第1章-現(xiàn)代控制理論概述-控制理論發(fā)展_第1頁
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文檔簡介

控制理論發(fā)展概述(1/11)1.1控制理論發(fā)展概述控制理論的發(fā)展已經(jīng)走過近百年的歷程,并在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一工程領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用??梢哉f,控制理論與控制工程對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的工業(yè)化進(jìn)程,科學(xué)探索(如衛(wèi)星等太空器升空、遠(yuǎn)洋船探索),國防軍備的現(xiàn)代化(高精度導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)),以及人們的生活(如便捷、高速的航空器)等產(chǎn)生巨大的影響,成為20世紀(jì)發(fā)展最為亮麗的科學(xué)領(lǐng)域。隨著社會(huì)的進(jìn)步,現(xiàn)代工業(yè)、科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求更高的控制精度更快的控制速度更大的控制范圍更強(qiáng)的對(duì)環(huán)境和對(duì)象變化的適應(yīng)能力更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域控制理論和技術(shù)如今已不再僅限于工業(yè)和軍事國防領(lǐng)域而深入到農(nóng)業(yè)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域相應(yīng)地急需發(fā)展相適應(yīng)的控制理論。計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他相關(guān)材料、設(shè)備的發(fā)展也為產(chǎn)生新的控制系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)造了條件。下面是幾個(gè)復(fù)雜工業(yè)控制對(duì)象及航天系統(tǒng)??刂评碚摪l(fā)展概述(4/11)Amodernindustrialplant:AsectionoftheOMVOilRefineryinAustria煉油廠控制理論發(fā)展概述(5/11)Amodernrollingmill軋鋼廠控制理論發(fā)展概述(6/11)Thecaststripinthesecondarycoolingchamber鑄鋼廠控制理論發(fā)展概述(7/11)在星際探險(xiǎn)中的移動(dòng)機(jī)器人,如美國研制的火星探測(cè)車控制理論發(fā)展概述(8/11)ProcessschematicofaKelloggammoniaplant合成氨工藝圖控制理論發(fā)展概述(9/11)Typicalflatnesscontrolset-upforrollingmill軋鋼廠板材成型控制控制理論發(fā)展概述(10/11)ProcessschematicofanIndustrialBloomCaster

大方坯連鑄機(jī)工藝控制理論發(fā)展概述(11/11)控制理論的發(fā)展歷史可分為兩個(gè)階段經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論下面簡單介紹這兩個(gè)發(fā)展階段的主要?dú)v程。經(jīng)典控制理論(1/1)0.1.1經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動(dòng)控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)過程:萌芽階段起步階段發(fā)展階段標(biāo)志階段控制理論的發(fā)展歷史可分為兩個(gè)階段經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論經(jīng)典控制理論--萌芽階段(1/2)1.萌芽階段早在古代,勞動(dòng)人民就憑借生產(chǎn)實(shí)踐中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和對(duì)反饋概念的直觀認(rèn)識(shí),發(fā)明了許多閃爍控制理論智慧火花的杰作。如果要追朔自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽。指南車?yán)?兩千年前我國發(fā)明的指南車,就是一種開環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論--萌芽階段(2/2)再如,我國北宋時(shí)代(公元1086~1089年)蘇頌和韓公廉利用天衡裝置制造的水運(yùn)儀象臺(tái),就是一個(gè)按負(fù)反饋原理構(gòu)成的閉環(huán)非線性自動(dòng)控制系統(tǒng);水運(yùn)儀象臺(tái)經(jīng)典控制理論—起步階段(1/5)2.起步階段隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,到十七、十八世紀(jì),自動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。1681年法國物理學(xué)家、發(fā)明家巴本(D.Papin)發(fā)明了用做安全調(diào)節(jié)裝置的鍋爐壓力調(diào)節(jié)器;1765年俄國人普爾佐諾夫(I.Polzunov)發(fā)明了蒸汽鍋爐水位調(diào)節(jié)器等;經(jīng)典控制理論—起步階段(2/5)1788年,英國人瓦特(J.Watt)在他發(fā)明的蒸汽機(jī)上使用了離心調(diào)速器,解決了蒸汽機(jī)的速度控制問題,引起了人們對(duì)控制技術(shù)的重視。以后人們?cè)?jīng)試圖改善調(diào)速器的準(zhǔn)確性,卻常常導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。自動(dòng)控制技術(shù)的逐步應(yīng)用,加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特經(jīng)典控制理論—起步階段(3/5)Watt’sflyballgovernor瓦特離心調(diào)速器經(jīng)典控制理論—起步階段(4/5)ThisphotographshowsaflyballgovernorusedonasteamengineinacottonfactorynearanchesterintheUnitedKingdom.Ofcourse,Manchesterwasatthecentreoftheindustrialrevolution.Actually,thiscottonfactoryisstillrunningtoday.經(jīng)典控制理論—起步階段(5/5)ThisflyballgovernorisinthesamecottonfactoryinManchester.However,thisparticulargovernorwasusedtoregulatethespeedofawaterwheeldrivenbytheflowoftheriver.Thegovernorisquitelargeascanbegaugedbytheoutlineofthedoorframebehindthegovernor.經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(1/4)3.發(fā)展階段實(shí)踐中出現(xiàn)的問題,促使科學(xué)家們從理論上進(jìn)行探索研究。1868年,英國物理學(xué)家麥克斯韋(J.C.Maxwell)通過對(duì)調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析,解釋了瓦特蒸汽機(jī)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題,麥克斯韋提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)的途徑。經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(2/4)此后,英國數(shù)學(xué)家勞斯(E.J.Routh)和德國數(shù)學(xué)家胡爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯韋的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,分別在1877年和1895年各自提出了直接根據(jù)代數(shù)方程的系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—?jiǎng)谒古袚?jù)和胡爾維茨判據(jù)。胡爾維茨勞斯經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(3/4)這些方法基本上滿足了20世紀(jì)初期控制工程師的需要,奠定了經(jīng)典控制理論中時(shí)域分析法的基礎(chǔ)。由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力,1932年美國物理學(xué)家奈奎斯特(H.Nyquist)提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法,建立了以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù),為具有高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。奈奎斯特經(jīng)典控制理論—發(fā)展階段(4/4)隨后,伯德(H.W.Bode)和尼科爾斯(N.B.Nichols)在1930年代末和1940年代初進(jìn)一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展,形成了經(jīng)典控制理論的頻域分析法。建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論,稱為經(jīng)典控制理論(或稱古典控制理論、自動(dòng)控制理論),為工程技術(shù)人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的有效工具。經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(1/9)4.標(biāo)志階段1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納(N.Weiner)把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來,并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》。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(xué)科奠定了基礎(chǔ)??刂普撝浮S納經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(2/9)1948年,美國科學(xué)家伊萬斯(W.R.Evans)創(chuàng)立了根軌跡分析方法,為分析系統(tǒng)性能隨系統(tǒng)參數(shù)變化的規(guī)律性提供了有力工具,被廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)中。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐,并與1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(3/9)從20世紀(jì)40年代到50年代末,經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個(gè)世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍,幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸及國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用了自動(dòng)化控制技術(shù)。第二次世界大戰(zhàn)期間,反饋控制方法被廣泛用于設(shè)計(jì)研制飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)以及其他軍用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性和對(duì)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(shù),促使了許多新的見解和方法的產(chǎn)生。同時(shí),還促進(jìn)了對(duì)非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)以及隨機(jī)控制系統(tǒng)的研究??梢哉f工業(yè)革命和戰(zhàn)爭(zhēng)促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展。經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(4/9)以傳遞函數(shù)作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,以時(shí)域分析法、根軌跡法和頻域分析法為主要分析設(shè)計(jì)工具,構(gòu)成了經(jīng)典控制理論的基本框架。到20世紀(jì)50年代,經(jīng)典控制理論發(fā)展到相當(dāng)成熟的地步,形成了相對(duì)完整的理論體系,為指導(dǎo)當(dāng)時(shí)的控制工程實(shí)踐發(fā)揮了極大的作用。經(jīng)典控制理論主要用于解決反饋控制系統(tǒng)中控制器的分析與設(shè)計(jì)的問題。如圖1-1所示為反饋控制系統(tǒng)的簡化原理框圖。經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(5/9)圖1-1

