自动控制理论发展史.ppt

自动控制理论的发展史 电子工程学院石光明 起源 相对论 量子力学以及控制论被认为是20世纪的三项伟大科学成就 1948年美国科学家维纳发表专著提出了控制论 Cybernetics 1954年 钱学森在美国出版 工程控制论 Engineeringcybernetics 把控制论发展为一门技术科学 工程控制论 成为推动控制论科学思想的代表人物之一 发展三阶段 30年代 波德和奈奎斯特 频率特性法 经典控制理论 研究单因素控制系统 反馈控制 自动调节器60年代 贝尔曼和卡尔曼 状态空间法为代表 现代控制理论 研究多因素控制系统 重点是最有控制 核心是电子计算机大系统理论 研究对象众多因素的大系统 重点是递解控制 核心智能化机器控制理论的研究对象是 控制系统 以数学方法为工具 以工程技术为支持 背景 控制理论是一门专业性 工程性的技术科学 自动控制的起源于病人 在二十世纪三十年代 美国的哈佛医学院 有位教授若荪布鲁斯 Rosenblueth 每月召集一个谈话会 地点 在万德柏厅 VanderbiltHall 先聚餐 随后是聚谈 出席人 以医生为最多 可是并不限于医生 饭后 由其中的一个人 或邀请一个人 讲一段心得 思想可以是半生不熟 体裁可以是未经裁剪 也许有时是过分自信 也许有时是过分夸张 当然最谈不到的是谨严 有些参加的人 不能忍受 来一回就不再来了 不过大多数的人 以为这个会很有价值 因为参加的人并不是仅仅是医生或医学家 还有物理学家 生物学家 麻省理工学院距离很近 那里的教授也来了好多人 其中一个人是温纳 NobertWiener 自动控制的起源 续 这个由各个方面专门学问中走来的科学家们 是没有共同语言可谈的 但为什么越谈越有兴趣呢 他们究竟谈些什么大家全能欣赏的题目呢 又有什么题目可以引出个人有价值的言论 可以提起团体的兴趣呢 他们所根据的是每个人专门的学问 而所谈的 是使大家能领悟的 是根据个人的观点所了解的科学方法 生物学家的术语 数学家不会理解 但生物学家所用的方法 数学家可能领悟 物理学家的语言 医生不会明了 可是物理学家所用的方法 医生却有了然的可能 这个谈话会是三十六行 但话题却集中在科学方法上 所以可以说是科学方法谈话会 自动控制的起源 续 自从莱布尼兹 Leibniz 而后 世界上再没有统摄整个科学领域的通才 到了十九世纪 几位大的科学家 也只是称雄一面 十九世纪没有出莱布尼兹 而只有出高斯 Gauss 法拉第 Faraday 达尔文 Darwin 这类大人物 我们把他们名为数学家 物理学家 生物学家等 可是到了二十世纪 配称数学家的也不见了 对于一位专门的大家 在称呼时必加以限制 如拓扑学的数学家 或光学的物理学家等 自动控制的起源 续 Leibniz 1646 1716 最主要的貢獻則是把微分與積分的技巧整理得很清楚 包括微分的四則定理 亦即函數的四則運算與微分運算的交換法則 也包括了積分的分部積分技巧 它是經由微積分基本定理導得的 微積分經過一段時期的醞釀 終於在Newton與Leibniz兩人的手中 成為有系統的學門 所以簡單的說法就認定他們兩人是微積分的發明者 自动控制的起源 续 这种过度的分工 是不得不然的 是越演越烈的 由一行分成三十六行 由三十六行分成三百六十行 由三百六十行 分成三千六百行 二十世纪的科学家 不下三万六千行了 这种局面的形成 产生了两个副作用 第一 是行与行间形成了许多无人管的地带 第二 甲行所研究出的程序 方法 或设备 可能对乙行有极大的效用 但乙行常无从利用起 依然是从头开始 哈佛医学院的谈话会 正是在这种气候下产生的 而就由这个会中产生了 自动控制 的基本观念 