现代控制理论及主要应用

现代控制理论及主要应用(一)
现代控制理论在汽车行业的应用

现代控制理论在汽车领域的应用

现代控制理论发展于 20 世纪 50 年代末，它以状态空间方法为主，研究控制系统状态的运动规律，通过反馈系统解决某些非线性和时变系统的控制问题，用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最优控制规律。

作为一名车辆工程专业的研究生，现代控制理论在我所学的领域上也有很多应用。比如说现代控制理论在内燃机振动主动控制中的应用、在汽车防抱死制动系统中的应用、在汽车悬架控制中的应用等等，下面我将根据自己查阅的资料对这三种应用进行简单介绍。

已有文献阐明了现代控制理论在内燃机振动主动控制领域的应用现状，阐述了各种控制理论与内燃机振动系统的关系。以现代控制理论中有代表性的最优控制、自适应控制、鲁棒控制为重点分析了现代智能控制理论在振动系统控制中应用的可能性与发展，指出了内燃机振动主动控制领域今后一段时间内的研究重点与方向。内燃机的振动是有害的，对于有害的振动，人们总是在想方设法将其消减甚至消除。消减振动一般从两个方面着眼：一是耗散振动能，二是抑制激振力。耗能的方法有加装阻尼摩擦片、附带质量冲击块；抑制激振力的方法有提高系统刚度、加装动力减振器或是主动对振动系统施加同频反向的抑振力。通过控制系统对振动主体主动施加抑振力即振动的动态控制(也称有源控制、主动控制)。该控制系统一般由振动体(内燃机振动系统如曲轴)、振动信息采集器(对于旋转振动系统多用涡流传感器和光电传感器，对于整机多用弹簧质量加速度传感器)、变送器、处理器、控制器、执行器、显示与调节器等部件组成。其中控制器是系统的核心，控制器的设计应依据振动体即被控对象的特性进行。本文将依据内燃机的振动的特性探讨控制器设计中运用的各种控制理论问题以及在振动动态控制上各种现代控制理论应用的可能性。

汽车防抱制动系统(简称ABS)实质上是一种制动力自动调节装置。这种装置使汽车制动系统的结构发生了质的变化，它不仅能充分发挥制动器的制动性能,提高制动减速度和缩短制动距离，而且能有效地提高汽车制动时的方向稳定性,大大改善汽车的行驶安全性。汽车防抱制动系统是一个典型的最优控制系统设计问题，有文献讨论了它的状态变量的选择，状态方程的建立和性能指标的确定等 与实际系统有关的问题，对于最优控制规律的计算和系统的设计，将直接引用现

代控制理论的庞特里亚金极小值原理推出的黎卡提(Ric-cati)方程求解。

汽车主动悬架的设计目标就是要寻求一个能够为车辆提供良好性能的控制律，能同时满足形式平顺性和操纵稳定性的要求。主动悬架采用可控元件，根据车辆系统的姿态和外部输入，主动地调整和产生所需要的控制力，使悬架始终处于最佳减震状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成。其中，控制系统是研究主动悬架的关键，其设计的好坏直接影响到悬架的性能。分别应用了最优控制（最优控制是通过建立系统的状态方程提出控制目标，再应用控制理论求解所设目标下的最优控制律）、自适应控制（通过自动检测系统的参数变化来调节控制策略，从而使系统逼近最优性能）、模糊控制和神经网络控制、H∞控制和H2/H∞混合控制理论对汽车悬架进行了研究。

现代控制理论与车辆各系统联系密切，对汽车行业的发展有很大帮助，目前我专业正在学自动控制理论胡寿松第五版，相信会对今后的研究有很大帮助。

现代控制理论及主要应用(二)
现代控制理论及应用

现代控制理论及应用

李嗣福教授、博士生导师

中国科学技术大学自动化系

一、 现代控制理论及应用发展简介 1. 控制理论及应用发展概况 2. 自动控制系统和自动控制理论

以单容水槽水位控制和电加热器温度控制为例说明什么是自动控制、控制律（或控制策略）、自动控制系统以及自动控制系统组成结构和自动控制理论所研究的内容。

2.1自动控制：利用自动化仪表实现人的预期控制目标。 2.2自动控制系统及其组成结构

自动控制系统：指为实现自动控制目标由自动化仪表与被控对象所联接成闭环系统。

自动控制系统组成结构：是由被控对象、测量代表、控制器或调节器和执行器构成反馈闭环结构，其形式有单回路形式和串级双回路形式。

控制系统性能指标：定性的有稳（定性）、准（确性）、快（速性）。 控制律（或控制策略、控制算法）：控制系统中控制器或调节器所采用的控制策略，即用系统偏差量如何确定控制量的数学表示式。

