控制科学与发展讲解
控制科学与工程学科十年发展规律
控制科学与工程学科十年发展规律
近十年来，控制科学与工程学科得到了快速发展。
其主要发展规律如下：
1. 多学科交叉融合。
控制科学与工程学科与计算机科学、机械工程、电子工程、数学等学科的交叉融合不断深化，形成了新的研究领域和方向，如智能控制、机器人控制、复杂系统控制等。
2. 理论研究深入。
控制科学与工程学科的理论研究逐步深入，不断涌现出新的理论框架和方法。
其中，智能控制、非线性控制、自适应控制、鲁棒控制等成为研究的热点，并得到广泛应用。
3. 技术应用广泛。
控制科学与工程学科的技术应用广泛，涉及到制造业、交通运输、能源、环保等众多领域，为提高生产效率和品质、降低资源消耗和环境污染等方面做出了巨大贡献。
4. 人才培养注重实践。
近年来，控制科学与工程学科在人才培养方面注重实践环节的设置和加强，培养出了一批批具有实践能力和创新精神的优秀人才。
总之，控制科学与工程学科在近十年的发展中，不断拓展研究领域、深化理论研究、广泛应用技术并注重人才培养，为科学技术的发展做出了重要贡献。
- 1 -。
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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2016年6月19日
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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2016年6月19日
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
指南车复原模型
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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
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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2016年6月19日
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
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；
控制理论的产生与发展讲义(PPT 34张)
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。 卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
庞特里亚金 L.S.Pontryagin 4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens） 和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制 系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念 推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的 等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础
最优估计理论
自适应控制理论
系统辨识理论
智能控制理论
现代控制理论与经典控制理论的差异
经典控制理论 研究对象 单输入单输出系统(SISO) 高阶微分方程 研究方法 研究工具 传递函数法(外部描述) 拉普拉斯变换 现代控制理论 多输入多输出系统(MIMO) : 一阶微分方程 状态空间法(内部描述) 线性代数矩阵
分析方法
设计方法 其他
频域(复域),频率响应和根轨迹法
PID控制和校正网络
复域、实域，可控和可观测
状态反馈和输出反馈
频率法的物理意义直观、实用， 易于实现实时控制和最优控制 难于实现最优控制
现代控制理论的应用
比起经典控制理论, 现代控制理论考虑问题更全 面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合, 系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代 控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防 建设等各个领域。
控制论之父——韦纳
控制科学与工程
软件开发平台
为了简化控制系统的软件开发 ，现在有很多通用的软件开发 平台，如组态软件、嵌入式开 发平台等，这些平台提供了丰 富的库函数和工具，方便开发 者快速开发出满足需求的控制 系统软件。
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实时操作系统
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为了满足控制系统的实时性要求， 通常会选择实时操作系统（RTOS） 来进行软件开发。RTOS能够提供 多任务管理和任务间的通信机制， 保证控制算法的实时性。
控制科学与工程在人工智能领域的应用前景
智能控制
控制科学与工程将应用于智能家居、智 能交通等领域，实现各种智能设备的互
联互通和协同工作。
机器人技术
控制科学与工程将应用于服务机器人、 工业机器人等领域，提高机器人的自
主性、灵活性和安全性。
机器学习与数据驱动控制
利用机器学习技术对大量数据进行处 理和分析，实现控制系统的优化和自 适应调整。
能控性能和能观性能
描述系统状态变量可控制和可观测的程度的指标。
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控制系统的设计与优化
控制系统设计的基本原则
稳定性原则
控制系统必须能够稳定运行，避免因外部干扰或 内部参数变化而产生过大的误差或失控。
快速性原则
控制系统应具有较好的响应速度，能够快速地跟 踪输入信号的变化，并及时作出调整。
ABCD
准确性原则
牛顿法
通过构造海森矩阵并求解其线性方程组来找到最优解，适用于非线性 约束优化问题。
遗传算法
模拟生物进化过程的自然选择和遗传机制，通过种群迭代和基因变异 来寻找最优解，适用于多变量、非线性优化问题。
粒子群优化算法
模拟鸟群、鱼群等生物群体的行为模式，通过个体间的相互协作和信 息共享来寻找最优解，适用于连续或离散空间的优化问题。
控制科学与工程介绍
控制科学与工程介绍1. 简介控制科学与工程是一门应用数学和工程学的交叉学科，旨在研究如何通过系统的设计和控制来实现对于物理、化学、生物等各种工程系统或自然系统的目标控制。
它涉及到信号处理、模型建立、控制器设计以及系统优化等多个领域，广泛应用于工业自动化、机器人技术、航空航天、生物医药等众多领域。
2. 历史发展控制科学与工程起源于20世纪初，最早的研究对象是机械系统的稳定性和振动问题。
随着电子技术和计算机技术的发展，控制理论逐渐成为一个独立的学科，并在实际应用中取得了巨大成功。
20世纪50年代，随着信息论和现代控制理论的出现，控制科学与工程进入了一个全新的阶段。
这一时期出现了许多重要的理论和方法，如状态空间法、最优控制理论、自适应控制等。
这些理论和方法极大地推动了控制科学与工程的发展，并被广泛应用于实际工程中。
近年来，随着人工智能和大数据技术的快速发展，控制科学与工程进入了一个新的时代。
通过引入深度学习、强化学习等技术，控制系统的性能和鲁棒性得到了进一步提升。
