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飛行器控制技術的進步是與自動控制理論的發展密切相關的。控制理論在飛行器控制技術方面獲得了廣泛的應用,取得了許多重要成果。 講述系統控制科學中具有新觀念、新思想的理論研究成果及其在各個領域中,特別是高科技領域中的應用研究成果,

1英文名稱

control theory

2發展歷程

控制理論的發展歷史可分為兩個階段經典控制理論與現代控制理論

3理論

發展過程
經典控制理論的發展大致經歷了以下幾個過程:
1. 萌芽階段
早在古代,勞動人民就憑藉生產實踐中積累的豐富經驗和對反饋概念的直觀認識,發明了許多閃爍控制理論智慧火花的傑作。如果要追溯自動控制技術的發展歷史早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽
指南車

  指南車

例如,兩千年前中國發明的指南車,就是一種開環自動調節系統。它利用差速齒輪原理,利用齒輪傳動系統,根據車輪的轉動,由車上木人指示方向。不論車子轉向何方,木人的手始終指向南方,「車雖回運而手常指南」。
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再如,中國北宋時代(公元1086~1089年)蘇頌和韓公廉利用天衡裝置製造的水運
水運儀象台

  水運儀象台

儀象台,就是一個按負反饋原理構成的閉環非線性自動控制系統 。上層是一個露天的平台,設有渾儀一座,用龍柱支持,下面有水槽以定水平。
中層是一間沒有窗戶的密室,裡面放置渾象。天球的一半隱沒在地平之下,另一半露在地平的上面,靠機輪帶動旋轉,一晝夜轉動一圈,真實地再現了星辰的起落等天象的變化。 下層包括報時裝置和全台的動力機構等。
2. 起步階段
隨著科學技術與工業生產的發展,到十七、十八世紀,自動控制技術逐漸應用到現代工業中。
1681年法國物理學家、發明家巴本(D. Papin)發明了用做安全調節裝置的鍋爐壓力調節器;
1765年俄國人普爾佐諾夫(I. Polzunov)發明了蒸汽鍋爐水位調節器等;
離心調速器模型

  離心調速器模型

1788年,英國人瓦特(J. Watt)在他發明的蒸汽機上使用了離心調速器,解決了蒸汽機的速度控制問題,引起了人們對控制技術的重視。飛球加速器(離心調速器):就是有兩個飛球,一轉起來以後,因為離心力,飛球就往外脹。飛球脹開以後,這個下面的套筒就往上升,這個套筒在移動,就帶動執行機構動作,這是最早的瓦特的離心調速器。
以後人們曾經試圖改善調速器的準確性,卻常常導致系統產生振蕩。自動控制技術的逐步應用,加速了第一次工業革命的步伐。
3. 發展階段
實踐中出現的問題,促使科學家們從理論上進行探索研究。1868年,英國物理學家麥克斯韋(J.C. Maxwell)通過對調速系統線性常微分方程的建
麥克斯韋

  麥克斯韋

立和分析,解釋了瓦特蒸汽機速度控制系統中出現的劇烈振蕩的不穩定問題,提出了簡單的穩定性代數判據,開闢了用數學方法研究控制系統的途徑。
此後,英國數學家勞斯(E.J. Routh)和德國數學家胡爾維茨(A. Hurwitz)把麥克斯韋的思想擴展到高階微分方程描述的更複雜的系統中,分別在1877年和1895年各自提出了直接根據代數方程的係數判別系統穩定性的準則兩個著名的穩定性判據—勞斯判據胡爾維茨判據。這些方法基本上滿足了20世紀初期控制工程師的需要,奠定了經典控制理論中時域分析法的基礎。
由於第二次世界大戰需要控制系統具有準確跟蹤與補償能力,1932年美國物理學家奈奎斯特(H. Nyquist)提出了頻域內研究系統的頻率響應法,建立了以頻率特性為基礎的穩定性判據,為具有高質量的動態品質和靜態準確度的軍用控制系統提供了所需的分析工具。
奈奎斯特