2.3自动控制系统类型主要有：按系统参数输入信号形式分：定值控制系统或调节系统和随动系统。

按系统结构形式分：前馈控制系统（即开环系统）和反馈控制系统以及复合控制系统；

按系统中被控对象的控制输入量数目和被控输出量数目分：单变量控制系统和多变量控制系统；

按被控对象特性分：线性控制系统和非线性控制系统；

按系统中的信号形式分：模拟（或时间连续）控制系统、数字（或时间离散）控制系统以及混合控制系统。

2.4自动控制理论：研究自动控制系统分析与综合设计的理论和方法。 3. 古典（传统）控制理论：

采用数学变换方法（即拉普拉斯变换和富里叶变换）按照系统输出量

与输入量之间的数学关系（即系统外部特性）研究控制系统分析和综合设计问题。具体方法有：根轨迹法；频率响应法。

主要特点：理论方法的物理概念清晰，易于理解；设计出控制律一般较简单，易于仪表实现

主要缺点：

① 设计需要凭经验试凑，设计结果与设计经验关系很大； ② 系统分析和设计只着眼于系统外部特性；

③一般只能处理单变量系统分析和设计问题，而不能处理复杂的多变量系统分析和设计。

4. 现代控制理论及其主要内容

现代控制理论：狭义的是指60年代发展起来的采用状态空间方法研究实现最优控制目标的控制系统综合设计理论。广义的是指60年代以来发展起来的所有新的控制理论与方法。

控制系统状态空间设计理论：

（1） 用一阶微方程组表征系统动态特性，一般形式（连续系统）为

X(t)AX(t)BU(t)——状态方程（连续的一阶微分方程组） Y(t)CX(t)——输出方程

离散系统：

X(k1)AX(t)BU(t)——状态方程（离散的一阶差分方程组） Y(k)CX(k) k【现代控制理论及主要应用】

——为大于等于零整数，表示离散时间序号；

x1(k)

x2(k)

——状态向量，其中xi(k)，i1,,n为状态变量； X(k)

xn(k)u1(k)u2(k)

U(k)

um(k)

——输入向量，其中ui(k)， i1,,m为各路输入；

y1(k)y2(k)

——输出向量，其中yi(k)，i1,,p为各路输出。 Y(k)

yp(k)

A

——为n行n列矩阵，称系统矩阵，其特征值可完全表征系统的动——为n行m列矩阵，称输入矩阵； ——为p行n列矩阵，称输出矩阵。

(k)

态行为；

B

C

（2） 采用状态反馈控制律：u(k)KX

k

为m行n列矩阵，称为增差矩阵，是待设计的。

（3） 系统性能采用二次型函数形式和基于二次型指标最优化设计方法。

J

X (k)QX

K0



(k)U`(k)RU(k)——离散形式；

Qdiagqi——状态加权阵；

Rdiagri——控制加权阵。

（4） 反馈增益阵K的特征值配置设计法。

（5） 采用状态观测器对系统状态进行估计（或称重构）实际反馈控制为：

ˆ(k)u(k)KX

，

ˆ(k)是X(k)的估计（或重构）其中X。

主要优点：理论体系严谨完整；可获得理想的最优控制性能，设计过程较少依赖经验试凑。

主要缺点：要求系统模型准确，否则实际控制性能并非最优，即控制系统鲁棒差；理论较抽象，缺乏直观性，不易理解，需要较多数学知识；性能指标函数中的加权Q和R选取无定量准则可循，也需凭经验选取，故设计结果也与设计人员主观因素有关。