医生作了报告 有一种病人 坐在椅子上 与健康的人毫无差别 但你如果给他一支香烟 他伸手接烟时 总对不准香烟的位置 不是左摇就是右偏 他的手变成摇来摇去的运动 而始终接不到香烟 这位病人的肌肉是强壮的 身体是健康的 但是却不能有系统的组织他的动作 第一道源泉 反馈的观念 谈论的启发 这个现象很像一个舵手把舵时 把船身形成了左右摆动一样 人所以不能接一支香烟 是因为人的动作是受制于一种信号 而这个信号的大小却为正在进行中的反应所左右 换句话说 一个原因产生一个相应的结果 而这个结果又成为一个新的原因刺激到原来的系统上 把随时所产生的效果变成了原因的一部分 如果把原因结果的相互关系图解出来 如右图 比如福特 Ford 当年以独特的眼光 给工人加薪 那时 他曾辩论说 给工人加薪似乎是成本高 但工人又买汽车坐 汽车销路就大了 汽车的销路一大 成本就减低了 他这套理论很像反馈的观念的利用 谈论的启发 美国数学家诺伯特 维纳 NorbertWiener 1894 1964 1948年 把这门学问铸了一个备用的字Cybernetics 确这个字是源于希腊 意思是舵手 安培曾把这个字当作政府管理学 马克士威尔有一篇文章专说控速器 这个字Governor是源于拉丁 不论是希腊字 还是拉丁字 有人用在操纵的意义上 有人用在舵向的意义上 有人用在管理的意义上 有人用在限制的意义上 于是这个意义贯穿了物理 数学 生物 经济以及政治等 我们把这门学问模糊的译出意义来 是 控制论 自动控制的起源 续 控制论发源是否起清华园 国内学界存在一种观点 即控制论思想的酝酿始于清华园 其论据是 控制论的创始人维纳在其自传中说过 宁愿选择1935年中国之行作为创立控制论的起点 出版发行 美国数学家诺伯特 维纳 NorbertWiener 1984 1964 1948年 出版 控制论 此书的副标题是 动物和机器中的控制和通信 控制论的创立是多学科和多位学者共同推进的结果 与二战的背景 美国当时的技术条件 各门相关的科学理论的成熟与交融密切相关 扭转一个学科的命运 但维纳的 控制论 发表后 在哲学界曾引起轩然大波 此书的副标题是 动物和机器中的控制和通信 人也是动物 把人和机器并列 甚至等同起来 有亵渎人类尊严之嫌 所以惹怒了不少哲学家 前苏联的哲学界首先发起攻击 称控制论是一种反动的伪科学 是现代机械论的一种新形式 还有更严重的批评说 控制论是为帝国主义服务的战争工具等 这位科学家在前苏联和东欧被视为反动的伪科学家和帝国主义的帮凶 钱学森 扭转一个学科的命运 1954年 钱学森在美国出版 工程控制论 Engineeringcybernetics 把控制论发展为一门技术科学 工程控制论 成为推动控制论科学思想的代表人物之一 工程控制论 第一版是英文版 于1954年在美国出版 当时钱学森在加州理工学院担任教授 也是喷气推进实验室 JPL 如书中扉页所写 当时称为 JetPropulsionCenter 的负责人 那段时期钱学森在美国受到迫害 被迫离开了国防尖端技术的研究 受困达5年之久 在困境中 他转向了工程控制论的研究 并出版了此书 中文版是在1958年出版的 工程控制论 出版 1954年 工程控制论 出版 并迅速地被译成德 俄 中文版 书中系统地揭示了控制论对自动化 航空 航天 电子 通信等科学技术的意义和深远影响 写的全是技术科学 并未触及到人类这种动物的尊严 包括前苏联在内的世界各国科学界立即接受了这一新学科 从而吸引了大批数学家 工程技术学家从事控制论的研究 推动了五六十年代该学科发展的高潮 在这种形势下 原持批判态度的哲学家们只好放下武器 悄悄修改了各辞书中的词条 肯定控制论是一门 