反饋控制系統(tǒng)的簡化原理框圖經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(6/9)經(jīng)典控制理論主要研究線性定常系統(tǒng)。所謂線性控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)或元件的狀態(tài)或特性可以用線性微分方程描述的控制系統(tǒng)。如果描述該線性系統(tǒng)的微分方程的系數(shù)是常數(shù),則稱為線性定常系統(tǒng)。描述自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入量、輸出量和內(nèi)部量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,它是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。經(jīng)典控制理論中廣泛使用的頻率法和根軌跡法,是建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的。線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在零初始條件下系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比,是描述系統(tǒng)的頻域模型。經(jīng)典控制理論—標(biāo)志階段(7/9)傳遞函數(shù)只描述了系統(tǒng)的輸入輸出間關(guān)系,沒有內(nèi)部變量的表示。經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具,本質(zhì)上是頻域方法,主要研究“單輸入單輸出”(Single-InputSingle-output,SISO)線性定??刂葡到y(tǒng)的分析與設(shè)計(jì),對(duì)線性定常系統(tǒng)已經(jīng)形成相當(dāng)成熟的理論。典型的經(jīng)典控制理論包括PID控制、Smith控制、解耦控制、Dalin控制、串級(jí)控制等。經(jīng)典控制理論雖然具有很大的實(shí)用價(jià)值,但也有著明顯的局限性,主要表現(xiàn)在:經(jīng)典控制理論只適用于SISO線性定常系統(tǒng),推廣到多輸入多輸出(Multi-InputMulti-Output,MIMO)線性定常系統(tǒng)非常困難,對(duì)時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)則更無能為力;用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)一般根據(jù)幅值裕度、相位裕度、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等頻率域里討論的指標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。這些指標(biāo)并不直觀易于接受,與我們通常所討論的性能指標(biāo),如最快、最小能量等,難以建立直接對(duì)應(yīng)關(guān)系;經(jīng)典控制理論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)無法考慮系統(tǒng)的初始條件,這對(duì)于高精度的位置、速度等控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難以達(dá)到要求;經(jīng)典控制理論在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合時(shí),需要豐富的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試湊以及大量的手工計(jì)算。現(xiàn)代控制理論(1/16)1.1.2現(xiàn)代控制理論20世紀(jì)50年代中期,科學(xué)技術(shù)及生產(chǎn)力的發(fā)展,特別是空間技術(shù)的發(fā)展,迫切要求解決更復(fù)雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題(例如火箭和宇航器的導(dǎo)航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制,到達(dá)目標(biāo)的控制時(shí)間最小等)。實(shí)踐的需求推動(dòng)了控制理論的進(jìn)步,同時(shí),計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也從計(jì)算手段上為控制理論的發(fā)展提供了條件,適合于描述航天器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,又便于計(jì)算機(jī)求解的狀態(tài)空間模型成為主要的模型形式?,F(xiàn)代控制理論(2/16)俄國數(shù)學(xué)家李雅普諾夫1892年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中。1956年,美國數(shù)學(xué)家貝爾曼(R.Bellman)提出了離散多階段決策的最優(yōu)性原理,創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃。之后,貝爾曼等人提出了狀態(tài)分析法;并于1964年將離散多階段決策的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法解決了連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。美國數(shù)學(xué)家卡爾曼(R.Kalman)等人于1959年提出了著名的卡爾曼濾波器,1960年又在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法,提出系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性問題?,F(xiàn)代控制理論(5/16)1956年,前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金(L.S.Pontryagin)提出極大值原理,并于1961年證明并發(fā)表了極大值原理。極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。到1960年代初,一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的新原理和方法基本確定,現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。龐特里亞金現(xiàn)代控制理論(6/16)進(jìn)入20世紀(jì)60年代,英國控制理論學(xué)者羅森布洛克(H.H.Rosenbrock)、歐文斯(D.H.Owens)和麥克法輪(G.J.MacFarlane)研究了使用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論,將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng),并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系,為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)代控制理論(7/16)朗道20世紀(jì)70年代瑞典控制理論學(xué)者奧斯特隆姆(K.J.Astrom)和法國控制理論學(xué)者朗道(L.D.Landau)在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。與此同時(shí),關(guān)于系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、離散時(shí)間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容?,F(xiàn)代控制理論(8/16)現(xiàn)代控制理論主要利用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)建模分析、設(shè)計(jì)乃至控制的手段,適用于多變量、非線性、時(shí)變系統(tǒng)。它在本質(zhì)上是一種“時(shí)域法”,但并不是對(duì)經(jīng)典頻域法的從頻率域回到時(shí)間域的簡單再回歸,而是立足于新的分析方法,有著新的目標(biāo)的新理論?,F(xiàn)代控制理論研究內(nèi)容非常廣泛,主要包括三個(gè)基本內(nèi)容:多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計(jì)與系統(tǒng)辨識(shí)理論?,F(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀測(cè)性、穩(wěn)定性以及許多復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題?,F(xiàn)代控制理論(9/16)與經(jīng)典控制理論相比較,現(xiàn)代控制理論有如下優(yōu)點(diǎn):不僅適用于SISO線性定常系統(tǒng),而且易于推廣到MIMO系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)等,顯示了該方法有更強(qiáng)的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性行為的能力,所能處理的系統(tǒng)的范圍更大;利用時(shí)間域法容易給人以時(shí)間上的清晰性能指標(biāo),如最快、最小能量等,易于理解接受和優(yōu)化設(shè)計(jì);易于考慮系統(tǒng)的初始條件,使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有更高的精度和更佳的性能品質(zhì)指標(biāo);易于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)分析計(jì)算和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制,顯示了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有極大的可行性、優(yōu)越性、先進(jìn)性。現(xiàn)代控制理論(10/16)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和主要特點(diǎn)可總結(jié)如下:經(jīng)典控制理論19世紀(jì)末~1940年代起源于:伺服機(jī)械的調(diào)節(jié)/控制設(shè)計(jì)方法數(shù)學(xué)界的常微分方程穩(wěn)定性理論基于Fourier變換的頻率域分析設(shè)計(jì)經(jīng)典文獻(xiàn):錢學(xué)森的《工程控制論》主要特征:頻率域分析設(shè)計(jì)現(xiàn)代控制理論(11/16)現(xiàn)代控制理論1950年代~至今起源于:(美國)卡爾曼線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性理論和最優(yōu)濾波理論(前蘇聯(lián))龐特里亞金的極大值原理(美國)貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論主要特征:現(xiàn)代時(shí)間域分析設(shè)計(jì)現(xiàn)代控制理論(12/16)經(jīng)典控制理論(頻域法)