现代控制理论其它分枝

1. 多变量解耦控制理论； 2. 鲁棒控制理论； 3. 模型辨识理论； 4. 自适应控制理论； 5. 模型预测控制理论与方法； 6. 智能控制技术。 二、 计算机控制系统概述 1. 计算机反馈控制系统结构 2. 控制计算机硬件组成

（1） 主机，CPU——中央处理器，ROM和RAM——内存储器，控制器。

（2） 外部设备，输入、输出设备，外存储器，通信设备。 （3） 过程输入、输出设备。

过程输入设备：模拟输入通道（即A/D通道）

开关量输入通道（即DI通道）

过程输出设备：模拟输出通道（即D/A通道）

开关量输出通道（即DO通道）

制造工艺要求很严，整机工作可靠性要求很高。 3. 软件系统：系统软件和监控应用软件。 4. 计算机控制系统类型 ● 监测（即巡回检测）系统 ● 直接数字控制系统（DDC系统） ● 计算机顺序控制系统 ● 计算监督控制系统

● 计算机控制管理集成系统（DCS） 三、 数字ID控制算法及参数整定 1. 标准数字PID控制算法

现代控制理论及主要应用(三)
现代控制理论的应用 王力2011117322

现代控制理论的应用 物联网工程 王力 2011117322 现代控制理论：狭义的是指60年代发展起来的采用状态空间方法研究实现最优控制目标的控制系统综合设计理论；广义的是指60年代以来发展起来的所有新的控制理论与方法。

采用状态观测器对系统状态进行估计（或称重构）实际反馈控制主要优点是理论体系严谨完整；可获得理想的最优控制性能，设计过程较少依赖经验试凑；主要缺点是要求系统模型准确，否则实际控制性能并非最优，即控制系统鲁棒差；理论较抽象，缺乏直观性，不易理解，需要较多数学知识；性能指标函数中的加权Q和R选取无定量准则可循，也需凭经验选取，故设计结果也与设计人员有关。

自动控制系统是指为实现自动控制目标由自动化仪表与被控对象所联接成闭环系统。其组成结构是由被控对象、测量代表、控制器或调节器和执行器构成反馈闭环结构，其形式有单回路形式和串级双回路形式；性能指标：定性的有稳（定性）、准（确性）、快（速性）；控制律（或控制策略、控制算法）：控制系统中控制器或调节器所采用的控制策略，即用系统偏差量如何确定控制量的数学表示式。

现代控制理论主要应用于航空类飞行器控制现代控制理论是基于时域的系统分析方法，目前基本都是高端如火箭发射，导弹制导之类的复杂系统基于动态矩阵的预测控制等。比如在汽车中运用的自适应控制，汽车制动防抱死系统的控制，自适应估计等定速巡航系统的初衷是让车辆运行在最佳的发动机转速—油耗平衡点，汽车发动机的转速跟扭矩、油耗是有一定比例关系的，单位距离油耗最省的发动机转速所对应的速度就是巡航速度，这个定速巡航巡航系统就是个典型的现代控制系统，车辆快了，它帮你松油门，车辆慢了，它帮你踩。

现代控制理论的应用于实际存在的很大的问题是系统模型是否准确

可靠，因为模型如果不可靠，理论的完美与否也没有任何意义。而在汽车中的自适应控制就是对现代控制论的一个很好地应用。【现代控制理论及主要应用】

自适应系统主要由控制器、被控对象、自适应器及反馈控制回路和自适应回路组成

自适应控制系统有三个显著特点：

1、控制器可调：相对于常规反馈控制器固定的结构和参数，自适应控制系统的控制器在控制的过程中一般是根据一定的自适应规则，不断更改或变动的；

2、增加了自适应回路：自适应控制系统在常规反馈控制系统基础上增加了自适应回路（或称自适应外环），它的主要作用就是根据系统运行情况，自动调整控制器，以适应被控对象特性的变化；

3、适用对象：自适应控制适用于被控对象特性未知或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，设计时不需要完全知道被控对象的数学模型。

