现代控制技术基础

西南科技大学

现代控制技术基础实践报告

专 业：

题 目：现代控制技术基本理论、应用与发展趋势学 院：

姓 名：

指导老师： 机械制造及自动化 绵阳职业技术学院 苏加伍

实践目的与要求：1、掌握理论，简单应用

2、了解发展趋势

现代控制技术的基本理论：

1、 线性系统理论是现代控制理论中最基本的组成部分，

也是比较成熟的部分。要分析一下系统的特性，首

先要建立系统的数学模型。经典控制论中用微分方

程、传递函数和频率特性来描述，而这里则是用状

态方程来描述。状态方程不但描述了系统的输入输

出关系，而且描述了系统内部一些状态变量的随时

间变化关系。由于其分析方法都是建立在对系统状

态方程的分析上，所以这些方法也称为状态空间分

析方法。

2、 系统辨识是通过观测一个系统或一个过程的输入、

输出关系来确定其数学模型的方法。在许多实际系

统中，由于根据物理化学定律而推导建立起来的所

谓机理模型一般都比较复杂，用它不便于寻求一个

最优控制方案；或者由于没有足够的有关系统及其

环境的先验知识，因而无法对其设计一个最优控制；

因此，面临的首要问题就是通过实验，量测系统的

输入、输出，从中找出一个既简单又能恰当地描述

该系统特征的数学模型，这样才便于实现最优控制

或自适应控制。系统辨识理论不但广泛用于工业、

国防、农业和交通等工程控制系统中，而且还应用

于计量经济学、社会学、生理学等领域。如对于人-

机器-环境系统中人的性能、瞳孔和肌肉的控制功能

等等，已经获得了很成功的模型。

3、 自适应控制也是现代控制理论中近十几年来发展比

较快的一个活跃的分支。对于控制对象的结构或参

数会随环境条件的变化而有大的变化的情况，为了

保证控制系统在整个控制过程中都满足某一最优准

则，那么最优控制器的参数就需要随时加以调节变

化才行。换句话说，控制器的参数要适应环境条件

的变化而自动地调整其参数，使得整个系统仍然满

足最优准则。因此，这类控制系统称为自适应控制

系统。自适应控制一般分为两大类：一类叫模型参

考自适应控制

(Model Reference Adaptive Control)；另一类称

自校正自适应控制

(Self-Turning Adaptive Control)。其中模型参考

自适应控制是指自适应系统利用调节系统的输入

/ 输出量或状态向量，由自适应控制器调整系统参

数或综合一个辅助信号，使系统性能接近指定指标。

自校正自适应控制指自适应控制系统为必须能辨识

对象，且能将当前系统的性能指标与期望的或最优

的性能相比较，从而达到系统趋向的最优决策或控

制。自适应控制最初应用在飞机的自动驾驶仪上，

后来在导弹、火箭和航天技术方面得到优先的使用。

由于计算机技术的进步，使自适应控制广泛用于化

工、冶金自动化和电力系统的控制上。可以预料，

自适应控制将会更加广泛地应用到各个方面去。

智能控制技术及应用：

1、 智能控制系统可认为是一种能在各种复杂的不确定

环境中，以一个或多个常规控制系统为“执行机构”，

以这种复杂过程为“控制对象”，面向目标任务的闭

环自动控制系统。它具有多层次系统结构，复合型的

信息结构，能利用知识进行推理、学习与联想。一个

好的智能控制系统应能满足多目标与高性能指标的

要求，对环境干扰与不确定因素具有鲁棒性，对故障

具有屏蔽和自恢复能力，系统有相当的在线实时响应

能力，能适应对象特性，运行条件等变化，并具有友

好的人-机界面，便于操作与维护。

2、 20多年来人工智能的研究成果为控制工程界提供了

新的思路与方法，应用人工智能的方法，建立知识库

和推理机，将定量与定性相结合，使系统具有在线学

习和修正的功能，面对实际的过程与环境有一定的组