研究信息和控制一般规律的新兴科学 影响许多人改变专业 戴汝为院士便是其中之一 戴院士是在1951年考入清华大学的数学系 经过1952年的院系调整 于1955年在北大的数学力学系毕业 毕业之后被分配到了力学所 所里给每个大学生安排一个导师 由于戴院士要整理 工程控制论 的笔记 所以就跟着钱老 正因为当时做的一系列与 工程控制论 相关的工作 戴院士后来就进了自动化所 直到现在 许多人认识戴院士 也是因为 工程控制论 中文译本的出版 西北工业大学校长戴冠中教授和总装部科学技术委员会主任 前国防科技大学校长郭桂蓉中将 也都是受了 工程控制论 的影响 改变了他们最初的专业 控制论与自动控制理论 控制论是20世纪中期的科学进步 技术进步和社会进步的结果 它是在哲学 数学 生物科学 技术科学 社会科学基础上产生控制论是一般的控制理论 控制论的原理和方法被运用于工程技术领域形成的工程控制论 通常被理解为自动控制理论 控制理论通常指自动控制理论 控制理论既可以指控制论以前的伺服机构理论 也可以指控制论以后的工程控制论 中国人对控制论的贡献却无可争议 并还在继续 李郁荣由于受抗日战争爆发的影响 家产和图书资料尽失 1941年在维纳帮助下准备赴美 又遭太平洋战争爆发 只好滞留于上海数年 1946年得以重返麻省理工学院 继续与维纳合作 后来一直同其加拿大妻子留居美国 因为深刻理解维纳的思想实质 他很快设计出一种效果良好的最优滤波器 并与人合作大大改进检测和分析周期信号的装置 自相关器 维纳等用于研究大脑生理结构时使用的主要工具 不仅如此 他还参与完善了经典控制论的频域方法 主要以频率为变量 以传递函数为数学工具 李郁荣在麻省理工学院开设的关于滤波器及其类似装置的新设计方法一门课程 被维纳认为是控制论的基础之一 维纳由衷地称赞道 他培养了一整代年轻的电气工程师 他们沿着统计路线进行研究 并把我的观点用作为处理种种通讯问题的一种习惯方法 正是由于李郁荣的重新加盟 使得维纳精神上 大为振奋 继续深人研究包含伺服机构的控制论的整体问题 控制论与中国人 在维纳思考整理一系列工作 写作出版 控制论 的前后几年 中国正进行着社会革命的巨变 海外人士没能及时将这一理论思潮传播至中国 因此 在20世纪50年代中期以前 即从1948年至1953年期间 国内学界还来不及对这一理论有所了解和反应 以至对这一理论的最初介绍来自苏联 尽管这是一个遗憾 然而还有庆幸的地方 就在维纳和李郁荣供职的麻省理工学院校园 还有另一位极为优秀的华人天才科学家也正在勤奋地工作 他在以后的几年内的一项研究将大大推进维纳的事业 这就是后来成为工程控制论创立人的钱学森 控制论与中国人 控制论在中国的传播 新中国成立后 百废待兴 科技领域也处于恢复和重新规划的阶段 当时所有新建立的社会主义国家的领导都公认苏联 老大哥 已有30多年社会主义革命和建设的经验 学习苏联 成为这些国家工作的指导方针 中国也不例外 毛泽东在1949年就提出要向苏联 一边倒 控制论在中国的传播 1949年中国科学院组建成立 至1955年中国科学院学部成立 确立了中国科学院作为国家最高学术机构和科学研究中心的地位 1950年 科学通报 创刊 这份期刊注重国际学术动态 特别是对苏联和东欧的学术成果的介绍 1956年国家规划要在科学院新建立四个研究所 有计算机所 电子所 半导体所 自动化所 钱老参加了整体规划的综合组 由于当时的国际形势 成立自动化所在很大程度上还是军事方面的意义 后来一做规划 又请了一些苏联的专家 结果是把 自动化 的定位在了 工业自动化 上 控制论在中国的传播 控制论在中国的传播 到现在 自动化有关的研究机构越来越细分 如机械工业自动化所 