一、自适应控制在汽车主动悬架上的应用：应用于主动悬架的自适应控制方法主要有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类：增益调度控制是一种开环自适应控制，通过监测过程的运行条件来改变控制器参数；模型参考自适应控制（即简化自适应控制）通过跟踪一个预先定义的参考模型，按照反馈和辅助控制器参数的自适应控制规则，使非线性时变的悬架系统达到预期的最优性能；自校正控制是将受控对象参

数在线估计与控制器参数整定相结合，形成一个能自动校正控制器参数的离散实时计算机控制系统（即数据采样系统），是目前应用最广的一类 自适应控制方法。自适应控制方法已在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。

模型参考自适应控制

STR是70年代发展起来的一种随机自适应控制，产生背景是：工业过程控制由于强随机干扰、模型未知、参数时变、大时滞等因素，导致常规的控制方法效果差。它是参数在线估计与随机最小方差控制的结合，已有广泛的应用成果，其难点在于收敛性。【现代控制理论及主要应用】

参考模型 车辆动力学模型

参考模型自适应控制图

簧上质量为500千克 簧上质量为300千克

轮胎动载荷

现代控制理论及主要应用(四)
中心控制理论在现代制造业中的运用模式研究

　　[摘 要]随着现代制造业技术的不断成熟，标准化、流程化比重不断加强，已经成为不可逆转的趋势。为了加强大型集团企业在产品加工制造中的质量，加强产品的标准化生产能力，加强对产品过程的控制，有必要对产品加工生产的流程及相关进程进行集中管理和控制。通过对现代制造业技术特点进行分析，提出中心控制理论的应用构想。并将中心控制理论与现代制造业进行结合，分析其有效特性，以此为制造业的标准化、流程化发展思路提供参考。

