c1現(xiàn)代控制理論緒論

1、現(xiàn)代控制理論基礎,北京科技大學自動化學院控制科學與工程系,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,1,主要參考書目,劉豹?，F(xiàn)代控制理論（第三版）。北京：機械工業(yè)出版社，2006鄭大鐘。線性系統(tǒng)理論（第二版）。北京：清華大學出版社，2002仝茂達。線性系統(tǒng)理論和設計。合肥：中國科技大學出版社，2004Chi-Tsong Chen Linear System Theory and Design(Third Edition)

2、Oxford 1999 萬百五?？刂普?概念、方法與應用。北京：清華大學出版社 ，2009,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,2,第一章 緒論,控制理論研究的內容控制理論的發(fā)展現(xiàn)代控制理論的主要內容本課程的主要內容需要的預備知識,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,3,緒論-控制理論研究的內容,系統(tǒng)：控制理論的研究對象。由相互關聯(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)：運動狀態(tài)按確定的規(guī)律或統(tǒng)計規(guī)

3、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),下午3時20分,北京科技大學自動化學院,4,緒論-控制理論研究的內容,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,5,被控對象,控制器計算機,A/D,D/A,保持器,采樣,,,,,,,控制：是指為了改善系統(tǒng)的性能或達到特定的目的，通過信息的采集和加工而施加到系統(tǒng)的作用?？刂葡到y(tǒng)由控制部分和被控對象組成，兩者往往形成雙向的信息

4、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。控制器用來加工信息、產生控制信號，這是控制系統(tǒng)的核心。執(zhí)行器則將控制器產生的控制信號進行放大和變換，以此產生控制作用，最終施加到被控對象上。通常把進入控制系統(tǒng)的信息加工成控制信息的規(guī)則，稱為控制算法。設計和實現(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)中實現(xiàn)控制算法的部件稱為控制器，設計和研制各種控制器則是控制工程最重要的任

5、務。,緒論-控制理論研究的內容,系統(tǒng)的數(shù)學描述-這個步驟解決兩個問題，其一是對系統(tǒng)的一般運動規(guī)律進行描述，其二是對所討論的系統(tǒng)進行抽象，系統(tǒng)有具體屬性，可以是工程的、生物的、經濟的等，此步驟抽去系統(tǒng)的具體屬性，建立一般的數(shù)學模型；分析系統(tǒng)的定性和定量的性質-通過系統(tǒng)的數(shù)學模型討論系統(tǒng)各種因素間的相互關系； 根據(jù)系統(tǒng)的性質設計控制系統(tǒng)，以達到改進系統(tǒng)性能的目的，這一步驟有時稱為系統(tǒng)的綜合。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,6,

6、緒論-控制理論的發(fā)展,自動控制：1788年Watt在發(fā)明蒸汽機的同時，發(fā)明了離心式調速器，當負載或蒸汽供給量發(fā)生變化時，離心式調速器能夠自動調節(jié)進氣閥門的開度，從而控制蒸汽機的轉速；20世紀20年代，電子管反饋放大器誕生；第一個自動控制系統(tǒng)是美國的汽車生產線。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,7,緒論-控制理論的發(fā)展,20世紀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40年代初

7、波特(Bode)引入對數(shù)增益圖和線性相位圖-波特圖，形成基于頻率響應的分析與綜合反饋控制系統(tǒng)的實用理論和方法；1948年伊萬思(W.R.Evans)提出的根軌跡法，為控制系統(tǒng)的分析與設計開辟了新的途徑。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,8,緒論-控制理論的發(fā)展,經典控制理論的特點：以傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的數(shù)學描述，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)

8、分析和綜合的工具。-頻率域經典控制理論的優(yōu)點：不用求解微分方程就可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)品質和穩(wěn)態(tài)性能，為分析和設計系統(tǒng)提供了實用且有力的工具，使系統(tǒng)分析由初期的時域轉到頻域。特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，經典控制理論得到廣泛地的應用。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,9,緒論-控制理論的發(fā)展,經典控制理論的局限：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)

9、系統(tǒng)；傳遞函數(shù)僅反映了系統(tǒng)的輸入-輸出的關系，難以揭示系統(tǒng)內部結構。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,10,緒論-控制理論的發(fā)展,隨著航空、航天技術的發(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)越來越復雜，經典控制理論已經不能適應了； -需求電子計算機的出現(xiàn)。 -手段 在20世紀50~60年代出現(xiàn)了以狀態(tài)空間

10、為基礎，研究系統(tǒng)的內部描述及系統(tǒng)的定性和定量規(guī)律，進而完成控制系統(tǒng)設計的現(xiàn)代控制理論。-時間域,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,11,緒論-控制理論的發(fā)展,現(xiàn)代控制理論的主要標志性成果有：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、貝爾曼和卡爾曼報告了他們的工作，宣告建立現(xiàn)代控制理論學科

11、。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,12,緒論-現(xiàn)代控制理論主要內容,線性控制系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論的基礎；研究線性系統(tǒng)的運動規(guī)律；研究改變系統(tǒng)運動的可能性和實施方案；建立并揭示系統(tǒng)結構、參數(shù)、行為、性能 之間的關系最優(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）核心內容是極大值原理和動態(tài)規(guī)劃法,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,13,緒論-現(xiàn)代控制理論主要內容,最優(yōu)估計與隨機

12、控制研究由隨機微(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-卡爾曼濾波；基于狀態(tài)估計討論隨機系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計尋找最能夠體現(xiàn)系統(tǒng)輸入輸出特性的模型；參數(shù)估計：模型結構已知，參數(shù)未知；系統(tǒng)辨識：結構、參數(shù)未知。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,14,緒論-現(xiàn)代控制理論主要內容,自適應控制實時辨識系統(tǒng)模型并在此基礎上給出系統(tǒng)的最優(yōu)控制規(guī)律；模型參考自適應、

13、自校正自適應、自學習控制、自組織系統(tǒng)理論。 其他內容：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),下午3時20分,北京科技大學自動化學院,15,緒論-本課程的主要內容,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,16,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、極點配置、狀態(tài)觀測,第二章(1),第三章(2),第四章

14、(3),第五章(4),第六章(5),緒論-需要的預備知識,線性代數(shù)矩陣的加、減、乘、數(shù)乘和轉置運算；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；方陣的相似標準型；實對稱方陣的正定性。,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,17,緒論-需要的預備知識,矩陣的微分運算,下午3時20分,北京科技大學自動化學院,18,緒論-需要的預備知識,常微分方程線性常微分方程求解；線性一階常微分方程組求