冶金自动化所等 自动化学会挂靠在自动化所 所作的工作是研究自动化还有什么发展余地 像是模式识别 20世纪50年代初 苏联对控制论一开始持反对立场 主要原因是 其一 控制论在哲学理念上被认为是资本主义的 对辩证唯物论是一种反叛和威胁 其二 在冷战的国际形势下 两大阵营都不愿轻易接受对方的任何思想体系 尤其在李森科式的 政治挂帅 的苏联学术体制内 笼罩着对西方科学的敌视态度 其三 当时苏联科学界在自动控制技术 预测等领域有着极强的研究实力 理论上也有世界性的成果 如巴甫洛夫 Pavlov 1849 1936 的条件反射理论 柯尔莫戈洛夫 Kolmogorov 1903 1987 的统计预测理论 以及李亚普诺夫 Liapunov 1911 1973 的微分方程稳定性研究等 这些也都是控制论涉足的领域 控制论在中国的传播 苏联三位重量级科学家索保列夫 SergeiSobolev 1908 1989 哲托夫 AnatoliiIvanovichKitov 李亚普诺夫联合发表的文章 其中就控制论的科学意义 电子计算机与神经系统 控制论的实用意义三部分 对控制论进行了深刻的阐述 文章指出 我们的一些哲学家犯了一个严重的错误 他们没有分析清楚问题的本质 就去否定这一新的科学方向的意义 这两篇对控制论予以正面肯定和介绍的文章在苏联引起了巨大反响 成为苏联学界转变对控制论看法的标志性文献 控制论在中国的传播 控制论概念传人我国 它首先来源于苏联 由于国内很快确定了其汉译名 为日后该学科在我国的发展奠定了基础 自此 国内开始关注控制论的译介工作 在科学哲学 方法论层面上也逐步展开了学习和研究 可以说 1955年是控制论思想在我国生根的一年 而同年 工程控制论 的著者钱学森先生归国 注定对国内控制论研究与理论发展起到关键作用 控制论在中国的传播 第二道源泉 模拟的观念 战时的麻省理工学院 是一个研究中心 不但英国来了好多科学家 就是美国好多名大学的科学家也征召到这里 麻省的剑桥成了一个大熔炉 关心的事务很多 但最重要的还是这些科学家的大集会 这时英国的受击一天比一天加厉 高射炮火的研究一天比一天重要 而反馈观念 就在工程上 科学上的各部门在传播 由雷达侦察飞机 到高射炮自动开火 是一个有反馈观念自动控制过程 可是这个系统所涉及的部门 却不是单纯的一件东西 有机械 电机 流控 气控各种形式的信号的流动 如何研究这些信号 不是一个性质上的问题 而是一个数量上的问题 于是模拟的观念加强起来 什么是模拟的观念呢 我们在讲力学时 总讲牛顿第二定律 所加于物体的力与物体所产生的加速度成比例 这个比例常数是该物的质量 换句话说 如果加速度小 就表示质量大 如果加速大 就表示质量小 我们又把质量的这种特殊牲质叫做惯性 在讲电学时 我们又遇到一个定律叫做法拉第定律 所加于线圈的电压与线圈所产生的电流之变率成比例 我们把这个比例常数叫电感 电感有时候我们称为线圈的惰性 在学电学时 总是觉得这是一个很难理解的现象 于是我们就想 线圈对电压的阻挠 正相当于质量对力的阻挠一样 模拟的例子 一个RLC线圈如右图 如列出它的微分方程式来 应是 现在有一机械系统 我们如果列出它的微分方程式来应是 模拟系统 一个是电系统 一个是机械系统 所用的定律全不相干 可是列出的式子却极相像 我们如想知道这个机械系统运动的情况 可以由线路上面电流运动的情况而领悟出来 我们把这个电的线路叫做这个机械系统的仿真 而这机械系统叫做该线路的模拟 一个电机工程师可以对机械全不在行 但当他知道了质量相当于电感 摩擦相当于电阻 弹性相当于电容时 他立刻由线路上电流所应有的行为 领悟到这个机械系统应有的速度的情况 第三道源泉 数字计算器 