自动化前沿

World Congress ，
自动化领域的发展趋势总是历届会议大会报告 所关心的主题。
2012-4-17
自动化学科有众多的理论和应用
前沿问题 本课程着眼于自动化领域的前沿 发展方向，拓宽研究思路 前沿的两种含义
– 未来的发展方向 – 当前要解决的关键问题
2012-4-17
课 程 安 排
2012-4-17
H∞范数定义




复变函数F(s)如果在Re(s)>0的开区间有界 ： ｜F(s)｜≤b 则此界限的上确界定义为F(s)的H∞范数，即有 ║ F(s) ║ ∞ =Sup{｜F(s)｜: Re(s)} 由最大模定理，用虚轴s=jω来替换右半开平面 ║ F(s) ║ ∞ =Sup{｜F(jω)｜: ω R} 即H∞范数表示频率特性的最大模 H∞范数给出了w 到z 的最大能量增益
八个主题： 先进控制技术概论 —— 李 平 面向控制的计算机视觉技术 —— 姜 伟 生物传感器技术 —— 周建光 无线传感器网络 —— 陈积明 多相流检测技术 —— 冀海峰 智能优化技术 —— 马龙华 供应链系统的控制理论基础 —— 吴维敏 复杂流程系统的模拟与优化 —— 邵之江
2012-4-17
现代鲁棒控制

Zames于1981年提出控制系统的H∞设计方法，成为现 代鲁棒控制的先驱。
假定干扰属于某一已知信号集， 用其相应的灵敏度
函数的H∞范数作为指标，在可能发生的最坏干扰下 使系统的误差在这种范数意义下达到极小，从而将 抗干扰问题转化为求解使闭环系统稳定、并使相应 的H∞范数指标极小化的输出反馈控制器设计问题。 H∞控制的基本提法：最优敏感性，即干扰在输出上影 响最小 H∞最优控制可以解决一系列鲁棒控制问题
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自动化学科前沿领域

应用领域
航空航天和交通运输—无人系统、高可靠性、大规模复
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杂调度控制、环境约束、…… 机器人和智能机器—复杂、精确运动控制、自适应和自 学习、多机器人协调控制、基于视觉的控制、医疗机器 人、…… 信息和网络—网络控制(control of networks) 和基于网 络的控制(control over networks) 生物和医药—反馈是生命的主要特征，生物工程和控制 工程相互支撑，在分子生物学、综合生物学、人工智能、 医学控制等众多方面面临突破 材料和加工—在电子学、化学、材料生物学的纳米技 术，薄膜加工和微集成系统的设计，供应链管理和企业 资源配置等方面的控制，特别是颗粒系统和生物过程控 制方面的挑战 ……
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课程安排
课程内容：概念为主 考试形式：闭卷 教材类型：课堂讲义和参考书目
– 课后一周内上传至课程ftp站点 – 站点地址：10.13.21.123，端口：51688 – 用户名：autofrontier，密码：incoming
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《自动化前沿》系列课程之一
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鲁棒控制研究发展趋势
鲁棒性已成为衡量系统抗干扰性能的一
种指标 控制系统的性能要求是多方面的，对每 一种性能、每一种方法都可以提出鲁棒 性问题
稳定鲁棒性(鲁棒稳定性 )、性能鲁棒性(鲁棒 保代价控制)、鲁棒辨识、鲁棒模糊控制、鲁 棒预测控制 、非线性系统鲁棒控制、时滞系 统鲁棒控制、… …
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E.J.Davison的鲁棒调节器(2)
假定存在一调节器，使系统（1）闭环稳定， 且输出渐近调节，即
lim e(t ) 0
t
当系统参数发生变化使系数矩阵产生摄动，由 A→A+δA, B→B+δB， C→C+δC 时，存在正常数ε，满足0 <δ <ε，只要系统保 持闭环稳定就一定达到渐近调节，这样的调节器 称为鲁棒调节器，这种性能称为鲁棒性。
先进控制技术—20世纪80年代至今
– 面对越来越复杂、规模越来越大的控制对象
和更高的控制要求 – 建立准确数学模型的难度越来越大 – 考虑模型不确定性、综合运用并发展经典控 制和现代控制的理论成果
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先进控制技术概念

模型不确定性是控制理论成功应用的主要障 碍—非建模特性、线性化近似 先进控制技术考虑并且能够在一定程度上克服 模型不确定性 先进控制技术能够处理多变量（MIMO）系统 主要包括：

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H∞控制基本原理


考虑如图所示系统 z G — 对象传递函数矩阵 w G K — 镇定控制器 u — 控制器输出 u y y — 对象测量值 K w — 外界干扰 z — 误差信号 H∞最优控制问题：设计一个镇定控制器K ，使得w 到z 的闭环传递函数Tzw的H∞范数达到极小。
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自动控制理论的发展