同时，控制科学与工程也开始与其他领域进行深入交叉，如网络控制、生物控制等。
3. 主要内容3.1 控制系统建模控制系统建模是控制科学与工程的基础。
它包括对被控对象进行数学描述，并建立数学模型。
常见的方法有传递函数法、状态空间法等。
通过建立准确的数学模型，可以更好地理解和分析系统行为，并为后续的控制器设计提供依据。
3.2 控制器设计在控制系统中，控制器是实现目标控制的核心部分。
根据系统模型和性能要求，可以设计不同类型的控制器，如比例积分微分（PID）控制器、最优控制器、自适应控制器等。
这些方法通过对输入信号进行调整来实现对输出信号的稳定控制。
3.3 信号处理与滤波在实际应用中，系统通常会受到各种噪声和干扰的影响。
信号处理与滤波是控制科学与工程中的重要内容之一。
通过对输入信号进行滤波、降噪等处理，可以提高系统的鲁棒性和稳定性。
3.4 系统优化与鲁棒性分析在控制系统设计过程中，优化和鲁棒性分析是非常重要的环节。
控制理论的产生与发展讲义(PPT 34张)
1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。
指 南 车
2. 公元1086－1089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统。
水 运 仪 象 台
二 起步阶段
随着科学技术与工业生 产的发展，到十八世纪， 自动控制技术逐渐应用到 现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt） 发明的蒸汽机离心调速器， 加速了第一次工业革命的 步伐。
ห้องสมุดไป่ตู้
瓦特
三 发展阶段
1. 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速 系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳 定性代数判据。
马克斯韦尔（J.C.Maxwell）
2. 1895年劳斯（Routh）与赫
尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了两个著名
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创 建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。 卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
奈奎斯特
4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究 系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹 法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或 自动控制理论）。
四 标志阶段
1.1947年控制论的奠基人美国 数学家韦纳（N.Weiner）把控制 论引起的自动化同第二次产业革 命联系起来，并与1948年出版了 《控制论—关于在动物和机器中 控制与通讯的科学》，书中论述 了控制理论的一般方法，推广了 反馈的概念，为控制理论这门学 科奠定了基础。
控制科学与工程学科发展报告_发展现状及趋势
控制科学与工程学科发展现状及趋势一、国内外现状概述：经典控制理论的研究对象一般为单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。
经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统的数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。
经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频域方法。
经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时域和频域中系统的运动特性、控制系统的设计原理和校正方法。
其局限性主要表现在一般仅适用于单变量和定常系统。
现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。
状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和揭示了系统内部状态和性能。
较之经典控制理论，现代控制理论的研究对象要广泛得多，原则上将，它既可以是单变量、线性、定常、连续的，也可以是多变量、非线性、时变、离散的。
智能控制可以概括为自动控制和运筹学、计算智能、人工智能等学科的结合，其结构是：识别、推理、决策、执行。
在低层次的控制中用常规控制器，而在高层次的控制中则应用具有在线学习、修正、组织、决策和规划能力的控制器，模拟人的某些智能和经验来引导求解过程。
智能控制理论是以专家系统、模糊控制、神经网络等智能计算方法为基础的智能控制。
智能控制的发展还不完善，甚至可以说才刚刚开始，但是可以预见智能控制的发展与完善将引起控制科学与工程学科的全面革命。
集散控制系统（DCS）就是在生产过程自动化的巨大需求的背景下发展起来的一种自动化技术。
它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视、控制和管理。
它既打破了常规控制仪表功能的局限，又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险。
当前DCS发展的一个新趋势是基于无线工业网络的集散控制系统，采用DCS不是简单地取代传统的控制设备，而是一种高新技术的发展。
控制科学与工程学科发展现状与展望
控制科学与工程学科发展现状与展望控制科学与工程是应用科学的一个研究领域，其发展至今已经有几十年的历史。
在人们对自动化、智能化的追求中，控制科学与工程在工业、交通、军事、医疗、航空航天等多个领域都起到了至关重要的作用，为人们的生产和生活带来了极大的便利和效益。
本文将对控制科学与工程的发展现状与未来进行分析和展望。
一、控制科学与工程的发展现状1.1 控制科学与工程在工业自动化领域的应用随着数据时代的飞速发展，工业自动化已经成为一种必要的趋势，而控制系统是工业自动化的核心部分。
在工业生产中，控制科学与工程通过提高自动化水平和节能降耗，实现了工业生产的高效、安全和可靠。
在食品、纺织、包装、制造等行业，基于控制科学与工程的新技术、新工艺及新方法，不断推进着自动化生产的普及和推广。
1.2 控制科学与工程在交通运输中的应用控制科学与工程的应用还扩展到了交通运输领域，自动驾驶汽车、智能交通系统，无人机，海洋勘探设备等都是基于控制科学与工程的理论研究和实践开发。
在交通运输领域，控制科学与工程的应用，不仅有助于提高交通安全性和效率，而且可为人们提供更加舒适和安全的交通出行体验。
1.3 控制科学与工程在医学中的应用近年来，人们也越来越关注控制科学与工程在医学领域中的应用。
在现代医学中，控制科学与工程既应用在现代医疗设备的研发中，也应用在临床医学的诊断、治疗和康复中。
此外，基于控制科学与工程的技术手段，医疗器械和医疗图像处理等技术的发展也得到了极大的促进。
上述三个领域，无疑的展示了控制科学与工程在现代社会中的基础和重要性。
二、控制科学与工程的发展展望2.1 发展趋势未来，控制科学与工程将通过发展基于大数据分析的技术，进而实现对控制系统具有更深入的理解与设计水平。
同时，随着人工智能技术的广泛应用，控制科学与工程也将更多地依赖于人工智能技术，创造更为人性化的控制体系。
对管理平台的深入研究和开发将成为未来控制科学与工程发展的重中之重。