一九四三年 费城的宾夕法尼亚大学有一个二十四岁的助教 叫做艾克特 Eckert 另外还有一个顾问叫做毛士莱 Manchly 他们领导着十二位科学家 作了200 000工时 完成了世界第一架数字电子计算器 这个计算器的能力相当于5 000人的计算能力 桌用计算器要作二十个钟头的题目 这个计算器作十秒就完成了 第一台电子计算机 多大呢 三十呎宽五十呎长屋子才能放下这个计算器 多重呢 三十吨 用多少电呢 相当于一个大广播电台 它的名字叫做ENIAC ElectronicNumericalIntegratorandComputer 自动控制中的新部件 在自动控制学中 加入一个新的生力军 数字计算器也成为一个组件了 由自控机构到自控观点 按照史实说 自动控制应该由瓦特时代的蒸汽机上的控速器说起 应该由马克士威尔的对控速器的分析算起 我们可以说这是把自动控制当成一个机件来看待的时代 到了二次大战期间 由控制炮位 到控制飞机 到控制航舰等 可以说把自动控制当成一套机构来看待的时代 自控系统例子 如转动把手R成一新的角度 Q接触点即向上移 于是P与Q间发生电位差 差值是e 作用在放大器A上 由A产生的电压 影响发电机G 于是电动机受影响而转动 电动机的负荷 即炮身 即跟着转动 炮自转动时P点也上行 终于PQ电位又复相等 电位差e等于零 一切都不再动了 自控系统例子 这是一套机构 而是自动的连带作用 国内自动控制理论的代表人物 钱学森 钱学森 1911 12 11 2009 10 31 应用力学 航天技术和系统工程科学家 生于上海市 原籍浙江省杭州市 1934年毕业于上海交通大学 1936年在美国麻省理工学院获硕士学位 1938年获加州理工大学博士学位 1955年回国 曾任中国力学学会 中国自动化学会 中国系统工程学会 中国宇航学会理事长 名誉理事长等职 现任国防科学技术工业委员会研究员 钱学森院士 早年在应用力学和火箭 导弹技术的许多领域都做过开创性的工作 独立研究以及和冯 卡门合作研究提出的许多理论 为应用力学 航空工程和火箭导弹技术的发展奠定了基础 回国后长期担任火箭 导弹和卫星研制的技术领导职务 为创建和发展我国的导弹 航天事业作出了杰出贡献 在工程控制论 系统工程和系统科学 思维科学和人体科学以及马克思主义哲学等许多理论领域都进行过创造性研究 作出了重大贡献 1956年获中国科学院自然科学奖一等奖 1985年获国家科技进步奖特等奖 1991年被国务院 中央军委授予 国家杰出贡献科学家 荣誉称号和一级英模奖章 中国科学院院士 1994年当选为中国工程院院士 宋健 所属领域 运动控制 个人简介 1931 12 两院院士 博士 控制理论 航空航天技术 应用数学 人口控制专家 现任中国工程院院长 主要科技成果及获奖情况 主持我国第一代地空导弹控制系统的设计和制造 反导弹系统的研制 参与潜地导弹研制 第一代地球同步卫星定点控制总指挥 建立最优控制场论 分布参数系统 点测控相耦合的系统理论 首创人口控制论 发现和证实 人口生育双向极限定律 曾获国家科学大会奖 国家自然科学成就奖 国家科技进步一 二等奖 国际数学模型协会艾尔伯特o爱因斯坦奖 达芬奇奖 何梁何利科技成就奖 戴汝为院士 戴汝为 1932 12 云南省昆明市人 1955年毕业于北京大学 毕业后在中国科学院工作 现任中国科学院自动化研究所研究员 1991年当选为中国科学院院士 1980 1982年在美国普渡大学电机系作访问学者 长期从事自动控制 模式识别 人工智能 智能控制及思维科学的研究 到目前为止 已发表 智能系统的综合集成 等学术专著5部 学术论文180余篇 曾任国家 863计划 智能计算机主题专家组副组长 