vs

現(xiàn)代控制理論(時(shí)域法)理論基礎(chǔ)建立在以1.常微分方程穩(wěn)定性理論2.Fourier變換為基礎(chǔ)的根軌跡和奈奎斯特判據(jù)理論之上1.常微分方程穩(wěn)定性理論2.狀態(tài)空間分析3.泛函分析、微分幾何等現(xiàn)代數(shù)學(xué)分支數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)(研究系統(tǒng)外部特性,屬于外部描述,不完全描述。)狀態(tài)空間表達(dá)式(深入系統(tǒng)內(nèi)部,是內(nèi)部描述,完全描述。)適用對(duì)象僅適用于:單輸入單輸出線性定常集中參數(shù)可推廣至:多輸入多輸出非線性時(shí)變分布參數(shù)經(jīng)典(頻域法)現(xiàn)代(時(shí)域法)現(xiàn)代控制理論(13/16)經(jīng)典控制理論vs

現(xiàn)代控制理論(續(xù))性能指標(biāo)幅值裕度、相位裕度、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、阻尼比等頻域指標(biāo);性能指標(biāo)不直觀,難于接受滿足單個(gè)性能指標(biāo)為目的,無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)、綜合性的系統(tǒng);時(shí)間最短、能量最少、綜合性能指標(biāo)最優(yōu)等時(shí)間域指標(biāo)性能指標(biāo)直觀,易于接受可以達(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)、多個(gè)性能指標(biāo)綜合最優(yōu)初始條件處理初始條件處理困難對(duì)高精度的位置、速度等性能指標(biāo)難于達(dá)到要求易于處理初始條件更易達(dá)到高精度的位置、速度等性能指標(biāo)經(jīng)典現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論(14/16)經(jīng)典控制理論vs

現(xiàn)代控制理論(續(xù))設(shè)計(jì)與綜合是分析方法而不是最佳的綜合方法針對(duì)某個(gè)性能指標(biāo),設(shè)計(jì)方案多樣分析與設(shè)計(jì)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)及試湊設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制難于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是分析綜合方法分析與設(shè)計(jì)多為解析和優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)經(jīng)典現(xiàn)代經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的關(guān)系并不是截然對(duì)立相輔相成、互為補(bǔ)充兩者各自的長處和不足分別為:現(xiàn)代控制理論對(duì)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型要求較高,需要用到更多的數(shù)學(xué)知識(shí),利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)控制設(shè)備和系統(tǒng)所處的環(huán)境要求也高一些。經(jīng)典控制理論對(duì)數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法的要求相對(duì)較低,更依賴于控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí),要根據(jù)具體的要求、目標(biāo)和環(huán)境條件,選擇適宜的控制理論和方法,也可以將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩者結(jié)合起來?,F(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容(1/2)1.2現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容在工業(yè)生產(chǎn)過程應(yīng)用中,常常遇到被控對(duì)象精確狀態(tài)空間模型不易建立、合適的最優(yōu)性能指標(biāo)難以構(gòu)造以及所得到最優(yōu)的、穩(wěn)定的控制器往往過于復(fù)雜等問題。為了解決這些問題,科學(xué)家們從20世紀(jì)50年代末現(xiàn)代控制理論的誕生至今,不斷提出新的控制方法和理論,其內(nèi)容相當(dāng)豐富、廣泛,極大地?cái)U(kuò)展了控制理論的研究范圍。下面簡單介紹現(xiàn)代控制理論的主要分支及所研究的內(nèi)容:線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容(2/2)隨機(jī)系統(tǒng)理論和最優(yōu)估計(jì)系統(tǒng)辨識(shí)自適應(yīng)控制非線性系統(tǒng)理論魯棒性分析與魯棒控制分布參數(shù)控制離散事件控制智能控制線性系統(tǒng)理論(1/2)1.2.1線性系統(tǒng)理論線性系統(tǒng)是一類最為常見系統(tǒng),也是控制理論中討論得最為深刻的系統(tǒng)。該分支著重于研究線性系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改變這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性和方法,以建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、行為和性能間的確定的和定量的關(guān)系。通常,研究系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問題稱為分析問題,研究改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性和方法的問題則為綜合問題。線性系統(tǒng)理論的主要內(nèi)容有線性系統(tǒng)理論(2/2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性問題,如能控性、能觀性、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)性分解等;線性狀態(tài)反饋及極點(diǎn)配置;鎮(zhèn)定;解耦;狀態(tài)觀測(cè)器等。近30年來,線性系統(tǒng)理論一直是控制領(lǐng)域研究的重點(diǎn),其主要研究方法有:以狀態(tài)空間分析為基礎(chǔ)的代數(shù)方法;以多項(xiàng)式理論為基礎(chǔ)的多項(xiàng)式描述法;以空間分解為基礎(chǔ)的幾何方法。最優(yōu)控制(1/1)1.2.2最優(yōu)控制最優(yōu)控制理論是研究和解決從一切可能的控制方案中尋找最優(yōu)解的一門學(xué)科。具體地說就是研究被控系統(tǒng)在給定的約束條件和性能指標(biāo)下,尋求使性能指標(biāo)達(dá)到最佳值的控制規(guī)律問題。例如要求航天器達(dá)到預(yù)定軌道的時(shí)間最短、所消耗的燃料最少等。該分支的基本內(nèi)容和常用方法為變分法;龐特里亞金的極大值原理;貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法。隨機(jī)系統(tǒng)理論和最優(yōu)估計(jì)(1/2)1.2.3隨機(jī)系統(tǒng)理論和最優(yōu)估計(jì)實(shí)際工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部本身含有未知或不能建模的因素,外部環(huán)境上亦存在各種擾動(dòng)因素,以及信號(hào)或信息的檢測(cè)與傳輸上往往不可避免地帶有誤差和噪音。隨機(jī)系統(tǒng)理論將這些未知的或未建模的內(nèi)外擾動(dòng)和誤差,用不能直接測(cè)量的隨機(jī)變量及過程以概率統(tǒng)計(jì)的方式來描述,并利用隨機(jī)微分方程和隨機(jī)差分方程作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型來刻劃系統(tǒng)的特性與本質(zhì)。