　　[关键词]中心控制；集团企业；制造业；应用模式
　　中图分类号：F424 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01
　　现代制造业的概念主要是相对于传统制造业而提出的。与传统制造业相比，现代制造业具有自身明显的特征，它是用现代科学技术武装起来的制造业，是现代科学技术与制造业相结合的产物。现代制造业的实质是由于高技术的发展带来的产业结构的优化升级，比传统制造业相比，其应用现代技术、现代生产组织系统和现代管理的知识和技术的比例更高，效率也更高，具有高度集成、精确生产、快速生产等特点。中心控制是相对于目前的产品流水线自主分散管理相对应，最终目的实现的是标准化操作、标准化验收，从而减小人为因素对过程、结果的影响，提高产品的质量。随着信息技术、先进制造技术和全球化的发展，制造业的发展水平、实用技术、工作模式已经发生了很大变化，中心控制理论是其中之一。现代制造业与传统制造业相比具有信息化水平高，技术含量高，集成度高等特点，各种技术的高度融合，为产品标准化的高水平发展带来了发展契机，快速反应能力也为企业生存赢得了契机。
　　一、 现代制造业的特点
　　现代制造业是相对于传统制造业来说的，前者对企业的组织形式、信息化水平、经营的开放性与全球性、企业的研究开发能力与产品的技术含量都有较高的要求。一般来说，现代制造业主要有以下特征：1）信息技术的高速发展，给生产模式带来了巨大变化随着信息技术和信息产业高速发展；2）信息的高速交互，使得分工更加精细，资源的配置方式日趋复杂，分工协作的特色加强，分工更加明确，协作越来越紧密。3）现代控制理论与设备加工制造程序高度融合，流程化管理运用更加广泛。总的来看，传统制造业向现代制造业的转变，集中体现为以下几个方面的特点。
　　1、信息技术的高速发展，给企业生产模式带来了巨大变化。随着信息技术和信息产业高速发展，信息技术革命给加工制造业带来了很大的发展，特别是以计算机技术和网络技术为代表，深入到了加工制造业的各个环节，提高了企业研究开发、生产、经营、管理、决策、营销的效率和水平。研究开发逐步实现了自动化，生产设备和生产过程自动化、智能化，经过快速物流而进入市场，进而有效提高了企业的经济效益和企业竞争力。
　　2、信息的高速交互，使得分工更加精细。随着加工件集成度越来越高，越来越复杂，越来越精细，传统的一人一摊式协作模式已经不能完全胜任现代加工制造业的发展水平要求，特别是生产加工的自动化、智能化，使得流水线作业进一步细化，直至一道工序只有一个动作。即使看起来一件非常简单的部件，也要多道工序才能加工完成。
　　3、现代控制理论与设备加工制造程序高度融合，逐步向有人值守、无人操作转化，大大提高了设备集中控制的能力，为有效整合资源、实现快速反应奠定了很好的基础。计算机技术的快速发展、高速的信息交互、分工的进一步细化、现代控制理论的进一步完善，使得中心控制成为一种可能。
　　二、 中心控制理论与制造业的结合
　　中心控制理论就是指基于云存储、云计算、云处理理论为基础，实现系统各过程的集中管理、集中控制理论。应用于加工制造业，就是指产品的研究开发、生产、经营、管理、决策、营销等一系列过程进行集中控制与决策的系统。它使得企业在产品实现的各个阶段能够更加紧密的结合在一起，从而使资源配置打到最优，将大大提高产品开发和生产一致性，通过对市场的反应快速实现管理过程的控制，使成本降到最低而利润实现最大化。它主要包括以下几个部分：
　　首先，产品的研究开发与加工生产高度融合、高度统一。随着计算机技术的发展，虚拟设计已经是一种常用的设计形式，这种设计结果将通过中心直接变换成流水线的程序注入加工制造的各个环节，使最终产品与设计具有高度一致性。
　　其次，产品生产过程的高度自动化、智能化，使得人的不确定因素减少。人的介入具有高度的不确定性，使得产品的好坏跟人的状态产生高度的关联。基于中心的控制，可以使产品加工生产的过程中人为的参与度降到最低，也就是使得产品由机器而不是人来决定他的性能指标，提高了产品的标准化水平。
　　第三，产品的市场反应将在第一时间决定产品的加工生产。企业的最核心竞争能力在于对市场的及时反应。随着信息技术高速发展，信息交互能力逐步增强，企业的反应速度将决定企业的生存能力和水平。现代控制理论使得这种高速反应成为可能。将企业从产品设计到利润实现，并反馈于产品的设计生产整个过程实现高度的自动化控制，将使得企业在最短的时间内实现自身的调整，从而提高企业的生存竞争能力。
　　三、 结语
　　随着现代制造业的发展，中心控制将成为主要的生产加工制造模式，提升企业综合竞争力的重要手段。中心控制将与各种高技术进行融合，产品实现的将以中心为主，终端最终实现将向有人值守、无人操作。中心控制将不断运用于加工制造的各个方面，从而提高产品的标准化水平，提升产品的竞争能力，减少加工损耗，提升工作效率，增强产品的核心竞争力。
　　作者简介
　　韦应勇（1982―），男，甘肃白银，汉族，大学本科，硕士在读，工程师。

现代控制理论及主要应用(五)
浅谈自动控制技术的发展应用

　　[摘 要]随着自动化技术的飞速发展，自动控制技术正逐步得到广泛应用。尤其是当代，自动控制技术迅猛发展、日新月异，深刻地影响了人类生活和人类命运的各个方面。半导体微电子学、光学和光电子学、计算机和通信网络等信息采集

