研究生現(xiàn)代控制工程緒論

1、現(xiàn)代控制工程,王軍平 西安交通大學(xué)機械學(xué)院西二樓東221,,wangjunping@mail.xjtu.edu.cn,2024/3/18,2,課程目的,掌握現(xiàn)代控制理論的基本知識，鍛煉研究生對于解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合等實際控制問題的能力, 特別是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論進行復(fù)雜機電系統(tǒng)的分析與綜合的能力，從而將控制理論和電子技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到機械系統(tǒng)中，實現(xiàn)智能化和自動化。這對于推動專業(yè)技術(shù)工作更加深入，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)的潛能具有重要作用

2、。,教材：《現(xiàn)代控制工程》 主編：王軍平、董霞，西安交大出版社,2024/3/18,3,控制理論及工程的發(fā)展,前期控制 (1400BC-1900)經(jīng)典控制 (1935-1950)現(xiàn)代控制 (1950-Now)智能控制 (1970-）,,,,,2024/3/18,4,人類生產(chǎn)方式的進步,2024/3/18,5,自動化科學(xué)與技術(shù)的歷史沿革,中國古代的自動化裝置指南車,5,2024/3/18,6,指南車是中國古代用來指示方向

3、的一種具有能自動離合的齒輪系裝置的車輛。,馬拉雙輪獨轅車，車箱上立一個伸臂的木人。裝有能自動離合的齒輪系。當車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響,2024/3/18,7,銅壺滴漏,2024/3/18,8,銅壺滴漏 （刻漏或漏刻）－ 這種計時裝置最初只有兩個壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時間）

4、。保持上壺的水位恒定是滴漏計時準確的關(guān)鍵。這個問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的,平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個浮子式閥門作為自動切斷閥。當受水壺的水位升至滿刻度時，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水壺的出水小孔，切斷水滴。,2024/3/18,9,對象和控制器形成控制系統(tǒng),1788年瓦特發(fā)明蒸汽機飛球調(diào)速器（圖2）。這種采用機械式調(diào)節(jié)原理實現(xiàn)的動力機速度自動控制是自動化應(yīng)用的

5、第一個里程碑。,2024/3/18,10,經(jīng)典控制理論的形成、發(fā)展和應(yīng)用,工業(yè)生產(chǎn)和軍事系統(tǒng)廣泛應(yīng)用各種自動控制裝置，促進了對控制系統(tǒng)的分析和綜合的研究,2024/3/18,11,隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）,在給定環(huán)節(jié)給出的輸入信號是預(yù)先未知的隨時間變化的函數(shù),2024/3/18,12,經(jīng)典控制理論的發(fā)展和集大成者,諾伯特·維納 (Norbert Wiener)1894-1964,控制論,或動物和機器的控制和通信, 1948(C

6、ybernetics, or control and communication in the animal and machine, 1948),,2024/3/18,13,2024/3/18,14,經(jīng)典控制理論穩(wěn)定判據(jù)傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)和分析米諾爾斯基:《關(guān)于船舶自動操舵的穩(wěn)定性》黑曾（Hazen）:《關(guān)于伺服機構(gòu)理論》埃文斯（Evans）:根軌跡法,14,《控制論》與《工程控制論》的問世吸引了大批的數(shù)學(xué)

7、家與工程技術(shù)專家從事控制論的研究，推動了該學(xué)科的發(fā)展。而電子式控制器的應(yīng)用是自動化應(yīng)用的第二個里程碑。,2024/3/18,15,現(xiàn)代控制理論復(fù)雜工業(yè)過程和航天技術(shù)的自動控制，涉及多變量控制系統(tǒng)的分析和綜合，迫切需要加以解決1956年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理同年美國數(shù)學(xué)家貝爾曼(Bellman)創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃1960年美國數(shù)學(xué)家卡爾曼(Kalman)提出狀態(tài)空間法，以及可控性和可觀性20世紀60-70年代，英國學(xué)者羅森

8、布羅克等將頻率法推廣到分析和設(shè)計多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法,15,2024/3/18,16,2024/3/18,17,計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代自動控制和自動化系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ),1946年2月15日，世界上第一臺通用電子數(shù)字計算機“埃尼阿克,1992年我國自行研制的銀河－II巨型機,2024/3/18,18,現(xiàn)代系統(tǒng)與控制理論形成多個重要分支,自動檢測、遙測、遙控和遙感 系統(tǒng)辯識、建模與仿真模式識別和人工智能 系統(tǒng)工程隨機系統(tǒng)