织、决策和规划的能力，能模拟人的某些智能和经验

来引导求解过程，这就是智能控制的研究内容，已成

为当前控制工程界的热点。

3、 尽管智能控制技术发展的历史不长，但它在生产过程

中的应用却已不少： ①在工业过程控制中的应用包

括石油化工、冶金、化工等方面。如1994年Gensym

公司和 Neuralware公司联合将神经网络和优化软件

与专家系统结合，用于Taxaco炼制和销售公司的

Star炼油厂的非线性工艺过程，一年内就收回投资。

②在分散控制系统(DCS)和可编程控制器(PLC)中

的应用，每当引进智能技术就增加功能、提高档次。

不少的仪表制造商看好这一巨大的市场潜力，争先

恐后地研制带有智能的DCS。如：德国Simens公

司为其DCS Teleperm M的现场控制器

AS230/AS235(H)开发了模糊化、模糊判决和规则确

定的软件模块。

③在故障诊断及其他方面的应用。如美国

Combustion Engineering Simcon公司的IPOM故

障诊断系统，它由三部分组成：模式识别、智能显

示、专家系统与DCS数据高速公路的接口，主要检

测和诊断生产过程中的故障，其使用充分利用了人

类专家在生产中的经验，而在计算速度上却远远超

过了人类专家的能力范围，使得复杂设备的实时故

障诊断成为可能。

现代控制技术在21世纪的发展趋势

1、 随着知识经济时代的到来，计算机、通讯和网络技术

的飞速发展从根本上改变了现代工业企业的生产模式。

国际化、动态化市场竞争日益激烈，经济及用户需求的

不确定性也在不断增加，工业企业如何适应新的竞争环

境，成为广大理论与实践工作者关注的焦点。科学技术

的进步和社会的发展，缩短了产品的生命周期，从而要

求企业必须不断更新产品和发展品种。这样就迫使许多

现代制造企业，不得不纷纷走向多品种小批量的生产类

型而且仅依靠在本企业内部采用先进的生产技术，来组

织效率高而成本低的大批量生产已不能适应当今日益加

剧的全球化竞争；企业必须充分利用广域网和企业网技

术实现企业内部及全球企业之间的信息集成，必须利用

多方优势力量，通过动态联盟，多企业协同工作，快速

采购最优质、低价的零部件和原材料，制造加工出用户

所需的产品，来快速响应市场需求。因此，信息技术与

控制技术的结合是全球化生产的必然趋势，虚拟现实与

仿真技术是实现全球化生产的基本前提，而集成控制技

术则是全球化生产的主体——新型企业的未来组织模

式。

2、 当前，世界正进入信息时代。信息是一种重要资源，

它和其它物质资源显著不同的特点在于：信息在使用和

流通的过程中非但不会损耗，而且只有通过使用和流通

才能充分发挥其效用，并且不断增值。现代社会中，计

算机已成为信息储存和处理的主要手段，而信息的采集、

传输和分发则离不开计算机网络。自美国克林顿政府提

出国家信息基础设施的行动计划后，在世界范围内兴起

了一个信息高速公路的热潮。从某种意义上来说，信息

高速公路就是可交互式传输包括数字、字符、声音、图

形、图像和视频等多媒体信息的高速计算机通信网络。

进入本世纪90年代，国际互连网在全球迅速增长，对整

个社会产生了深远影响的Internet是多种信息服务的

集合。主要服务有全球信息服务(Web)、文件传输服务、

电子邮件服务、远登录服务、电子公告板服务等。异地

设计和制造是以高速计算机通信网络和多媒体技术为基

础，将分布在不同地点的设计和制造部门，通过网络系

统集成为一个并行化和一体化运作的整体。单台计算机

的处理能力限制了其应用范围，只有通过计算机网络将

分布在不同地点的各个子系统互连在一起才能实现数据

的交换、共享和集成，减少中间数据的重复输入输出过

程，从而大大地提高整个系统从订单、备料、设计、工

