現(xiàn)代控制理論ca01緒論及模型建立

1、現(xiàn)代控制理論隋立明研究生學(xué)位課1課程簡介經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論回顧加深拓展理解抽象2教材及參考書3參考書45其他參考書現(xiàn)代控制工程 Ogata (適用初學(xué)者）自動控制原理 吳麒 (適用深入學(xué)習(xí)）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 王廣雄 （適用于應(yīng)用）Control system design Goodwin 6研究生課程的學(xué)習(xí)基本內(nèi)容的介紹，抓重點(diǎn)新的內(nèi)容和觀點(diǎn)，拓展思維思考和討論，鍛煉能力課堂課下自學(xué)沒講的基本內(nèi)容擴(kuò)展閱讀新的內(nèi)容積極思考問題？7第 1 講 緒論及系統(tǒng)模型建立課程要求掌握控制系統(tǒng)的基本概念掌握控制系統(tǒng)的基本組成掌握機(jī)械系統(tǒng)的模型建立了解控制理論的發(fā)展簡史81.1 基本概念手動控制自動控制由人來

2、操縱機(jī)器沒有人參與的系統(tǒng)人駕駛汽車無人駕駛汽車研究對象9控制系統(tǒng)的例子速度控制系統(tǒng)速度控制系統(tǒng)速度設(shè)定增加轉(zhuǎn)速下降增加10系統(tǒng)框圖給定速度比較機(jī)構(gòu)閥控缸閥門燃料系統(tǒng)發(fā)動機(jī)離心機(jī)構(gòu)擾動偏差11飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)俯仰飛行時，以垂直陀螺儀為參考角度，由舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)。在大氣流等的擾動下，保持俯仰角不變.保持飛機(jī)姿態(tài)輔助操縱飛機(jī)12給定角度給定裝置放大器舵機(jī)飛機(jī)垂直陀螺儀反饋電位器擾動13防空導(dǎo)彈制導(dǎo)目標(biāo)跟蹤雷達(dá)跟隨目標(biāo)導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達(dá)跟隨目標(biāo) 跟蹤雷達(dá)（提前量）導(dǎo)彈跟隨導(dǎo)引雷達(dá)14控制系統(tǒng)的組成參考輸入控制信號輸出信號干擾噪聲測量決策執(zhí)行濾波器控制器對象傳感器15控制系統(tǒng)的重要性（必要性）空間飛行器的導(dǎo)

3、航和控制：飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星巨大的環(huán)境干擾和不確定性穩(wěn)定性 跟蹤性16制造業(yè)（汽車、集成電路）高精度定位 高質(zhì)量 高產(chǎn)量 17工業(yè)過程控制對上千個信號進(jìn)行監(jiān)測，相應(yīng)控制上百個閥、泵等執(zhí)行器。18通訊系統(tǒng)（電話、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)）控制信號的傳遞、進(jìn)行噪聲的消除19 極端環(huán)境和條件下，控制系統(tǒng)起著關(guān)鍵的作用。復(fù)雜20極微1986年度Nobel 物理獎Binning&Rohrer,掃描隧道顯微鏡21極險(xiǎn)221.2 控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容控制系統(tǒng)的性能分析控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)23控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)確性魯棒性系統(tǒng)在模型參數(shù)變動及擾動作用下,保持系統(tǒng)性能的能力24采用反饋控制的原因提高穩(wěn)定性提高系統(tǒng)的響應(yīng)速

4、度提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度？25采用閉環(huán)反饋控制的根本原因反饋特性26反饋特性是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏度和對擾動的抑制性能等。這些特性只有通過反饋才能對其進(jìn)行改動和改善。27反饋的一個主要目的：為具有不確定的系統(tǒng)提供魯棒性反饋放大器28反饋的另一個主要目的：改變系統(tǒng)的動態(tài)特性穩(wěn)定性響應(yīng)特性29現(xiàn)代控制理論需要解決的問題保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何抗干擾如何解決參數(shù)的攝動問題如何達(dá)到性能指標(biāo)的最優(yōu)30控制理論的基本內(nèi)容建模動態(tài)特性分析系統(tǒng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)分析不確定性分析系統(tǒng)的綜合31建模輸入-輸出狀態(tài)空間系統(tǒng)辨識32動態(tài)分析控制理論有一套成熟的方法對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和動態(tài)性能的分析33聯(lián)接結(jié)構(gòu)控制理論屬于系統(tǒng)科學(xué)，控制系