　　中图分类号：TB486+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0148-01
　　自动控制技术是20世纪发展最快、影响最大的技术之一，也是21世纪最引人瞩目的高技术之一。同时自动控制技术是当代发展迅速，应用广泛，是推动新的技术革命和新的产业革命的核心技术。自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展：第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论；第二代为50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论；第三代为60年代中期即已萌芽，在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。
　　一、自动控制的应用领域分析
　　自动化控制系统的研究，几乎涵盖所有应用科学知识与技术的结合，领域范围及牵涉的科学知识与应用工具相当广泛，作为交叉学科，自动控制与其他很多学科有关联，尤其是数学和信息学，在制造，医药，交通，机器人，以及经济学，社会学中的应用也都非常广泛。自动化控制的应用领域一般可分为下列几类：
　　1、工厂自动化控制，又称为生产自动化控制，即利用自动化的生产设备，一贯作业的生产方式，从事有效率的产品生产。2、设计自动化控制，即利用电脑软件技术及应用，将所需设计的资料，转成控制程序或生产流程，而且以简单的图或语言，来表示或执行制造过程的自动化控制的运作。3、实验室自动化控制，即利用自动化设备与电脑软件技术及应用，或可编程控制器等设备，结合温度、湿度、压力、流量等传感器，将实验室的控制程序或生产流程，及所需实验结果的资料，转成简单的图或语言，来表示或执行实验室的自动化控制作。4、检测自动化控制，即利用自动化的检测设备与电脑软件技术及程式应用，结合温度、湿度、压力、流量等传感器设备，能自动地检测样品，并将检测的物理量的资料，转成简单的图或语言，来表示检测结果。5、办公室自动化控制，即利用软件程式技术及应用，将办公室的文书资料或文书档案，做有效率的管理。6、家庭自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，结合家庭用设备，提高家庭舒适度与居家安全。7、服务自动化控制，即利用自动化的设备与电脑软件技术及程式应用，结合各式各样的自动化设备或传感器，监测、纪录、转接、通知、执行运作等，以供顾客或使用者，能快速处理相关作业或快速处理所遭遇的问题。
　　上述七大类自动化控制的范畴及其相关产品与设备，占社会经济产值相当比重，对国家社会经济影响很大，非常值得深思研究与发展应用随着自动化技术的发展与应用。
　　二、现代控制理论的发展及基本内容
　　经典控制理论虽然具有很大的实用价值，但也有着明显的局限性。其局限性表现在下面二个方面：第一，经典控制理论建立在传递函数和频率特性的基础上，而传递函数和频率特性均属于系统的外部描述（只描述输入量和输出量之间的关系），不能充分反映系统内部的状态；第二，无论是根轨迹法还是频率法，本质上是频域法（或称复域法），都要通过积分变换（包括拉普拉斯变换、傅立叶变换、Z变换），因此原则上只适宜于解决“单输入――单输出” 线性定常系统的问题，对“多输入――多输出”系统不宜用经典控制理论解决，特别是对非线性、时变系统更是无能为力。
　　现代控制理论正是为了克服经典控制理论的局限性而在20世纪50、60年代逐步发展起来的。现代控制理论本质上是一种“时域法”。它引入了“状态”的概念，用“状态变量”（系统内部变量）及“状态方程”描述系统，因而更能反映出系统的内在本质与特性。从数学的观点看，现代控制理论中的状态变量法，简单地说就是将描述系统运动的高阶微分方程，改写成一阶联立微分方程组的形式，或者将系统的运动直接用一阶微分方程组表示。这个一阶微分方程组就叫做状态方程。采用状态方程后，最主要的优点是系统的运动方程采用向量、矩阵形式表示，因此形式简单、概念清晰、运算方便，尤其是对于多变量、时变系统更是明显。特别是在Kalman提出的可控性和可观测性概念和极大值理论的基础上，现代控制理论被引向更为深入的研究。现代控制理论研究的主要内容包括三部分：多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论。由于篇幅所限，有关现代控制理论研究的具体内容请参见有关文献，这里从略。
　　三、自动控制技术发展历程分析
　　自动控制（automatic control）是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。随着电子计算机技术和其他高技术的发展，自动控制技术的水平越来越高，应用越来越广泛，作用越来越重要。自动控制技术的发展大致可分为以下几个发展阶段：40年代到60年代初，该阶段以市场竞争、资源利用、减轻劳动强度提高产品质量、适应批量生产需要等因素为需求动力。主要技术特点为各种单机自动化加工设备出现，并不断扩大应用和向纵深方向发展。60年代中到70年代初期，该阶段以市场竞争加剧，要求产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度为需求动力。主要特点为主要以自动生产线为标志，在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床。70年代中期至今，该阶段以市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，要求自动化技术向其广度和深度发展，使其各相关技术高度综合，发挥整体最佳效能为需求动力。主要特点技术特点是把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。
　　随着现代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一个新阶段现代控制理论。主要研究具有高性能，高精度的多变量变参数的最优控制问题，主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论深入。在现代科学技术的 众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
　　总而言之，在经济高速发展、高新技术更新换代频繁的现代社会，自动控制技术已经成为促进各个产业发展的主导力量。自动控制技术水平是反映一个国家社会进步的一个重要标志。人类在推进自动控制技术的发展和应用的同时，要实施绿色制造战略，发展绿色经济、循环经济，加大环保力度，提倡、引导和推进资源节约的现代生产模式和健康文明的消费模式，走可持续发展之路，建设社会主义和谐社会。