隨機(jī)系統(tǒng)理論就是研究這類隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)分析、優(yōu)化與控制。隨機(jī)系統(tǒng)理論和最優(yōu)估計(jì)(2/2)最優(yōu)估計(jì)討論根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信息估計(jì)出或構(gòu)造出隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中不能直接測(cè)量的系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量的值。由于現(xiàn)代控制理論主要以狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ),構(gòu)成反饋閉環(huán)多采用狀態(tài)變量,因此估計(jì)不可直接測(cè)量的狀態(tài)變量是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)重要的一環(huán)。該問題的困難性在于系統(tǒng)本身受到多種內(nèi)外隨機(jī)因素?cái)_動(dòng),并且各種輸入輸出信號(hào)的測(cè)量值含有未知的、不可測(cè)的誤差。最優(yōu)估計(jì)的早期工作是維納在1940年代提出的維納濾波器,較系統(tǒng)完整的工作是卡爾曼在1960年代初提出的濾波器理論。該分支的基礎(chǔ)理論為概率統(tǒng)計(jì)理論、線性系統(tǒng)理論和最優(yōu)控制理論。系統(tǒng)辨識(shí)(1/2)1.2.4系統(tǒng)辨識(shí)簡而言之,系統(tǒng)辨識(shí)就是利用系統(tǒng)在試驗(yàn)或?qū)嶋H運(yùn)行中所測(cè)得的輸入輸出數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)學(xué)方法歸納和構(gòu)造出描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型,并估計(jì)出其模型參數(shù)的理論和方法。該分支是由數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)發(fā)展而來的。無論是采用經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論,在進(jìn)行系統(tǒng)分析、綜合和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),都需要事先知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)辨識(shí)(2/2)系統(tǒng)辨識(shí)包括兩個(gè)方面:結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)。在實(shí)際的辨識(shí)過程中,隨著使用的方法不同,結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)這兩個(gè)方面并不是截然分開的,而是可以交織在一起進(jìn)行的。系統(tǒng)辨識(shí)是重要的建模方法,因此亦是控制理論實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。系統(tǒng)辨識(shí)是控制理論中發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域,它的發(fā)展還直接推動(dòng)了自適應(yīng)控制領(lǐng)域及其他控制領(lǐng)域的發(fā)展。自適應(yīng)控制(1/5)1.2.5自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制研究當(dāng)被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型未知或者被控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)隨時(shí)間和環(huán)境的變化而變化時(shí),通過實(shí)時(shí)在線修正控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)使其能主動(dòng)適應(yīng)變化的理論和方法。自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過不斷地測(cè)量系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù),逐漸了解和掌握對(duì)象,然后根據(jù)所得的信息按一定的設(shè)計(jì)方法,做出決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化,達(dá)到所要求的控制性能指標(biāo)。該分支誕生于1950年代末,是控制理論中近60年發(fā)展最為迅速、最為活躍的分支。自適應(yīng)控制(2/5)自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有三個(gè)基本功能:辨識(shí)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù),以便精確地建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型;給出一種控制律以使被控系統(tǒng)達(dá)到期望的性能指標(biāo);自動(dòng)修正控制器的參數(shù)。因此自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要用于過程模型未知或過程模型結(jié)構(gòu)已知但參數(shù)未知且隨機(jī)的系統(tǒng)。自適應(yīng)控制(3/5)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的類型主要有自校正控制系統(tǒng),模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng),自尋最優(yōu)控制系統(tǒng),學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等。最近,非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制得到重視,提出了一些新的方法。自適應(yīng)控制領(lǐng)域是少數(shù)幾個(gè)中國人取得較大成就的領(lǐng)域。中國科學(xué)院陳翰馥院士與郭雷院士在1990年代初圓滿解決自適應(yīng)控制的收斂性問題。自適應(yīng)控制(4/5)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)為自適應(yīng)控制(5/5)自校正控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)為圖2自校正控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)理論(1/4)1.2.6非線性系統(tǒng)理論非線性控制是復(fù)雜控制理論中一個(gè)重要的基本問題,也是一個(gè)難點(diǎn)課題,它的發(fā)展幾乎與線性系統(tǒng)平行。實(shí)際的工程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)大多為非線性系統(tǒng),線性系統(tǒng)只是實(shí)際系統(tǒng)的一種近似或理想化。因此,研究非線性系統(tǒng)的系統(tǒng)分析、綜合和控制的非線性系統(tǒng)理論亦是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要分支。非線性系統(tǒng)理論(2/4)由于非線性系統(tǒng)的研究缺乏系統(tǒng)的一般性的理論及方法,于是綜合方法得到較大的發(fā)展,主要有:李雅普諾夫方法:它是迄今為止最完善,最一般的非線性方法,但是由于它的一般性,在用來分析穩(wěn)定性或用來鎮(zhèn)定綜合時(shí)都欠缺構(gòu)造性。變結(jié)構(gòu)控制:由于其滑動(dòng)模態(tài)(sliding-mode)具有對(duì)干擾與攝動(dòng)的不變性,