  奈奎斯特

隨後,伯德(H.W. Bode)和尼科爾斯(N.B. Nichols)在1930年代末和1940年代初進一步將頻率響應法加以發展,形成了經典控制理論的頻域分析法。建立在奈奎斯特頻率響應法和伊萬斯根軌跡法基礎上的理論,稱為經典控制理論(或稱古典控制理論、自動控制理論),為工程技術人員提供了一個設計反饋控制系統的有效工具。
4. 標誌階段
1947年控制論的奠基人美國數學家(N. Weiner)把控制論引起的自動化同第二次產業革命聯繫起來,並與1948年出版了《控制論於在動物和機器中控制與通訊的科學》。書中論述了控制理論的一般方法,推廣了反饋的概念,為控制理論這門學科奠定了基礎。
1948年,美國科學家伊萬斯(W.R. Evans)創立了根軌跡分析方法,為分析系統性能隨
控制論之父--維納

  控制論之父--維納

系統參數變化的規律性提供了有力工具,被廣泛應用於反饋控制系統的分析、設計中。中國著名科學家錢學森將控制理論應用於工程實踐,並與1954年出版了《工程式控制制論》。
從20世紀40年代到50年代末,經典控制理論的發展與應用使整個世界的科學水平出現了巨大的飛躍,幾乎在工業、農業、交通運輸及國防建設的各個領域都廣泛採用了自動化控制技術。
第二次世界大戰期間,反饋控制方法被廣泛用於設計研製飛機自動駕駛儀、火炮定位系統、雷達天線控制系統以及其他軍用系統。這些系統的複雜性和對快速跟蹤、精確控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技術,促使了許多新的見解和方法的產生。同時,還促進了對非線性系統、採樣系統以及隨機控制系統的研究。可以說工業革命和戰爭促使了經典控制理論的發展。
以傳遞函數作為描述系統的數學模型,以時域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設計工具,構成了經典控制理論的基本框架。到20世紀50年代,經典控制理論發展到相當成熟的地步,形成了相對完整的理論體系,為指導當時的控制工程實踐發揮了極大的作用。
經典控制理論主要用於解決反饋控制系統中控制器的分析與設計的問題。下圖反饋控制系統的簡化原理框圖。
反饋控制系統

  反饋控制系統

以爐溫控制為例,受控對象為爐子;輸出變數為實際的爐子溫度;輸入變數為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量,代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較,兩者的差值電壓經過功率放大後用來驅動相應的執行機構進行控制。
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4控制理論

發展過程
20世紀50年代中期,科學技術及生產力的發展,特別是空間技術的發展,迫切要求解決更複雜的多變數系統、非線性系統的最優控制問題(例如火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制,到達目標的控制時間最小等)。實踐的需求推動了控制理論的進步,同時,計算機技術的發展也從計算手段上為控制理論的發展提供了條件,適合於描述航天器的運動規律,又便於計算機求解的狀態空間模型成為主要的模型形式。
俄國數學家李雅普諾夫1892年創立的穩定性理論被引入到控制中。
1956年,美國數學家貝爾曼(R. Bellman)提出了離散多階段決策的最優性原理,創立了動態規劃。 之後,貝爾曼等人提出了狀態分析法;並於1964年將離散多階段決策的動態規劃法解決了連續動態系統的最優控制問題。
美國數學家卡爾曼(R. Kalman)等人於1959年提出了著名的卡爾曼濾波器,1960年又在控制系統的研究中成功地應用了狀態空間法,提出系統的能控性和能觀測性問題。
龐特里亞金

  龐特里亞金

1956年,前蘇聯科學家龐特里亞金(L.S. Pontryagin)提出極大值原理,並於1961年證明並發表了極大值原理。極大值原理和動態規劃為解決最優控制問題提供了理論工具。
到1960年代初,一套以狀態方程作為描述系統的數學模型,以最優控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統分析、設計的新原理和方法基本確定,現代控制理論應運而生。
進入20世紀60年代,英國控制理論學者羅森布洛克(H.H. Rosenbrock)、歐文斯(D.H. Owens)和麥克法輪(G.J. MacFarlane)研究了使用於計算機輔助控制系統設計的現代頻域法理論,將經典控制理論傳遞函數的概念推廣到多變數系統,並探討了傳遞函數矩陣與狀態方程之間的等價轉換關係,為進一步建立統一的線性系統理論奠定了基礎。
20世紀70年代瑞典控制理論學者奧斯特隆姆(K.J. Astrom)和法國控制理論學者朗道(L.D. Landau)
朗道

