控制科学与工程前沿论坛

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 控制科学与工程前沿论坛报告

任课老师：刘国海

专业班级：控制科学与工程1602

学生姓名：***

学生学号：**********

2017年4月

本人李尚龙对于控制科学与工程前沿论坛这门课申请优秀。申请优秀理由：首先，关于控制科学与工程前沿论坛八周课程，每节课都有出勤且都有认真听讲。其次，对于每个老师的课程都做了相关笔记。第一周赵德安老师和第五周高国琴老师都介绍了机器人，虽方向相似，但又各有特色。赵老师主要演示了几种不同类型机器人的操作过程，高老师主要是针对机器人控制的原理和理论做了较为详细的介绍。第二周丁世宏老师主要介绍了滑模控制相关的基本原理和现况。第三周潘天红老师则是对微电网电能质量分析与控制方法研究以及电力需求侧的电能监测与电能管理服务系统开发做了系统介绍。第六周沈跃老师对农业喷灌技术做了很详细的介绍，并给我们演示了几段喷灌车的操作和运用视频，介绍的同时也让我们通过视频实际运用的视频更好的了解和分析喷灌车的工作原理。最后，赵文祥老师围绕“中国制造2025”跟我们大略介绍了与控制相关的研究和联系，主要是针对航天航空装备等十个相关方向，让我们自己分析其与控制有何联系并说出自己的想法，最后同我们一起讨论，我觉得这点很有意义。最后，按照报告格式要求，认真完成相关报告。

1 前言

控制理论的发展历史可分为两个阶段：经典控制理论与现代控制理论。报告主要针对现代控制理论的研究方向及其在工业中的应用做了探讨。分析了控制理论在完善已有的理论、方法、技术，扩大其适用领域；增加控制理论体系的开放性，吸取其他学科的先进成果；开拓新视角；广义模型化；多目标优化；混合式控制理论等方面的研究方向。分析了智能控制；鲁棒控制；模糊控制等在工业上的应用。

2 控制理论的研究方向

（1）控制理论综述

60年代产生的现代控制理论是以状态变量概念为基础，利用现代数学方法和计算机来分析、综合复杂控制系统的新理论，适用于多输入、多输出，时变的或非线性系统。飞行器及其控制系统正是这样的系统。应用现代控制理论对它进行分析、综合能使飞行器控制系统的性能达到新的水平。从60年代“阿波罗”号飞船登月，70年代“阿波罗”号飞船与“联盟”号飞船的对接，直到80年代航天飞机的成功飞行，都是与现代控制理论和计算机的应用分不开的。在控制精度方面，应用现代控制理论、计算机和新型元、部件，使洲际导弹的命中精度由几十公里减小到百米左右。

现代控制理论的核心之一是最优控制理论。这种理论在60年代初开始获得实际应用。这就改变了经典控制理论以稳定性和动态品质为中心的设计方法，而是以系统在整个工作期间的性能作为一个整体来考虑，寻求最优控制规律，从而可以大大改善系统的性能。最优控制理论用于发动机燃料和转速控制、轨迹修正最小时间控制、最优航迹控制和自动着陆控制等方面都取得了明显的成果。

现代控制理论的另一核心是最优估计理论（卡尔曼滤波）。它为解决飞行器控制中的随机干扰和随机控制问题提供一种有力的数学工具。卡尔曼滤波突破了维纳滤波的局限性，适用于多输入、多输出线性系统，平稳或非平稳的随机过程，在飞行器测轨-跟踪、控制拦截和会合等方面得到广泛应用。

（2）控制理论研究方向

1、完善已有的理论、方法、技术，扩大其适用领域

随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。比如：预测控制需要建立高精度的信息预测模型，研究新的滚动优化策略和更有效的反馈校正方法；鲁棒控制要求寻找保守性小，且易于验证的判据，探求易实现便于设计的鲁棒控制方案。现有的控制理论在线性系统控制中大都能取得良好的控制效果，但对离散、非线性复杂系统领域的研究大都刚刚起步，或处于初级阶段，远未达到人们的期望。而实际工业生产过程的模型一般都很复杂，通常具有非线性、分布参数和时变等特性。因此将控制理论的研究领域推广到非线性复杂系统有重要的实际意义。

2、增加控制理论体系的开放性，吸取其他学科的先进成果

控制理论本身是一个开放式系统，在其发展过程中不断吸收其它相关学科的新技术、新思想，才达到今天这种较为完善的境界，为了进一步满足人们更高的控制要求，控制理论需要对当代多种前沿学科、多种先进技术和多种科学方法加以高度综合集成。已有初步研究的混沌控制、可拓控制就是明证。

3、开拓新视角

大多数控制理论是从信息处理的角度寻找相应的控制策略，如果转换一个角度从能量观点也应该可以看到控制问题的许多特征。控制理论一方面可以深入研究应用范围广、适应性强的理论体系(如内模控制)，另一方面也可以针对某一类控制系统，根据其特点，研究简便实用、保守性小的有针对性的控制理论与设计。

4、广义模型化

工业过程系统是一个具有高度复杂、不确定、多层次、网络性系统，单纯依靠数学模型，进行定量分析是不现实的。大系统理论根据大系统的多级、多层、多段结构特性，对不同的级别、层次、阶段选取相应的精度和粒度，建立“变粒度”广义模型,对各个子系统进行分析和并行处理。进一步的，利用数学模型和知识模型集成的广义模型进行定量定性相结合的系统分析，已引起不少学者的注意。譬如，通过输出的测量值与模型的预估值，得到模型的预测误差，再利用模型预测误差来校正模型的预测值，从而得到更为准确的将来输出的预测值，克服了时滞带来的不良因素。

5、多目标优化

对一个动态系统设计控制器时，通常有多个相互矛盾的目标需要考虑，如何分析和协调这些目标，以达到最优化设计成为近年来的一重要课题。

6、混合式控制理论

1）复合式控制：各控制理论分支都有自己的长处与不足，以一种控制理论为主，结合其它控制理论优点构成复合式控制往往能取得更佳的控制效果。比如：模糊控制与PID 控制相结合产生模糊PID 控制，与自适应控制相结合产生模糊自适应控制；将变结构控制引入到预测控制中得到变结构预测控制，引入到模糊控制中得到鲁棒模糊控制等。这些复合式控制都显示出旺盛的生命力，代表了一种发展趋势。

2) 多模态控制、多模型自适应控制：集多种控制理论优点于一身，除了前面所说的复合式控制外还可以采用多模态控制和多模型自适应控制。多模态控制指多个控制器存在于同一控制系统中，在适当时刻切换处于工作态的控制器，发挥控制作用。比如：神经网络擅长于反射型推理，专家系统擅长于解释型推理，两者组合可实现专家控制与神经网络控制的双模态控制。神经网络控制器具有学习能力，当系统运行条件发生变化时，神经网络控制器进入训练状态，这时专家系统控制器执行控制任务，神经网络完成学习后，控制任务再交回给神经网络控制器,控制器运行状态的切换由专家监控系统完成。

3) 大系统智能控制：随着控制问题的复杂，控制要求的提高，智能控制给大系统理论提供先进的控制算法，大系统理论给分级递阶智能控制提供协调等理论指导，两者有机结合代表了第三代控制理论的发展方向。大系统智能控制系统大多规模庞大，功能综合，因素众多，有时需要采用人机协作集人的智能与机器智能于一体，这就需要进一步的理论研究，以消除人机隔阂达到“人机合一，物我相融”的高智能水平。

3 控制理论在工业生产中的运用

现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的