1980年代受到重視,是一種實(shí)用的非線性控制的綜合方法。微分幾何法:在過去的20年中,微分幾何法一直是非線性控制系統(tǒng)研究的主流,它對(duì)非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、分解以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的控制設(shè)計(jì)帶來極大方便。非線性系統(tǒng)理論(3/4)用微分幾何法研究非線性系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物,正如意大利數(shù)學(xué)家艾希德(A.Isidori)指出:用微分幾何法研究非線性系統(tǒng)所取得的成績,就象1950年代用拉氏變換及復(fù)變函數(shù)理論對(duì)SISO系統(tǒng)的研究,或用線性代數(shù)對(duì)多變量系統(tǒng)的研究。但這種方法也有它的缺點(diǎn),體現(xiàn)在它的復(fù)雜性、無層次性、準(zhǔn)線性控制以及空間測(cè)度被破壞等。因此最近又有學(xué)者提出引入新的、更深刻的數(shù)學(xué)工具去開拓新的方向,例如:微分動(dòng)力學(xué);微分拓?fù)?;代?shù)拓?fù)渑c代數(shù)幾何等。非線性系統(tǒng)理論(4/4)微分幾何方法目前主要研究非線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性理論,主要成果:能控能觀性;基于非線性變換(同胚變換)的線性化;狀態(tài)反饋線性化;解耦;結(jié)構(gòu)性分解;反饋鎮(zhèn)定等。魯棒性分析與魯棒控制(1/4)1.2.7魯棒性分析與魯棒控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)存在著參數(shù)或結(jié)構(gòu)等方面的差異,而我們?cè)O(shè)計(jì)的控制律大多都是基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,為了保證實(shí)際系統(tǒng)對(duì)外界干擾、系統(tǒng)的不確定性等有盡可能小的敏感性,導(dǎo)致了研究系統(tǒng)魯棒控制問題。粗略地說,系統(tǒng)的魯棒性是指所關(guān)注的系統(tǒng)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的不確定性(如系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)、系統(tǒng)的內(nèi)部和外部擾動(dòng)等)的不敏感性。目前該領(lǐng)域主要討論穩(wěn)定性的魯棒性問題,涉及其他性能指標(biāo)的魯棒性的不多。魯棒性分析與魯棒控制(2/4)魯棒性分析討論控制系統(tǒng)對(duì)所討論的性能指標(biāo)的魯棒性,給出系統(tǒng)能保持該性能指標(biāo)的最大容許建模誤差和內(nèi)外部擾動(dòng)的上確界。目前該問題中較受重視的問題是多項(xiàng)式簇的穩(wěn)定性問題。在多項(xiàng)式簇問題中,2003年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士的北京大學(xué)黃琳教授給出了著名的棱邊定理。魯棒性分析與魯棒控制(3/4)魯棒控制主要研究的是設(shè)計(jì)對(duì)各種不確定性有魯棒性的控制系統(tǒng)的理論和方法。魯棒控制研究的興起以1980年代線性系統(tǒng)的H∞控制和基于特征結(jié)構(gòu)配置的魯棒控制為標(biāo)志。近年來,對(duì)非線性系統(tǒng)的魯棒適應(yīng)控制的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)方向。人工神經(jīng)網(wǎng)方法、滑動(dòng)模方法及魯棒控制方法的結(jié)合可以設(shè)計(jì)出對(duì)一大類連續(xù)時(shí)間非線性系統(tǒng)穩(wěn)定的自適應(yīng)控制律。魯棒性分析與魯棒控制(4/4)1980年代出現(xiàn)的H∞設(shè)計(jì)方法和變結(jié)構(gòu)控制(滑??刂?推動(dòng)了魯棒控制理論的發(fā)展?,F(xiàn)在,系統(tǒng)H∞范數(shù)已成為系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。如何有效利用過程信息來降低系統(tǒng)的不確定性,是魯棒控制研究的重要內(nèi)容。由于許多控制問題可歸結(jié)為線性矩陣不等式(LMI)的研究,1990年代中期出現(xiàn)了關(guān)于LMI的控制軟件工具。近幾年,非線性系統(tǒng)、時(shí)滯飽和系統(tǒng)、時(shí)滯故障系統(tǒng)的魯棒綜合控制問題已經(jīng)成為新的熱點(diǎn)研究方向,而且已經(jīng)有不少應(yīng)用實(shí)例,例如,核反應(yīng)堆的溫度跟蹤魯棒控制、導(dǎo)彈系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)最優(yōu)跟蹤設(shè)計(jì)、機(jī)器人操作的魯棒神經(jīng)控制。分布參數(shù)控制(1/4)1.2.8分布參數(shù)控制自1970年代開始,國內(nèi)外學(xué)者開始重視分布參數(shù)系統(tǒng)的研究。分布參數(shù)系統(tǒng)是無窮維系統(tǒng),一般由偏微分方程、積分方程、泛函微分方程或抽象空間中的微分方程所描述。分布參數(shù)控制系統(tǒng)的典型實(shí)例有:電磁場(chǎng)﹑引力場(chǎng)﹑溫度場(chǎng)等物理場(chǎng),大型加熱爐、水輪機(jī)和汽輪機(jī),化學(xué)反應(yīng)器中的物質(zhì)分布狀態(tài),長導(dǎo)線中的電壓和電流等控制對(duì)象,環(huán)境系統(tǒng)(如污染物在一區(qū)域內(nèi)的分布),分布參數(shù)控制(2/4)生態(tài)系統(tǒng)(如物種的空間分布),社會(huì)系統(tǒng)(如人口密度分布)等。分布參數(shù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于熱工﹑化工﹑導(dǎo)彈﹑航天﹑航空﹑核裂變﹑聚變等工程系統(tǒng);生態(tài)系統(tǒng)﹑環(huán)境系統(tǒng)﹑社會(huì)系統(tǒng)等。分布參數(shù)控制(3/4)分布參數(shù)控制系統(tǒng)有三種控制方式,點(diǎn)控制方式:將控制作用加在控制對(duì)象的幾個(gè)孤立點(diǎn)處。分布控制方式:將控制作用加在控制對(duì)象的幾個(gè)區(qū)域內(nèi)。邊界控制方式:將控制作用加在控制對(duì)象邊界上。這種控制又有點(diǎn)控制和分布控制之分。類似地,測(cè)量方式也可分為點(diǎn)測(cè)量﹑分布測(cè)量和邊界測(cè)量。分布參數(shù)控制(4/4)分布參數(shù)控制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算法靈活,精度高的優(yōu)點(diǎn),又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠,維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。它的主要特點(diǎn)是:真正實(shí)現(xiàn)了分散控制;具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性;較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信能力;友好而豐富的人機(jī)聯(lián)系以及極高的可靠性。離散事件控制