  朗道

在自適應控制理論和應用方面作出了貢獻。與此同時,關於系統辨識、最優控制、離散時間系統自適應控制的發展大大豐富了現代控制理論的內容。
現代控制理論主要利用計算機作為系統建模分析、設計乃至控制的手段,適用於多變數、非線性、時變系統。 它在本質上是一種「時域法」但並不是對經典頻域法的從頻率域回到時間域的簡單再回歸,而是立足於新的分析方法,有著新的目標的新理論。
現代控制理論研究內容非常廣泛,主要包括三個基本內容:多變數線性系統理論、最優控制理論以及最優估計與系統辨識理論
現代控制理論從理論上解決了系統的能控性、能觀測性、穩定性以及許多複雜系統的控制問題。

優點

1、不僅適用於SISO線性定常系統,而且易於推廣到MIMO系統、時變系統和非線性系統等,顯示了該方法有更強的描述系統的動態特性行為的能力,所能處理的系統的範圍更大;
2、利用時間域法容易給人以時間上的清晰性能指標,如最快、最小能量等,易於理解接受和優化設計;
3、易於考慮系統的初始條件,使得所設計的控制系統有更高的精度和更佳的性能品質指標;
4、易於用計算機進行系統分析計算和實現計算機控制,顯示了所設計的控制系統的實現具有極大的可行性、優越性、先進性。

5離散系統

40~50年代在導彈上應用了採樣控制系統,與它相應的是在40年代末產生的離散系統理論。60年代以來在飛行器控制中計算機控制系統的應用日益普遍。計算機控制(數字控制)是離散控制的一種。離散系統理論在現代飛行器控制中得到了廣泛的應用。60年代「阿波羅」號飛船的登月艙就採用了數字式自動駕駛儀。
離散控制理論在計算中也有很廣泛的應用,例如,開方:
開方公式:X(n+1)=Xn+[A/X^(k-1)-Xn]1/k.
例如我們開3次方,即K=3;
公式:X(n+1)=Xn+[A/X^2-Xn]1/3
例如,A=5,5在1的3次方和2的3次方之間,X0無論取1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0都可以。假如我們取2為初始值:
第一步:2+(5/2x2-2)1/3=1.7=X1
第二步:1.7+(5/1.7x1.7-1.7)1/3=1.71=X3
第三步:1.71+(5/1.71x1.71-1.71)1/3=1.709=X4
第四步:1.709+(5/1.709x1.709-1.709)1/3=1.7099=X5
每計算一次,比上一次多取一位數,計算次數與精確度成正比。取值偏大公式會自動調小,例如第一步和第二步,取值偏小公式會自動調大,例如第三步,第四步。

6自適應

飛行器多變和複雜的飛行環境是一般控制系統難以適應的,需要研究能隨環境變化自動改變系統結構和參數的自適應控制系統。自50年代末到70年代末逐步建立了自適應控制理論並據以研製出自適應駕駛儀。

7大系統

由於現代控制理論和計算機的應用,飛機的控制已由一般控制發展為主動控制(見主動控制技術),在飛機上有較多的分系統。將各分系統綜合起來形成綜合系統可使整個系統性能更加完善。70年代形成的大系統理論為分析和設計航空綜合系統提供了條件。80年代已出現火控-飛行綜合控制系統和推力-飛行綜合控制系統。
現代飛行器不僅要有優良的性能,而且在某些情況下還要有自主處理問題的能力。例如,在空戰中要求飛機能自動飛到最優的位置,從而能有效地攻擊敵機。導彈攻擊活動目標時,目標可能主動還擊或消極逃逸,要求導彈能自動尋求並形成最適宜的控制規律,完成擊毀目標的任務。這就要求在飛行器上採用更高級的控制系統──智能控制系統。這種系統具有自學習、自行分析和推斷的能力,能夠自動改進控制方法和修改系統性能,最好地完成複雜任務。70年代以來系統學、模式識別、人工智慧、專家系統等為分析、發展智能控制系統提供了一定的條件。在經典控制理論、現代控制理論、大系統理論、系統學等指導下,飛行器控制將向數字化、綜合化以至智能化的方向發展。

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