国际句法模式识别委员会委员 欧洲 SignalProcessing 杂志海外编委 现任中国自动化学会理事长 中科院技术科学学部副主任 国务院学位委员会控制科学与工程专业委员会召集人之一 中科院自动化所学术委员会主任 清华大学智能系统与智能技术国家开放实验学术委员会主任 模式识别与人工智能 杂志主编等职 并受聘为清华大学计算机系 北京师范大学信息学院的兼职教授 以及中国科技大学 上海交通大学 北京航天航空大学 南京航空航天大学等三十余所大学的名誉教授 控制理论的发展若干重要时期 回顾近百年来的工程技术的发展 可以看到 20世纪的控制科学与技术是在实践的重大需求驱动下快速发展的 它经历了若干重要的发展时期 20世纪初的Lyapunov稳定理论和PID控制律概念 20年代的反馈放大器 30年代的Nyquist与Bode图 40年代维纳的控制论 50年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理 60年代卡尔曼滤波器 系统状态空间法 系统能控性和能观性 70年代的自校正控制和自适应控制 80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制 90年代基于智能信息处理的智能控制理论 现代控制理论面临的问题 1 控制对象与控制对象所处的环境的变化随着计算机网络技术普及与发展 基于网络的远程控制受到人们的关注 在网络环境下存在延时 数据的丢失 数据时序或序的变化及数据的非等间隔采样 使得网络环境的控制变得十分复杂和困难 同时 网络自身的安全与控制也是一个十分重要和非常棘手的问题 不同性质 不同控制对象组合而成的混杂系统还缺乏理论支持和相应的技术手段 多任务 多机器人的协调控制问题 3 控制要求具有多种信息或传感信息的综合能力 具有自学习和自适应能力 能够自主调整控制结构 高可靠性 控制系统本身应该具有良好的控制特性 在出现故障和意外时 能及早进行自我故障诊断及排除 现代控制系统应该具有良好的容错性和鲁棒性 现代控制理论面临的问题 2 理论问题由于复杂系统的建模 稳定性与系统设计缺乏理论支撑和指导 有必要综合应用其它学科 如数学 信息科学 系统科学与认知科学的最新进展来建立一个解决复杂性问题的完整理论 现代控制理论面临的问题 新的发展方向 许多科学家对传统的控制理论与非线性分析 随机系统 统计学习 人工智能 认知科学等学科的结合产生了极大兴趣 特别是将人工神经网络 模糊逻辑 遗传计算 专家系统 混沌和其它常规信号信息处理相结合 在新的层次上实现控制的自适应和反馈 发展方向 复杂系统和智能系统的研究是21世纪控制科学发展的主要方向 宋健院士在北京IFAC大会上所做的 智能控制 跨越世纪的目标 的报告 在一定程度上指明了今后控制科学发展的方向 控制科学的发展面临着严峻问题与挑战 又存在良好发展机遇 为了解决面临的难题 第一要把传统的控制科学的研究进一步深化 综合化 重视控制硬件 软件和智能信息处理方法的结合 实现控制系统的智能化 第二要大力推进控制科学与计算机科学 信息科学 系统科学以及人工智能的有机结合 为控制科学的发展提供新思想 新方法和新技术 第三要以重大需求为导向推动控制科学与技术的更高层次的发展 使控制科学与技术在我国以信息化带动工业化和社会经济的快速健康发展中发挥重要作用 生物机构的再研究 自动控制学既是起源于病人一种病态的分析 经过了近百年的发展以后 目标又转回生物的研究上 换句话说 工程师们向上帝的创造设计觅取灵感 蛙的眼睛 章鱼的学习能力 鸟群集体飞行等 作业 描写你在现实生活中遇到自动控制机构系统 简述其控制原理 谢谢 问题与讨论