(1/2)1.2.9離散事件控制

系統(tǒng)的狀態(tài)隨離散事件發(fā)生而瞬時(shí)改變,不能用通常的微分方程描述的動(dòng)力學(xué)模型來表示,一般稱這類系統(tǒng)為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(DEDS)。對(duì)它的研究始于1980年代初。目前已發(fā)展了多種處理離散事件系統(tǒng)的方法和模型,例如,有限狀態(tài)馬爾科夫鏈、Petri網(wǎng)、排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)機(jī)理論、離散事件控制

(2/2)擾動(dòng)分析法、極大代數(shù)法等。其理論已經(jīng)應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等。離散事件系統(tǒng)的研究雖然取得較大進(jìn)展,但還沒有一套完整的理論體系來評(píng)價(jià)離散時(shí)間系統(tǒng)模型與實(shí)際對(duì)象的差異。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)自然延伸就是混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。智能控制(1/6)1.2.10智能控制1970年代,傅京孫教授提出把人工智能的直覺推理方法用于機(jī)器人控制和學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),并將智能控制概括為自動(dòng)控制和人工智能的結(jié)合。傅京孫、Glorioso和Sardi等人從控制理論的角度總結(jié)了人工智能技術(shù)與自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織控制的關(guān)系,正式提出了建立智能控制理論的構(gòu)想。1967年,Leondes和Mendel首次正式使用“智能控制”一詞。1985年8月在美國紐約IEEE召開的智能控制專題討論會(huì),標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)新的學(xué)科分支正式被控制界公認(rèn)。智能控制(2/6)智能控制不同于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的處理方法,它研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對(duì)象,同時(shí)也包含控制器本身。控制器不再是單一的數(shù)學(xué)模型,而是數(shù)學(xué)解析和知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型,是多種知識(shí)混合的控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)有如下基本特點(diǎn):容錯(cuò)性。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等)能進(jìn)行有效的全局控制,并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。多模態(tài)性。定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制。智能控制(3/6)全局性。從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng)?;旌夏P秃突旌嫌?jì)算。對(duì)象是以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程,人的智能在控制中起著協(xié)調(diào)作用,系統(tǒng)在信息處理上既有數(shù)學(xué)運(yùn)算,又有邏輯和知識(shí)推理。學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶能力。對(duì)一個(gè)過程或未知環(huán)境所提供的信息,系統(tǒng)具有進(jìn)行識(shí)別記憶、學(xué)習(xí),并利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善系統(tǒng)的性能和能力。智能控制(4/6)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性。對(duì)外界環(huán)境變化及不確定性的出現(xiàn),系統(tǒng)具有修正或重構(gòu)自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的能力。組織協(xié)調(diào)能力。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)和分散的傳感信息,系統(tǒng)具有自組織和協(xié)調(diào)能力,體現(xiàn)出系統(tǒng)的主動(dòng)性和靈活性。智能控制(5/6)智能控制的主要目標(biāo)是使控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。智能控制的主要研究分支有:模糊邏輯控制、模糊預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于知識(shí)的分層控制設(shè)計(jì)。目前,智能控制理論雖然取得了不少研究成果,但智能控制的理論體系還不夠成熟。最近,基于模糊推理的系統(tǒng)建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考自適應(yīng)控制、智能控制(6/6)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)??刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性預(yù)測(cè)控制、混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方面已有不少重要研究成果。智能控制理論有著廣泛的應(yīng)用,例如,基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的直升機(jī)的鎮(zhèn)定控制和航天軌道操作器的基于知識(shí)的分層控制等。模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法均具有模擬人類思維結(jié)構(gòu)的方式的特點(diǎn),三者結(jié)合將是智能控制研究的主要方向之一?,F(xiàn)代控制理論除上述分支外,在其40多年的發(fā)展中還形成了許多理論和方法,這些在專門的課程和書籍中有介紹。Matlab軟件概述(1/2)1.3Matlab軟件概述Matlab程序設(shè)計(jì)語言是美國Mathworks公司20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件。經(jīng)過20余年的開發(fā)、擴(kuò)充與不斷完善,Matlab已經(jīng)發(fā)展成為功能強(qiáng)大、適合多學(xué)科應(yīng)用的大型系統(tǒng)軟件,成為數(shù)值計(jì)算、控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等領(lǐng)域的最重要的軟件。Matlab已經(jīng)成為線性代數(shù)、控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的基本仿真計(jì)算與設(shè)計(jì)的工具,成為大學(xué)學(xué)習(xí)的必修內(nèi)容。Matlab的發(fā)展歷史(1/4)1.3.1Matlab的發(fā)展歷史在科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用中常常要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算,通常是借助Fortran和C語言等高級(jí)計(jì)算機(jī)語言編制計(jì)算程序,輸入計(jì)算機(jī)做近似計(jì)算(數(shù)值計(jì)算)。但是,這需要熟練地掌握所用語言的語法規(guī)則與編制程序的相關(guān)規(guī)定及技巧,編制程序絕非易事。Matlab的發(fā)展歷史(2/4)Matlab的產(chǎn)生和數(shù)學(xué)計(jì)算是緊密相聯(lián)的.1967年,在美國國家基金會(huì)的資助下,C.Moler博士等人于采用Fortran語言編寫了特征值求解子程序庫Linpack和線性方程求解子程序庫Eispack。這兩個(gè)程序庫代表了當(dāng)時(shí)矩陣數(shù)值計(jì)算軟件的最高水平。到了20世紀(jì)70年代后期,C.Moler博士編寫了使用Linpack和Eispack的接口程序,并將之命名為Matlab(即MATrix和LABoratory的前3個(gè)字母組合,意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”)。這個(gè)程序受到了廣泛歡迎,作為教學(xué)輔助免費(fèi)軟件廣為流傳。20世紀(jì)80年代中期,C.Moler和J.Little合作開發(fā)了Matlab第2代專業(yè)版,大大提高了它的運(yùn)算效率。Matlab的發(fā)展歷史(3/4)隨著功能逐漸完善,Matlab應(yīng)用范圍也越來越廣,且簡單高效、易學(xué)易用。于是,1984年,Moler博士等組建了Mathworks公司,專門研究、擴(kuò)展并改進(jìn)Matlab,并將其正式推向商業(yè)市場(chǎng)。1990年,Mathworks公司推出了以框圖為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)仿真工具Simulink,它方便了系統(tǒng)的研究與開發(fā),使控制工程師可以直接構(gòu)造系統(tǒng)框圖進(jìn)行仿真,并提供了控制系統(tǒng)中常用的各種環(huán)節(jié)的模塊庫。1993年,Mathworks公司推出的Matlab4.0版在原來的基礎(chǔ)上又作了較大改進(jìn),并推出了Windows版,使命令執(zhí)行和圖形繪制可以在不同窗口進(jìn)行。Mathworks公司已推出到了Matlab7.0版。Matlab的發(fā)展歷史(4/4)早期的Matlab數(shù)學(xué)處理的內(nèi)核是針對(duì)數(shù)值計(jì)算編寫的,對(duì)處理大批量數(shù)據(jù)效率很高,而另一些數(shù)學(xué)軟件.例如Mathematica、Maple等則以符號(hào)計(jì)算見長,能給出解析解和任意精度解。Mathworks公司順應(yīng)多功能需求的潮流,在其數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上,又率先開發(fā)了符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制功能模塊。Matlab已成為國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件。Matlab的主要功能與特點(diǎn)

(1/2)1.3.2Matlab的主要功能與特點(diǎn)

Matlab由主包和功能各異的工具箱組成,其最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣,也就是說它的操作對(duì)象是以矩陣為單位的。而隨著Matlab的不斷發(fā)展和各種工具箱的不斷開發(fā),它已經(jīng)成為一種功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)工程計(jì)算軟件,廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Matlab的核心是一個(gè)基于矩陣運(yùn)算的快速解釋程序。它以交互式接受用戶輸入的各項(xiàng)指令,輸出計(jì)算結(jié)果。它提供了一個(gè)開放式的集成環(huán)境,用戶可以運(yùn)行系統(tǒng)提供的大量命令,包括數(shù)值計(jì)算、圖形繪制等。Matlab的主要功能(1/8)1.主要功能Matlab的主要功能有:數(shù)值計(jì)算功能符號(hào)計(jì)算功能優(yōu)化工具數(shù)據(jù)分析和可視化功能“活”筆記本功能工具箱非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真功能Matlab的主要功能(2/8)--數(shù)值計(jì)算功能A.數(shù)值計(jì)算功能Matlab可用于線性代數(shù)里的向量、矩陣和高維數(shù)組運(yùn)算,復(fù)數(shù)運(yùn)算,代數(shù)方程求根,插值與逼近擬合,數(shù)值微積分運(yùn)算,常微分方程的數(shù)值解,最優(yōu)化方法等,即幾乎所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用需要的計(jì)算,均可用Matlab來解決。Matlab的主要功能

(3/8)--符號(hào)計(jì)算功能B.符號(hào)計(jì)算功能科學(xué)計(jì)算有數(shù)值計(jì)算與符號(hào)計(jì)算兩種。在數(shù)學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域,常常會(huì)遇到符號(hào)計(jì)算問題,僅有優(yōu)異的數(shù)值計(jì)算功能并不能滿足計(jì)算的全部需要。Matlab環(huán)境下的符號(hào)計(jì)算功能主要有:符號(hào)表達(dá)式的基本運(yùn)算,向量與矩陣的符號(hào)表達(dá)式運(yùn)算,代數(shù)方程的符號(hào)表達(dá)式求根,符號(hào)微積分運(yùn)算,常微分方程的符號(hào)表達(dá)式求解等。Matlab的主要功能

(4/8)--優(yōu)化工具C.優(yōu)化工具M(jìn)atlab不僅提供了功能強(qiáng)大的優(yōu)化函數(shù),如非線性優(yōu)化、線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、0-1整數(shù)規(guī)劃、極小極大優(yōu)化、多目標(biāo)規(guī)劃、最小二乘法等,還設(shè)計(jì)了許多新型智能優(yōu)化方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、遺傳算法優(yōu)化、模糊邏輯等。Matlab的主要功能

(5/8)--數(shù)據(jù)分析和可視化功能D.數(shù)據(jù)分析和可視化功能在科學(xué)計(jì)算中,研究人員經(jīng)常會(huì)面對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)而無從下手。如果能將這些數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示出來,使數(shù)據(jù)間的關(guān)系清晰明了,便于分析、揭示數(shù)據(jù)間本質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系。正是基于這種考慮,Matlab提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。Matlab的主要功能