现代控制理论及主要应用(六)
土木工程施工技术及应用

　　摘要：目前，由于土木工程施工时间长、工艺复杂，从而在施工过程中施工工序对结构内力存在一定的影响。针对这一特殊情况，文章首次提出根据施工不同阶段定义结构形态，并从力学的角度分析施工过程存在残余应力和残余变形的必然性，指出了施工工序的不同时其残余应力和变形的差异，明确了施工力学研究内容及方法，进一步提出对特殊结构进行施工控制的必要性，并根据大量土木工程实践，提出了解决问题的方法和途径。

　　关键词：土木工程施工技术力学应力
　　1土木工程施工技术的现状
　　工程控制理论最早应用于军事工程和航天工程。近几十年来，随着现代控制理论、大系统理论、智能化控制的出现，这一理论不仅仅局限于高尖端的技术领域的应用，其已逐步应用到社会、经济、规划、管理等社会生活的各个领域。日本是较早将工程控制理论应用到土木工程的国家，特别是应用在地下工程中隧道、盾构以及大跨度桥梁的施工上。利用工程控制理论，主要是对工程中关键位结构的应力、挠度等参数进行测试，通过对测试结果的分析，最后返回现场指导施工。
　　上世纪90年代，随着我国大量工程项目的出现，人们越来越意识到施工过程的控制对工程质量、安全的重要作用，提出了对地下工程进行信息化施工、对高层建筑进行施工力学分析、对大跨空间结构寻形分析、对桥梁工程进行施工控制的思想和方法。特别是在桥梁施工的应用方面，较为系统的利用现代控制理论进行施工控制，取得了不少成功的经验，在地下工程中，尽管没有引人施工控制概念，但仍是按照工程控制理论的思想指导施工，总结出“理论导向、经验判断、严密监控、适度反算”的信息化施工理论。在高层建筑的施工中，已经开始考虑混凝土材料的收缩、徐变对施工的影响。
　　国外土木工程施工控制技术的研究和应用主要存在以下问题：
　　（1）理论研究还不能适应工程建设的需要，由于施工控制涉及多个学科领域，特别是非线性分析、反馈分析、最优控制、系统识别、材性分析等。目前既有一般性基础理论的研究，又有应用性理论的研究，但缺乏系统的集成和有价值的应用。
　　（2）缺少验收标准与规范。一些领域对施工控制缺乏概念和思维方式，更无标准可言。也有一些领域有一般性的标准，但对大多的创造第一的工程仍缺少足够的科研准备。对于施工控制的标准如何提出，不仅涉及到长期发展问题，也涉及到一个可操作性的问题。但有一点就是要对没有经验借鉴的工程必须全面贯彻施工控制，避免出现重大决策的错误。
　　（3）管理体制问题。主要存在的问题是多头管理，管理责任不能落实，缺乏对施工控制的高度重视，对特大型工程前期研究不够，对工程的解剖不够细致。要想解决这类问题，唯一的办法就是实现设计、施工总承包的管理思想，使管理责任明确并得到落实。强调施工单位应采取主动控制，使责、权、利能够达到系统的统一。
　　2 土木工程施工技术的特点
　　土木工程的施工是一个耗时比较大，操作工艺复杂，环境不断变化的过程。它不同于设计完成后的受力状态。因此，有必要要对其发生的不同状态进行定义。
　　2.1基本形态的定义
　　2.1.1结构零状态：是指建筑物外型的坐标状态，结构此时未承受任何荷载，其状态是一种理想结构状态。
　　2.1.2结构初态：是指结构经施工后形成了完整的结构状态，此时结构已包含了由于施工过程产生的残余应力以及残余变形，结构承重，自重和部分施工荷载等。
　　2.1.3 结构终态：是指工程竣工后的状态，此时结构包括从结构初态到竣工后产生的残余应力和变形以及工程竣工时结构的各种自重。
　　2.1.4施工状态：是从工程建造开始，以设计建筑结构的外型为目标，经过每一步施工步序，最终达到工程竣工的过程。由于施工工艺的不同，施工最终在结构初态和结构终态产生的残余内应力和残余变形不相同。为了便于分析，将施工状态的分析称之为施工力学，它不同于一般的工程静力学和动力学，其具有其独特的技术特征。
