現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)C

現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)C第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日歡迎隨時交流討論與課程相關(guān)的話題劉冀偉電話：1331118753962334751（O）easyliu@辦公室：機(jī)電樓701*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日主要參考書目劉豹?，F(xiàn)代控制理論（第三版）。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006鄭大鐘。線性系統(tǒng)理論（第二版）。北京：清華大學(xué)出版社，2002仝茂達(dá)。線性系統(tǒng)理論和設(shè)計(jì)。合肥：中國科技大學(xué)出版社，2004Chi-TsongChenjsLinearSystemTheoryandDesign(ThirdEdition)Oxford1999萬百五?？刂普?概念、方法與應(yīng)用。北京：清華大學(xué)出版社，2009*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院3第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日第一章緒論控制理論研究的內(nèi)容控制理論的發(fā)展現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容需要的預(yù)備知識*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院4第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論研究的內(nèi)容系統(tǒng)：控制理論的研究對象。由相互關(guān)聯(lián)和制約的若干部分所組成的具有特定功能的一個整體。動態(tài)系統(tǒng)：運(yùn)動狀態(tài)按確定的規(guī)律或統(tǒng)計(jì)規(guī)律隨時間演化的一類系統(tǒng)。動態(tài)系統(tǒng)分為連續(xù)變量動態(tài)系統(tǒng)和離散變量動態(tài)系統(tǒng)。線性-非線性系統(tǒng)集中參數(shù)-分布參數(shù)系統(tǒng)*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院5第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論研究的內(nèi)容*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院6被控對象控制器計(jì)算機(jī)A/DD/A保持器采樣控制：是指為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用。控制系統(tǒng)由控制部分和被控對象組成，兩者往往形成雙向的信息流聯(lián)系?？刂撇糠忠话阌蓚鞲衅?、控制器和執(zhí)行器組成。傳感器用來采集信息，并把它變換到合適的形式，傳送到控制器?？刂破饔脕砑庸ば畔?、產(chǎn)生控制信號，這是控制系統(tǒng)的核心。執(zhí)行器則將控制器產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行放大和變換，以此產(chǎn)生控制作用，最終施加到被控對象上。通常把進(jìn)入控制系統(tǒng)的信息加工成控制信息的規(guī)則，稱為控制算法。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)控制算法是控制理論中最重要的研究課題。在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)控制算法的部件稱為控制器，設(shè)計(jì)和研制各種控制器則是控制工程最重要的任務(wù)。第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論研究的內(nèi)容系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述-這個步驟解決兩個問題，其一是對系統(tǒng)的一般運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行描述，其二是對所討論的系統(tǒng)進(jìn)行抽象，系統(tǒng)有具體屬性，可以是工程的、生物的、經(jīng)濟(jì)的等，此步驟抽去系統(tǒng)的具體屬性，建立一般的數(shù)學(xué)模型；分析系統(tǒng)的定性和定量的性質(zhì)-通過系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型討論系統(tǒng)各種因素間的相互關(guān)系；根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，以達(dá)到改進(jìn)系統(tǒng)性能的目的，這一步驟有時稱為系統(tǒng)的綜合。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院7第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展自動控制：1788年Watt在發(fā)明蒸汽機(jī)的同時，發(fā)明了離心式調(diào)速器，當(dāng)負(fù)載或蒸汽供給量發(fā)生變化時，離心式調(diào)速器能夠自動調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門的開度，從而控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速；20世紀(jì)20年代，電子管反饋放大器誕生；第一個自動控制系統(tǒng)是美國的汽車生產(chǎn)線。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院8第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展20世紀(jì)30年代初奈奎斯特(H.Nyquist)研究反饋放大器穩(wěn)定性-奈奎斯特判據(jù)；20世紀(jì)40年代初波特(Bode)引入對數(shù)增益圖和線性相位圖-波特圖，形成基于頻率響應(yīng)的分析與綜合反饋控制系統(tǒng)的實(shí)用理論和方法；1948年伊萬思(W.R.Evans)提出的根軌跡法，為控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院9第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)：以傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，以頻率法作為研究控制系統(tǒng)動態(tài)特性的主要方法，以各種圖表，如Routh表、根軌跡、Bode圖和Nyquist曲線等作為系統(tǒng)分析和綜合的工具。