5、統(tǒng)通過不同子系統(tǒng)的聯(lián)接來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性和期望的性能。34不確定性現(xiàn)代控制理論提供了對于系統(tǒng)不確定性的表示，并有許多工具用來對付不確定性。35系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)分析的反過程。根軌跡頻域校正狀態(tài)空間361.3 自動控制系統(tǒng)的分類物理性質(zhì)數(shù)學(xué)模型電氣控制機(jī)械控制流體控制線性控制非線性控制37變化規(guī)律信號形式恒值控制程序控制隨動控制連續(xù)控制離散控制38數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式數(shù)學(xué)模型是研究的第一步建立數(shù)學(xué)模型的方法：分析法、實(shí)驗(yàn)法1.4 系統(tǒng)微分方程模型建立39實(shí)際物理系統(tǒng)理想物理模型理想數(shù)學(xué)模型簡化數(shù)學(xué)模型40建模注意問題精確性與簡化性集中參數(shù)與分布參數(shù)線性與非線性41

6、微分方程模型傳遞函數(shù)狀態(tài)空間42微分方程的列寫（1）機(jī)械系統(tǒng)彈性元件x1x2FFF=k(x1-x2)43阻尼元件Fx1x2F44慣性負(fù)載mFx相對于大地坐標(biāo)系45例題xixoxB2k2B1k146(2) 電路系統(tǒng)電感元件電容元件47例題CR1R2uiuoi1i2i(1)(2)(3)(4)48磁場控制式直流電機(jī)49電樞控制式直流電機(jī)501.5 控制論簡史機(jī)械控制裝置經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論魯棒控制理論51古代控制裝置閉環(huán)控制思想的雛形52 亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年)53中國張衡研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(132年)54中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指

7、南車(235年)55現(xiàn)代控制裝置與理論研究的出現(xiàn)應(yīng)用的廣泛性影響的深遠(yuǎn)性微分方程研究方法56英國J. Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)John Rennie57英國 G.B. Airy（1801-1892) 系統(tǒng)的研究了天文望遠(yuǎn)鏡的速度控制，首次提出反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題研究。58J.C. Maxwell (1831- 1879), 于1868年發(fā)表文章“On Governors”, 成功解決了二階及三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨后，劍橋大學(xué)的E.J.Routh與瑞典的Hurwitz解決了多階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷。59俄國A.M. Lyapunov博士論文“論運(yùn)動穩(wěn)定性的 一般問題” (1

8、892年)60美國N. Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)61美國H.S. Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)62美國E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)63Elmer Sperry 制造兩自由度陀螺儀641914年巴黎航展驚險(xiǎn)一幕65從微分方程到頻率方法的轉(zhuǎn)變電子通訊系統(tǒng)的發(fā)展Bell實(shí)驗(yàn)室66美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的H. Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法.67美國Taylor儀器公司的J. G

9、. Ziegler和N. B. Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)68美國MIT的N. Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表控制論(Cybernetics)(1948)，標(biāo)志著控制論的誕生。69李郁榮（Y.W. Lee, 1904-1989), 麻省理工學(xué)院N. Wiener的首位博士生(1930年)，曾任職于清華大學(xué)電機(jī)系（1931-1937），早期為Wiener理論的工程應(yīng)用與推廣作了大量的工作。1946年回到MIT電機(jī)系（1946-1969），與Shannon一起成為該系最知名的兩個學(xué)科帶頭人。被譽(yù)為MIT的最偉大的教育家之一。70

10、美國的H. Hazen發(fā)表“伺服機(jī)構(gòu)理論” (Theory of Servomechanism) (1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室 (1939)“伺服機(jī)構(gòu)是一個功率放大裝置,其放大部件是根據(jù)系統(tǒng)的輸入與輸出的差來驅(qū)動輸出的.”71美國W. Evans提出根軌跡法(Root Locus Method) (1948)，標(biāo)志以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。72現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)多輸入-多輸出隨機(jī)干擾最優(yōu)控制73二次大戰(zhàn)中火炮，雷達(dá)，飛機(jī)以及通訊系統(tǒng)的控制研究直接推動了經(jīng)典控制的發(fā)展。五十年代后興起的現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。74美國R. Bellman發(fā)表著名的Dynamic Programming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)蘇聯(lián)L.S. Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(Maximum Principle)(1956)75國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)成立(1957)，中國為發(fā)起國之一，第一屆學(xué)術(shù)會議于莫斯科召開(1960)76美籍匈牙利人R. E. Kalman發(fā)表“O