　　2.2 施工过程技术特征分析
　　施工过程的力学特征与永久受力特征具有很大的区别，设计人员多数是从工程竣工状态（结构终态）考虑结构体系的受力，对施工过程可能产生的残余内力和变形往往忽略不计。对于一般的结构体系不考虑施工阶段引起的误差并没有多少影响。但对一些特殊结构体系，其影响十分显著，必须引起足够的重视。
　　2.2.1施工过程残余应力和变形的存在
　　如果是钢结构框架，传统的设计方法思路，根据受力状态确定结构的截面，不考虑施工过程可能带来的影响。
　　2.2.2 施工过程中边界条件等外部环境因素变化引起的残余应力和变形
　　除施工过程可以引起残余应力和变形外，其边界条件外部环境也都会引起结构残余应力和变形的存在。例如，外界温度的变化引起的应力是大跨度结构中不容忽视的。除此之外，边界条件的变化也可以引起结构的残余应力和变形，利 用不同状态的边界条件变化可以达到降低残余应力和变形的存在。因此，合理使用工序的变化和边界条件的变化可以起到降低残余应力和残余变形的目的。
　　实际工程中，由于施工工序的不同或边界条件变化在结构中会产生内力的变化。结构仅承受重力作用，实际施工是将其分为三个阶段。首先施工两悬臂段，最后施工中间段。为了说明问题，此处仅比较在第三阶段施工由于边界条件变化而产生的影响。
　　2.2.3 结构内部的单元随施工变化
　　比如索结构预应力的张拉，预应力在其施加张力的同时其原长在缩短，深基坑工程中的预应力钢支撑，其千斤顶在断伸长等等。这些单元的变化是目前有限元分析中很难从严密的理论来解决的问题，也是理论分析与工程实际误差的关键。
　　2.2.4材料的时间依存特征
　　混凝土依赖于时间的性质有徐变、收缩、强度、弹模等的变化。土的力学性质具有蠕变和流变性质。这些材料随时间变化的性质，特别当不同材料、不同混凝土配合比、不同土质条件形式的结构工程其影响更为显著。
　　2.2.5施工工艺多样性特征与优化由于施工工艺的多样性，故结构终态构成的内力和变形存在较大的差异，施工仅是工程的完成，还应该使最终控制其残余变形和内力达到合理的范围之内。施工过程中由于存在着上述特征，对施工序的分析以及特征的研究，本文称为施工力学。
　　2.3 控制理论的技术特征
　　施工状态的分析构成施工控制的基础，是预测分析的关键，而控制理论是一个由测试、分析、反馈、调整构成的控制环，其主要内容有：（1）测试系统；（2）参数识别系统；（3）误差分析系统；（4）状态预测系统；（5）综合调优系统。
　　施工模拟的程序应尽可能准确，其步骤尽可能要小，这样才能使理论与实际情况更为接近。但如果完全按实际施工过程模拟其计算分析工作量太大，故应掌握其关键工况并与测试、反分析结果相一致。施工控制的主要目的和任务是对施工过程中永久结构和临时结构的结构①形状控制；②应力控制；③稳定控制。
　　3结束语
　　总之，土木工程施工技术在近十年虽然有了飞速发展，但是土木工程施工至今仍以手工操作、半机械作业为主，劳动效率远低于其它产业部门，还属于劳动力密集型产业，现代土木工程施工技术的发展方向，除了要有满足当前土木工程建设需要而与之配套的施工技术，还要向高效率，高质量的方向发展。
　　参考文献：
　　[1]向中富，《桥梁施工控制技术》，人民交通出版社，2001年
　　[2]徐君兰，《大跨度桥梁施工控制》，人民交通出版社，2000年

现代控制理论及主要应用

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