(6/8)--“活”筆記本功能E.“活”筆記本功能Matlab的Notebook把Word與Matlab集成為一個(gè)整體,為文字處理、科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)構(gòu)造了一個(gè)統(tǒng)一的工作環(huán)境,是一個(gè)能夠解決各種計(jì)算問題的文字處理軟件。只要在命令窗口中執(zhí)行Notebook或者在Word環(huán)境中建立M-book模板,就可以進(jìn)入一個(gè)新環(huán)境。在編輯科技文稿的同時(shí)可進(jìn)行科學(xué)演算,還可以作圖。這些演算的結(jié)果可以即時(shí)顯示于操作命令之后。在這個(gè)環(huán)境中輸入的一切命令能夠被隨時(shí)激活、修改、重新運(yùn)算并更新原有結(jié)果。Notebook稱為Matlab的“活”筆記本,是撰寫科技論文、演算理工學(xué)科習(xí)題的理想工具。Matlab的主要功能

(7/8)--

工具箱F.工具箱Matlab軟件包括基本部分和專業(yè)擴(kuò)展兩個(gè)部分。基本部分主要是一些基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算及數(shù)學(xué)函數(shù)。擴(kuò)展部分稱為工具箱,是用Matlab的基本語句和函數(shù)編制的各種子程序集,用于解決某一方面的專門問題,或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法。Matlab通過不斷推出的應(yīng)用于各個(gè)工程計(jì)算與應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算、仿真、分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具箱,深入到應(yīng)用數(shù)學(xué)、控制工程、信號(hào)分析與處理、圖像處理、通信、數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域。Matlab的主要功能

(8/8)--非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真功能G.非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真功能Matlab提供了模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互式程序Simulink,用鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)方式,允許用戶通過繪制框圖來模擬一個(gè)系統(tǒng),并動(dòng)態(tài)地控制該系統(tǒng)。Simulink能處理線性、非線性、連續(xù)、離散等多種系統(tǒng)。Matlab的主要特點(diǎn)

(1/4)2.主要特點(diǎn)Matlab及其工具箱構(gòu)成的計(jì)算與應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)規(guī)模大、功能強(qiáng),但其應(yīng)用卻非常便捷、使用效率高。Matlab在使用上具有以下主要特點(diǎn)。編程效率高界面友好、用戶使用方便方便的圖形功能擴(kuò)充能力強(qiáng)(開放性)語句簡單、內(nèi)涵豐富智能化程度高M(jìn)atlab的主要特點(diǎn)

(2/4)--編程效率高A.編程效率高M(jìn)atlab程序設(shè)計(jì)語言提供了豐富的庫函數(shù)(稱為M文件,即預(yù)先編制好的子程序),既有常用的基本庫函數(shù),又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫函數(shù)(工具箱函數(shù))。編制程序時(shí),這些庫函數(shù)都可以直接調(diào)用,大大提高了編程效率。Matlab的基本數(shù)據(jù)編程單元是不需要指定維數(shù)、也不需要說明數(shù)據(jù)類型的復(fù)數(shù)矩陣,所以在Matlab環(huán)境下,數(shù)組(向量或矩陣)的操作如同數(shù)的操作一樣簡單方便,不必事先定義數(shù)組及其維數(shù)的大小,編制相應(yīng)的基本數(shù)組運(yùn)算子程序再進(jìn)行有關(guān)操作。由于Matlab語言以矩陣為基本操作單元且具有豐富的庫函數(shù),采用它進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的編程效率要高幾倍。Matlab的主要特點(diǎn)

(3/4)--界面友好、用戶使用方便B.界面友好、用戶使用方便首先,Matlab具有友好的用戶界面和易學(xué)易用的幫助系統(tǒng)。Matlab的函數(shù)命令繁多,功能各異。用戶在命令窗里通過help命令可以查詢某個(gè)函數(shù)的功能及用法,還可以查詢某個(gè)函數(shù)的路徑以及查詢某個(gè)子目錄中的函數(shù)集合。這樣,面對(duì)Matlab的強(qiáng)大功能與各種先進(jìn)技術(shù),即便是初學(xué)者,也不會(huì)望而生畏。因?yàn)镸atlab已為用戶提供了學(xué)習(xí)它的方便之路。Matlab的主要特點(diǎn)

(4/4)其次,Matlab程序設(shè)計(jì)語言把編輯、編譯、連接、執(zhí)行、調(diào)試等多個(gè)步驟融為一體,并且具有良好的交互功能。如果直接在命令行輸入命令語句,包括調(diào)用M文件的語句,每輸入一條語句,Matlab軟件就可立即完成編譯、連接和運(yùn)行的全過程。如果將Matlab源程序編輯為M文件,編輯后的源文件就可像庫函數(shù)一樣直接運(yùn)行,而不再需要編譯和連接。在Matlab里,既可執(zhí)行程序(M文件),又可通過人機(jī)對(duì)話調(diào)用不同的庫函數(shù),方便快速地達(dá)到用戶目的。Matlab的主要特點(diǎn)

(5/4)第三,Matlab語言可設(shè)置中斷點(diǎn),存儲(chǔ)多個(gè)中間結(jié)果,還可進(jìn)行跟蹤調(diào)試。運(yùn)行M文件時(shí),如果有錯(cuò),計(jì)算機(jī)屏幕上還會(huì)給出詳細(xì)的出錯(cuò)信息提示,讓用戶修改,直到正確為止。Matlab語言靈活方便,調(diào)試手段豐富,調(diào)試速度快。Matlab是演算紙式(便簽式)的科學(xué)工程計(jì)算語言。使用Matlab編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和筆算時(shí)表達(dá)方式完全一樣,Matlab的語法更貼近人的思維方式。因此,Matlab語言易寫易讀,易于在科技人員之間交流。用Matlab編寫程序,猶如在一張演算紙上排列書寫公式,運(yùn)算、求解問題十分方便。Matlab的主要特點(diǎn)

(6/4)--方便的圖形功能C.方便的圖形功能Matlab提供了許多“高級(jí)”圖形函數(shù),可以繪制出各種圖形。例如,繪制2維、3維曲線以及3維曲面;平面或空間多邊形填充;曲面的透明或消隱;圖形縮放;調(diào)整觀察角與方位角考察空間曲面的不同側(cè)面;對(duì)曲面進(jìn)行光照效果明暗處理以增強(qiáng)其立體感;為渲染曲面的空間特性而在網(wǎng)線間填色等。Matlab的主要特點(diǎn)

(7/4)Matlab還開發(fā)了一些面向圖形對(duì)象的“低級(jí)”圖形函數(shù),可以訪問硬件系統(tǒng)建立各種“低級(jí)”圖形對(duì)象,它們以圖形句柄為界面。用戶使用圖形句柄可以操作圖形的局部元素。Matlab有一系列繪圖函數(shù),適用于不同的坐標(biāo)系,如線性坐標(biāo)、極坐標(biāo)及對(duì)數(shù)與半對(duì)數(shù)坐標(biāo)。只需調(diào)用不同的函數(shù),還可在圖上標(biāo)出圖形的標(biāo)題、標(biāo)注坐標(biāo)、繪制格柵等。另外,通過設(shè)定不同參數(shù)可繪出不同線形、顏色和視角的各種函數(shù)圖形,使得圖形清晰、美觀,大大提高分析與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的可視性。Matlab的主要特點(diǎn)

