自動控制理論初探

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      【摘 要】隨著技術工具的進步如半導體微電子學、光學和光電子學、計算機和通信網絡等信息采集、存儲、傳輸、計算和處理技術的迅速發(fā)展也強力推動著自動控制理論研究向前發(fā)展。然而由于研究系統(tǒng)、對象越來越來復雜，這樣就對自動控制理論以及其實際運用的研究就提出了更高的要求。本文首先對自動控制理論的發(fā)展作了一個簡單的回顧，然后對Matlab軟件作了一些簡介、最后簡單闡述了自動控制理論的研究現(xiàn)狀以及其它在各不同領域的運用。

　　【關鍵詞】自動控制理論；Matlab；模糊控制；魯棒控制；最優(yōu)化控制 　　隨著控制系統(tǒng)復雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進一步的發(fā)展，彌補各理論分支的缺點與不足，以滿足更高的控制性能指標?，F(xiàn)有的控制理論在線性系統(tǒng)控制中大都能取得良好的控制效果，但對離散、非線性復雜系統(tǒng)領域的研究大都剛剛起步，或處于初級階段，遠未達到人們的期望。而實際工業(yè)生產過程的模型一般都很復雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時變等特性。因此將控制理論的研究領域推廣到非線性復雜系統(tǒng)有重要的實際意義。另外與宏觀復雜系統(tǒng)控制相對的量子控制（Quantum Control）也正在作為一個全新的學科領域蓬勃崛起，它的發(fā)展也依賴于完善的控制理論和優(yōu)化控制策略。近年來隨著微電子、半導體、計算機等技術的快速發(fā)展也強有力的推動了自動控制理論的發(fā)展。 　　一、現(xiàn)代控制理論的產生及其發(fā)展 　　控制理論作為一門科學，它的產生可追溯到18 世紀中葉的第一次技術革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機，應用離心式飛錘調速器原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始，后來工程界用控制理論分別從時域和頻域角度討論調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性題，1872年勞斯（Routh E J）和1890年赫爾維茨（Hurwitz）先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)據(jù)，1932年奈奎斯特（Nyquist H）發(fā)表了放大器穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。美國著名的控制論創(chuàng)始人維納（Wiener N）總結了前人的成果，認為客觀世界存在3大要素：物質、能量、信息，雖然在物質構造和能量轉換方面，動物和機器有顯著的不同，但在信息傳遞、變換、處理方面有驚人的相似之處，1948 年發(fā)表了《控制論—或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，確立了控制理論這門學科的產生。 　　1．經典控制理論。第一代稱為“經典控制理論”時期，時間為20 世紀40～50 年代。它研究的主要對象多為線性定常系統(tǒng)，主要研究單輸入單輸出問題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對機器進行“調節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運行，其次是采用“反饋的方式，使得一個動力學系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標進行控制。” 　　2．現(xiàn)代控制理論。第二代稱為“現(xiàn)代控制理論”時期，時間為20 世紀60～70 年代。經典控制理論對線性定常系統(tǒng)可產生良好的控制效果，但是它對多輸入多輸出、時變、非線性系統(tǒng)的控制卻力不從心。所以50 年代末60 年代初，學者卡爾曼等人將古典力學中的狀態(tài)、狀態(tài)空間概念加以發(fā)展與推廣，將經典控制理論中的高階常微分方程轉化為一階微分方程組，用以描述多變量控制系統(tǒng)，并深刻揭示了用狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)內部結構特性如可控性、可觀性，從而奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。 　　3．第三代控制理論。以上所提的經典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在數(shù)學模型之上的，所以統(tǒng)稱為常規(guī)（傳統(tǒng)）控制。它們?yōu)榱丝刂票仨毥＃S多實際系統(tǒng)的高維性及系統(tǒng)信息的模糊性、不確定性、偶然性和不完全性給基于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論以巨大的挑戰(zhàn)。是否可以改變一下思路，不完全以控制對象為研究主體，而以控制器為研究對象；是否可以用人工智能的邏輯推理、啟發(fā)式知識、專家系統(tǒng)解決難于建立數(shù)學模型的問題呢？智能控制的出現(xiàn)正源于這一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一詞，1971 年傅京孫教授指出，為了解決控制問題，用嚴格的數(shù)學方法研究新的工具來對復雜的“環(huán)境2對象”模型進行建模和識別以實現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的思想建立對不能精確定義的環(huán)境和任務的控制設計方法，這兩者都值得試一試，而重要的是把兩種途徑密切結合起來協(xié)調的進行研究。沿著這一思想出發(fā)，現(xiàn)代控制理論將微分幾何、微分代數(shù)、數(shù)學分析與邏輯推理、啟發(fā)式知識建立和發(fā)展了智能控制理論相結合從而形成第三代控制理論大系統(tǒng)理論和智能控制理論。 　　二、Matlab工程軟件 　　1．Matlab起源。早在70年代中期，Matlab的開發(fā)者美國人Clever Moler及其同事在美國國家科學基金的資助下研究開發(fā)調用LinPack和EisPack的FORTRAN子程序。到70年代后期，Clever Mloer教授利用業(yè)余時間為學生編寫能夠方便調用LinPack和EisPack的程序。Clever Mloer給這個接口程序取名為Matlab，這是從Matrix（矩陣）、Laboratory（實驗室）各取前三個字母組成的，意思是“矩陣實驗室”。 　　2．Matlab的特點與功能。Matlab自從1984年由MathWork公司推向市場以來，經歷十幾年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)在逐步風靡世界，可靠的數(shù)值和符號運算能力、簡單易學的程序語言、強大的圖形和可視化的功能以及為數(shù)眾多的運用工具寶石Matlab區(qū)別與其他科技應用軟件的顯著特點。其相關的功能如下：（1）數(shù)值和符號計算功能。Matlab的數(shù)值計算功能包括：矩陣的創(chuàng)建和保存；數(shù)值矩陣代數(shù)、乘方運算和分解；數(shù)組運算；矩陣操作；多項式和有理分式運算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、差分和數(shù)組導數(shù)；用于求積分、優(yōu)化和微分方程的數(shù)組解的功能函數(shù)等。（2）Matlab語言。除了指令行操作的直接交互使用方式外，Matlab作為高級應用軟件有它自己的編程語言。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的習慣形式十分相似，簡單易學。完全不需要對矩陣的乘法和求逆進行煩瑣的編程。因此用Matlab求解問題比C語言、FORTRAN語言要簡便的多。與其它高級語言的關系仿佛高級語言與匯編語言的關系一樣，盡管它的執(zhí)行效率比其它的高級語言低但是其編程效率、程序的可讀性，可移植性要遠高于它們。（3）圖形和可視化功能。圖形和可視化功能是現(xiàn)代應用軟件發(fā)展的主要方向，也是前后版本間的最大差異之一。利用可以輕而易舉地繪制二維、三維曲線，三維曲面，并可進行圖形和坐標的標識、坐標控制、圖形的迭繪、視角和光照設計、色彩精細控制等等。另外還可以非常方便地完成動畫的繪制工作。Matlab還提供了對圖形對象（Graph object）和圖形句柄（Graph Handle）進行操作的“底層（low level）”指令，使用戶可以隨心所欲地對圖形進行各種操作，為用戶在圖形表現(xiàn)和可視化方面開拓了一個廣闊的、沒有絲毫束縛的空間。