参考书
涉及课程: • 线性系统理论 (Linear System Theory) • 自适应控制 (Adaptive Control) • 最优控制 (Optimal Control) • 鲁棒控制 (Robust Control) • 智能控制 (Intelligent Control) • 非线性控制 (Nonlinear Control)
吴 敏
人才的培养目标

培养适合社会主义现代化建设需要，德智体全面发展， 在控制理论、控制系统、生产过程自动化、人工智能 与机器人控制等领域具有宽广理论基础和相关专门知 识，具有创新和开拓精神的高级工程技术人才。 毕业生能在国民经济及国防各部门和行业从事信息及 控制系统的研究、设计、集成、开发、制造和应用等 工作。
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自动装置的出现和应用
古代自动装置： • 中国古代自动装置；巴比伦、古埃及和希腊的教堂庙
门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自 动装置。
近代自动装置： • 17世纪以来，在欧洲一些国家相继出现了多种自动装
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吴 敏
指南车
• 中国古代(公元78~139年)用来指示方向的一种具有自动
离合齿轮系装置的车辆，它是一种马拉的双轮独辕车。
• 车箱上立一个伸臂的木人，车箱内装有能自动离合的齿
轮系。
• 当车子转弯偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，
而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的
吴 敏
一些术语——信息，控制
(5) 信息 信息（Information）是指符号、信号或消息所包含的内容， 用来消除对客观事物认识的不确定性。 (6) 控制
控制（Control）是指为了改善系统的性能或达到特定的目 的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。
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一些术语——科学，技术
(1) 科学
科学（Science）是指对各种事实和现象进行观察、分类、 归纳、演绎、分析、推理、计算和实验，从而发现规律，并 对各种定量规律予以验证和公式化的知识体系。科学的任务 是揭示事物发展的客观规律，探求真理，作为人们改造世界 的指南。
(3) 工程
工程（Engineering）是指应用科学知识使自然资源最好 地为人类服务的专门技术。 (4) 系统 系统（System）是指由相互关联、相互制约、相互影响的 一些部分组成的具有某种功能的有机整体。
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设计和运行的理论和技术。
• 自动化主要研究的是人造系统的控制问题。 • 自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、
环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控 制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动 化的研究领域的。不过人们提到自动控制，通常是指工 程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近 的。
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第一讲：
控制科学的发展回顾
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自动控制的概念
(a) 手动控制漫画
(b) 自动控制
水温的手动控制和自动控制的示意图
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候风地动仪
公元132年张衡发明的一种观察地震的自动检测仪器
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水运仪象台
公元1088年，中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)、浑象(天 文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。
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一些术语——管理，决策
(9) 管理
管理（Management）是指为了充分利用各种资源来达到 一定的目标而对社会或其组成部分施加的一种控制。 (10) 决策 决策（Decision Making）是指为最优地达到目标，对若干 准备行动的方案进行选择。
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控制与自动化的作用
1. 提高社会生产率和工作效率； 2. 节约能源和原材料消耗； 3. 保证产品质量； 4. 改善劳动条件，减轻体力、脑力劳动； 5. 改进生产工艺和管理体制。
加速社会产业结构的变革和社会信息化的进程
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吴 敏
一些术语——反馈，调节
(7) 反馈
反馈（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行 比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。 (8) 调节
调节（Regulation）是指通过系统的反馈信息自动校正系统 的误差，使诸如温度、速度、压力或位置等参量保持恒定或 在给定范围之内的过程。
• 控制科学发展专题 Special Topics on Control Science 考试方式: • 考试的目的 • 笔试？开卷？课程报告？
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课程的主要内容
分为十讲：
第一讲——控制科学的发展回顾 第二讲——基本的控制方法 第三讲——控制系统与自动化技术 第四讲——控制与自动化的应用领域 第五讲——冶金过程控制技术专题 第六讲——智能机器人系统技术专题 第七讲——网络控制技术专题 第八讲——先进优化技术专题 第九讲——控制科学发展展望 第十讲——控制领域的国内外学术组织和学术会议
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自动化与自动控制的定义
• 自动化（Automation） ，是指机器或装置在无人干预的
情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。
• 自动控制（Automatic Control）是关于受控系统的分析、
参考书:
• 吴敏，桂卫华：《现代鲁棒控制》，中南工业大学出版社 • 蔡自兴：《智能控制——基础与应用》，国防工业出版社
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课程名称和考试方式
课程名称:
• 先进——Advanced ! 先进控制理论与控制工程 Advanced Control Theory and Control Engineering
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计里鼓车
• 中国用来自报行车里程 的鼓车。
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漏水转浑天仪
• 公元2世纪，中国东
汉的天文学家张衡创
制的一种天文表演仪 器。它是一种用漏水 推动的水运浑象，和 现在的天球仪相似，
可以用来实现天体运
行的自动仿真。
•பைடு நூலகம்
•
•
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饮酒速度的自动调节
• 中国古代(公元1178年)南方 和西南方部落村民在饮酒管
中使用浮子式阀门来保持均
匀的饮酒速度。
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自动化技术形成时期
公元1788年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起 来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统
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吴 敏
我国古代自动装置
• • • • • • •
指南车
铜壶滴漏及浮子式阀门 饮酒速度的自动调节
计里鼓车
漏水转浑天仪 候风地动仪 水运仪象台
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控制科学与工程学科
自动化 自动控制 控制理论 电气工程与自动化 工业自动化 机械制造自动化 电力系统自动化
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吴 敏
防空导弹制导控制
1-目标跟踪雷达 8
2-导弹导引雷达
3-计算机雷达
4-导弹发射架
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吴 敏
社会和生活中的控制问题
现代社会和现代生活离不开对一些物理量的控制，包 括实现对这种控制的自动化。例如公共电网上的电压是50 周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、 频率这两物理量为恒值，这要采用自动调压和自动调频装 置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度 和压力为恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属 切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值，使产 品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位 角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为 恒值，冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制，而洗衣 机更把洗衣、漂洗和脱水等操作自动按程序进行。