(8/4)此外,Matlab還開發(fā)了圖形用戶界面(GUI)技術(shù),方便用戶自行開發(fā)基于圖形界面的交互式平臺(tái)?;谒_發(fā)的交互式平臺(tái),使用者可以在圖形界面上實(shí)現(xiàn)計(jì)算、仿真、分析與設(shè)計(jì)的全部工作。Matlab的主要特點(diǎn)

(9/4)--擴(kuò)充能力強(qiáng)(開放性)D.擴(kuò)充能力強(qiáng)(開放性)開放性是Matlab最重要和最受歡迎的特點(diǎn)之一。除內(nèi)部函數(shù)外,所有Matlab基本函數(shù)和各工具箱庫函數(shù)都是可直接調(diào)用、可讀可改的源文件。用戶可以對(duì)這些庫函數(shù)源文件根據(jù)需要進(jìn)行修改,或自行建立新的庫函數(shù)。這些被修改和新增的函數(shù)可以和Matlab提供的庫函數(shù)一樣保存、使用,構(gòu)成新的專用工具箱。這種對(duì)源程序和系統(tǒng)的充分開放,可以提高M(jìn)atlab使用效率,并豐富、擴(kuò)充它的功能。Matlab的主要特點(diǎn)

(10/4)另外,為了充分利用Basic、Fortran和C語言等語言資源,包括用戶運(yùn)用這些語言編寫好的程序,通過建立Mex文件的形式,進(jìn)行混合編程,能夠方便地調(diào)用這些語言的子程序,更進(jìn)一步豐富及擴(kuò)充了Matlab程序設(shè)計(jì)語言的功能。Matlab的主要特點(diǎn)

(11/4)--語句簡單、內(nèi)涵豐富E.語句簡單、內(nèi)涵豐富Matlab最基本的語句結(jié)構(gòu)是賦值語句,語句的一般形式為變量名列表=表達(dá)式其中,等號(hào)左邊的變量名列表為Matlab的語句返回值;等號(hào)右邊是表達(dá)式的定義,可以是Matlab允許的矩陣運(yùn)算,也可以是Matlab的函數(shù)調(diào)用。Matlab的主要特點(diǎn)

(12/4)Matlab程序設(shè)計(jì)語言最重要的成分是函數(shù)。函數(shù)調(diào)用的一般形式為[a,b,c,……]=fun(d,e,f,……)即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名、輸入變量d,e,f,……和輸出變量a,b,c,……組成。同一函數(shù)名,不同數(shù)目的輸入變量及不同數(shù)目的輸出變量,代表著不同的含義,即使用了函數(shù)重載編程技術(shù)。Matlab大量使用函數(shù)重載設(shè)計(jì)方法不僅使Matlab的庫函數(shù)功能更加豐富,而且大大減少了庫函數(shù)的數(shù)量,使得Matlab編寫的M文件簡單、精練而高效。Matlab的主要特點(diǎn)

(13/4)--智能化程度高F.智能化程度高M(jìn)atlab可以在繪圖時(shí)自動(dòng)選擇最佳坐標(biāo),在進(jìn)行數(shù)值積分時(shí)自動(dòng)按精度選擇步長,程序調(diào)試時(shí)能自動(dòng)檢測(cè)錯(cuò)誤并提示程序錯(cuò)誤,智能化程度高,大大方便了用戶,提高了效率。Matlab語言易學(xué)易用,不要求使用者有高深的數(shù)學(xué)與程序語言的知識(shí),不需要使用者深刻了解算法與編程技巧。在諸多領(lǐng)域里,無論是作為科學(xué)研究與工程運(yùn)算的工具,還是作為計(jì)算機(jī)輔助的教學(xué)工具,Matlab都是不可多得的工具軟件??刂葡到y(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真的優(yōu)秀性能

(1/5)1.3.2控制系統(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真的優(yōu)秀性能

Matlab及其工具箱的開發(fā),使得它在科學(xué)計(jì)算與工程應(yīng)用上愈來愈普遍。由于Matlab的強(qiáng)大功能與便捷應(yīng)用,加之豐富的控制領(lǐng)域的工具箱,所以它特別適合用來對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算與仿真。在控制領(lǐng)域,Matlab成為主要仿真分析與設(shè)計(jì)計(jì)算的軟件的原因如下。A.

Matlab運(yùn)算功能強(qiáng)大,它提供的大量的基于矩陣的數(shù)值計(jì)算方法可以解決控制理論及控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)里經(jīng)常遇到的計(jì)算問題。就這一點(diǎn)上,Matlab已與自動(dòng)控制密切聯(lián)系在一起??刂葡到y(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真的優(yōu)秀性能

(2/5)B.

Mathworks公司先后與世界上許多知名自動(dòng)控制專家在他們擅長的領(lǐng)域上合作,編寫了具有特殊功能的工具箱,使得Matlab從一個(gè)數(shù)值運(yùn)算工具變成自動(dòng)控制計(jì)算與仿真的工具。Matlab的控制工具箱里,軟件內(nèi)容豐富,系統(tǒng)門類齊全,已覆蓋了控制系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域,每一個(gè)工具箱都是當(dāng)今世界上該控制領(lǐng)域里的最權(quán)威、最先進(jìn)的計(jì)算與仿真程序軟件。目前,Matlab軟件包含的與控制領(lǐng)域直接相關(guān)的工具箱有如下幾類?;究刂品椒?控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、儀表控制工具箱、最優(yōu)化控制工具箱??刂葡到y(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真的優(yōu)秀性能

(3/5)專用控制方法:魯棒控制工具箱、

分析綜合工具箱、LMI(線性不等式)控制工具箱、多變量頻域設(shè)計(jì)工具箱、預(yù)測(cè)控制工具箱、定量反饋理論工具箱。相關(guān)信號(hào)處理與優(yōu)化方法:信號(hào)處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、模糊邏輯工具箱、遺傳算法與直接搜索工具箱。Matlab用于控制及其相關(guān)領(lǐng)域的工具箱還在不斷地?cái)U(kuò)充、豐富與完善,互聯(lián)網(wǎng)上也有許多專家自行開發(fā)的各種新型工具箱供同行下載共享。這些工具箱都已成為Matlab的重要組成部分,也使Matlab成為自動(dòng)控制領(lǐng)域最先進(jìn)的工具。控制系統(tǒng)Matlab計(jì)算及仿真的優(yōu)秀性能

(4/5)C.

Matlab內(nèi)容豐富,擴(kuò)充能力強(qiáng),編程效率高。不僅Matlab的開發(fā)者可以編制軟件程序,使用者同樣可以為實(shí)現(xiàn)新功能或特殊功能開發(fā)、編制軟件程序,并將其放到Matlab里去,使Matlab的功能不斷擴(kuò)充逐步完善。D.

Matlab語言語句簡單,容易學(xué)

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