-頻率域經(jīng)典控制理論的優(yōu)點(diǎn)：不用求解微分方程就可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)性能，為分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了實(shí)用且有力的工具，使系統(tǒng)分析由初期的時域轉(zhuǎn)到頻域。特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，經(jīng)典控制理論得到廣泛地的應(yīng)用。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院10第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論的局限：局限于單變量線性定常系統(tǒng)，對多變量系統(tǒng)處理困難；不能處理時變系統(tǒng)；非線性系統(tǒng)的處理限制較大；無法處理分布參數(shù)系統(tǒng)；傳遞函數(shù)僅反映了系統(tǒng)的輸入-輸出的關(guān)系，難以揭示系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院11第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展隨著航空、航天技術(shù)的發(fā)展，對控制系統(tǒng)的精度要求越來越高，非線性、時變和多變量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能適應(yīng)了；-需求電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。-手段

在20世紀(jì)50~60年代出現(xiàn)了以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)的內(nèi)部描述及系統(tǒng)的定性和定量規(guī)律，進(jìn)而完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代控制理論。-時間域*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院12第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-控制理論的發(fā)展現(xiàn)代控制理論的主要標(biāo)志性成果有：龐特里亞金(Pontryayin)的極大值原理；貝爾曼(Bellman)的動態(tài)規(guī)劃；卡爾曼(R.E.Kalman)的狀態(tài)空間描述和濾波理論。1960第一屆IFCA大會上龐特里亞金、貝爾曼和卡爾曼報(bào)告了他們的工作，宣告建立現(xiàn)代控制理論學(xué)科。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院13第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-現(xiàn)代控制理論主要內(nèi)容線性控制系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)；研究線性系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律；研究改變系統(tǒng)運(yùn)動的可能性和實(shí)施方案；建立并揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為、性能之間的關(guān)系最優(yōu)控制在約束條件下，尋求使系統(tǒng)的性能在某種意義下為最優(yōu)的控制規(guī)律（控制器）核心內(nèi)容是極大值原理和動態(tài)規(guī)劃法*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院14第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-現(xiàn)代控制理論主要內(nèi)容最優(yōu)估計(jì)與隨機(jī)控制研究由隨機(jī)微(差)分方程描述的系統(tǒng)；利用被污染的量測數(shù)據(jù)，按照某種規(guī)則，獲得有用信號的最優(yōu)估計(jì)-卡爾曼濾波；基于狀態(tài)估計(jì)討論隨機(jī)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計(jì)尋找最能夠體現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出特性的模型；參數(shù)估計(jì)：模型結(jié)構(gòu)已知，參數(shù)未知；系統(tǒng)辨識：結(jié)構(gòu)、參數(shù)未知。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院15第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-現(xiàn)代控制理論主要內(nèi)容自適應(yīng)控制實(shí)時辨識系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上給出系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律；模型參考自適應(yīng)、自校正自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)控制、自組織系統(tǒng)理論。其他內(nèi)容：非線性控制系統(tǒng)分布參數(shù)系統(tǒng)魯棒控制H∞控制系統(tǒng)理論離散事件系統(tǒng)*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院16第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-本課程的主要內(nèi)容*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院17系統(tǒng)的描述定量分析定性分析系統(tǒng)綜合狀態(tài)變量、狀態(tài)空間、狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)方程的解能控性、能觀性、穩(wěn)定性狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置、狀態(tài)觀測第二章(1)第三章(2)第四章(3)第五章(4)第六章(5)第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期日緒論-需要的預(yù)備知識線性代數(shù)矩陣的加、減、乘、數(shù)乘和轉(zhuǎn)置運(yùn)算；矩陣的秩；方陣的行列式、逆、特征根和特征向量；線性空間和線性子空間；線性變換；方陣的相似標(biāo)準(zhǔn)型；實(shí)對稱方陣的正定性。*北京科技大學(xué)自動化學(xué)院18第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期