经典控制理论—19世纪中叶至20世纪50年代初
– 控制系统设计和分析主要基于Bode图、Nyquist图和根
轨迹等方法 – 局限于单变量输入单变量输出（SISO）系统
– 主要采用频域模型（传递函数模型） – 对简单控制对象效果较好，有一定鲁棒性（相位裕度、
幅值裕度） – 考虑一些特殊控制器时，对模型要求较高（前馈补偿、 时滞补偿）
– 理论：T-S模型、任意逼近理论、…… – 应用：水泥窑炉控制、洗衣机控制、……

模糊控制的实现与基于规则（知识）的控制难 以严格区分 既可归类于先进控制技术，也可归类于智能控 制
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鲁棒控制
“鲁棒”一词来自英文词“Robust”的
音译，其含义是“稳健、强壮” Robustness，即鲁棒性，也常称之为稳健 性或强壮性，表示系统“抗扰动的能力”
2012-4-17
鲁棒控制的发展

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


鲁棒控制出现于20世纪70年代，以E.J.Davison 等人1975年提出针对模型不确定性的鲁棒调节 器设计方法的文章“Robust control of a general servomechanism problem: The servo compensator” 为标志 40多年来控制系统鲁棒性研究受到广泛重视， 发展为一个重要研究方向，成为与稳定性同等 重要的控制系统指标 目前仍然非常活跃的一个研究领域，具有非常 广泛的研究内容。
2012-4-17
鲁棒控制研究发展趋势
鲁棒控制研究总体上包含两大类
控制系统的鲁棒性分析、鲁棒控制系统设计
鲁棒控制方法研究
H ∞控制、μ分析与μ综合方法、基于线性矩 阵不等式（LMI）的鲁棒控制、 … …
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鲁棒控制小结

鲁棒控制考虑的是在以“摄动”或“小增益”形 式表现的不确定性扰动影响下系统性能抗干 扰的能力
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H∞控制的进展


J.C.Doyle etc.的著名文章“State-space solution to standard H2 and H ∞ control problems” (1989) 具有里程碑性质 – 将H ∞问题的求解归结为求解两个Riccati方 程，从而沟通了二次型最优控制与H ∞控制 的本质联系 上述工作使H ∞控制研究得到极大推动，线性 H∞控制研究在之后几年内已达到基本完善 H ∞控制在非线性系统、时滞系统的鲁棒控制 研究中仍较为活跃
( A A) x ( B B)u x

鲁棒控制是以不变的控制器（结构和参数） 应对控制对象受到的有界的不确定性扰动 鲁棒控制和鲁棒性分析综合了控制理论多方 面的基础，理论研究成果极其丰富 实际工程应用尚存在很大差距
2012-4-17
模糊控制

模糊是人类处理不确定性问题的一种方法 Zadeh建立的模糊集理论为模糊控制奠定了理 论基础 有关模糊控制的研究取得了丰硕成果
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自动化领域的发展趋势


自动化领域是信息科学中与几乎所有工程技术 学科都有密切联系的领域，其发展也必然处在 科技发展的前沿。 世界自动控制研究领域三大顶级（Top Lever） 学术会议:
– American Control Conference (ACC) – IEEE Conference on Decision and Control(CDC) – International Federation of Automatic Control (IFAC)
2012-4-17
自动控制理论的发展

现代控制理论—20世纪50年代末至80年代
– 控制系统设计主要基于状态空间模型和二次
型最优控制(LQ)方法 – 能够处理多变量（MIMO）系统
– 主要采用时域模型 – 主要考虑线性系统 – 效果依赖于受控对象数学模型的准确性
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自动控制理论的发展
浙江大学控制科学与工程学系
研究生课程
自 动 化 前 沿
2012-4-17
课 程 背 景



过去半个多世纪以来，自动控制领域取得了巨大进展 – 随着控制理论和数学、仿生学等相关理论取得的突破性 进展以及传感技术和计算机技术的不断改善，自动控制 系统在制造业、军事、航天航空、交通运输等许多领域 起着越来越重要的作用。 进入21 世纪，自动控制技术的应用机遇快速增长 – 计算、通信硬件和传感器等性能不断提高、价格日渐低 廉并且无所不在，拥有嵌入式处理器、传感器和网络硬 件的设备越来越多，使开发具有高性能和一定智能功能 的复杂控制系统成为可能。 科技高速发展的今天，自动化技术的重要性正在不断提高 – 未来自动控制在航空航天和运输、信息和网络、机器人 和智能机器、生物和制药、材料和加工等领域的应用将 产生复杂性远远超出当前水平的系统，在这些领域取得 进展需要新的研究。