艺到生产和供货全过程的效率，加速新产品的开发，提

高质量，降低成本，缩短交货周期和压缩库存，以提高

企业在市场的竞争力。控制论的创始人维纳为其著名的

《控制论》一书所列的副标题是“关于在动物和机器中

控制和通信的科学”。近百年来的发展也说明控制与信

息、通信的发展是密不可分的。信息科学技术与控制科

学技术的交叉发展越显重要。计算机网络、因特网、虚

拟网络、企业网络、现代信号处理等等使自动化系统与

工业控制系统从体系结构、控制方法、产品系列、人机

合作等都发生了重大的变化。例如：递阶控制系统的体

系结构因网络的发展和“柔性化”的需要而“扁平化”；

企业内部网(Intranet)与控制网(Controlnet)或现场总

线(Fieldbus)、底层基础网(Infranet)环境下的控制方

法与算法需要创新。进入21世纪的控制系统必将是以网

络为主要特征：一方面是在自动化与工业控制中需要更

深层次地渗透通信与网络技术；另一方面是在通信网络

的管理与控制中也要求更多地采用控制理论与策略。“网

上控制”和“控制入网”将是21世纪工业控制的一个动

向。

3、 现代工业的发展已出现越来越多的综合型大企业，要求对生产的整个过程，全部环节所组成网络的物料流、

信息流、资金流进行综合控制，使运行工况、设备状态、

能源利用、经济效益、预测分析和故障处理都在最优化，

最合理的状态。在自动化技术、信息技术与各种生产技

术基础上，由工业计算机系统将工厂全部生产活动所需

的信息与各分散的自动化系统，有机地集成起来，构成

一个能适应生产环境不确定性与市场需求多变性的柔性

智能生产系统，如以离散事件为特征的计算机集成制造

系统

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。

CIMS将制造系统中的各个自动化孤岛用计算机进行有

机的集成，使制造系统适合于多品种、中小批量的生产，

提高制造系统的总体效益和柔性。 实现CIMS的基本要求是：

(1)建立有力的领导机构；

(2)应用系统工程理论与技术、网络技术、数据库/ 知识

库技术、CAD/ CAPP/ CAM/ CAQ/ CAT技术、系统仿真技

术等，实现各种信息的集成； (3)改善现有企

业组织机构。在CIMS工程实践中，其理论和方法也是不

断发展的。过去CIMS实施强调工程设计、制造过程、信

息管理和工厂生产等技术、功能的集成，而现在强调经

营、技术和人的集成。CIMS由过去的“技术驱动”变为

现在的“需求牵引”。满足用户的需求是成功实现CIMS

的关键。现在衡量CIMS是否达到全面最优化要从及时性

(T-time)、高质量(Q-quality)、经济性(C-cost)、服务

好(S-service)和环境保护(E-environment)方面综合考

虑，实现从市场分析、产品设计、生产制造到售后服务

的控制与管理的集成。 系统集成要根据总体目标，采用成熟技术及产品，促进

学科交叉，从工业控制作为集成自动化的基础必须考虑

到集成的需求与环境，包括开放式系统标准化、模块化

设计、软件重构性、联网能力、统一的人机界面等。21

世纪的工业控制系统将不仅仅实现控制功能，而必须考

虑与设计、管理决策等系统的互联，实现信息的双向共

享和自动化系统的集成。在系统集成中，人的因素必须

足够重视。成功的系统集成往往是经营、技术与人(和组

织)的集成。在自动化与工控系统中，如何促进人机协作、

协调与协同，使人的创新性能更好发挥是人们关注的一

个问题。正如有位专家所指出的，要在生产中发挥人的

人格。系统集成给予工控界的启示是：要使工控系统便

于集成，以系统集成促进工控系统的发展。

二O一二年七月一日