9、與控制、模糊集與控制自適應(yīng)控制和自校正控制 最優(yōu)控制智能控制魯棒控制離散時間動態(tài)系統(tǒng)、混合系統(tǒng),2024/3/18,19,自動化科學(xué)與技術(shù)的研究范疇,過程自動化與控制綜合自動化與計算機集成制造機器人及應(yīng)用智能交通系統(tǒng)巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機太空飛行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)小世界網(wǎng)絡(luò)拓撲網(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò),2024/3/18,20,綜合自動化與計算機集成制造,機械自動化－數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)靈活、通用、高精度、高效率的“柔性

10、”自動化生產(chǎn)技術(shù)—數(shù)字控制（簡稱數(shù)控）柔性制造系統(tǒng)（FMS）在數(shù)控基礎(chǔ)上的高度自動化加工形式，由統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)成一組加工設(shè)備,2024/3/18,21,柔性制造系統(tǒng)（FMS）,2024/3/18,22,計算機集成制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),將制造過程、計劃調(diào)度、經(jīng)營管理和市場銷售等信息進行集成，并求得全局優(yōu)化,2024/3/18,23,機器人理論與應(yīng)用,涉及幾乎所有先進控制理論：非線性控制、魯棒控制、最優(yōu)控制、智能控制等涉及機器視覺

11、、模式識別、信息融合等,2024/3/18,24,2024/3/18,25,智能汽車,視聽覺信息的認知計算驗證平臺，提供新的基于人—車—路狀態(tài)綜合分析的智能輔助安全駕駛關(guān)鍵技術(shù),2009年6月4—5日，西安浐灞生態(tài)區(qū),2024/3/18,26,高速列車,采用交流傳動技術(shù)，控制系統(tǒng)采用分布式微機控制裝置等進行智能控制我國高速“子彈頭”列車，時速達300多km/Hr。,磁懸浮高速列車已在上海運行，最高速430km/Hr。,2024/3/

12、18,27,巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機,巡航導(dǎo)彈及其測控系統(tǒng) 在翼式導(dǎo)彈和無人駕駛遙控飛機的基礎(chǔ)上，利用紅外成像技術(shù)、GPS、精密制導(dǎo)和控制技術(shù)、隱形技術(shù),制造出精度高、成本低的低空突防武器——巡航導(dǎo)彈，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭特別是局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用,2024/3/18,28,預(yù)警飛機,,機載預(yù)警系統(tǒng)中的自動化技術(shù),空中預(yù)警飛機是用于搜索、監(jiān)視和跟蹤空中和海上目標，達到快捷準確發(fā)現(xiàn)敵人目標、有效跟蹤目標，并指揮攔截或阻擊敵人目標。,美制E-3“望

13、樓”空中預(yù)警飛機,有源相控陣雷達技術(shù)、陣列信號、空時二維信號處理技術(shù)、機載環(huán)境下光學(xué)探測及圖像處理技術(shù)、多目標跟蹤與多傳感信息融合技術(shù)、敵我識別技術(shù) 、機載并行計算機技術(shù)、態(tài)勢評估、威脅評估和戰(zhàn)斗輔助決策指揮技術(shù) 、導(dǎo)航技術(shù),2024/3/18,29,太空飛行,人造飛船人造衛(wèi)星登月國際空間站,2024/3/18,30,國際空間站,一座有兩個足球場大小的空間站，將成為人類歷史上第一個完備的太空實驗室。,嫦娥一號,2024/3/18,

14、31,神舟號載人飛船,2024/3/18,32,網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng),小世界網(wǎng)絡(luò)拓撲（參考哈佛大學(xué)David Pepyne博士講稿）網(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò),2024/3/18,33,集成化網(wǎng)絡(luò)安全防衛(wèi)系統(tǒng)演示配置圖,,,,,,,,,,,,,,NSMS,通信服務(wù)器,數(shù)據(jù)中心,Console 1,Console 2,Console 3,主機檢測控制臺,192.168.4.9XJTU Net Sensor(LINUX版),192.168.

15、4.3XJTU Net Sensor(WIN版),192.168.4.4XJTU Host Sensor,,Snort Network Sensor,WWW服務(wù)器,應(yīng)用主機 1,應(yīng)用主機 2,黑客192.168.6.2,路由器,PIX 防火墻,Check Point防火墻,,,,,192.168.4.2WWW服務(wù)器,,,,,黑客2192.168.8.3,,2024/3/18,34,傳感器網(wǎng)絡(luò),以無線通信功能的微型傳感

16、器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)（Sensor Network）為基礎(chǔ)的泛計算（Pervasive Computing）、泛監(jiān)控（Pervasive Supervision）信息網(wǎng)絡(luò)國防和軍事用途傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID（Radio Frequency ID）技術(shù)相結(jié)合有可能全程監(jiān)控物流和生產(chǎn)制造設(shè)備，徹底改變現(xiàn)有生產(chǎn)制造過程的控制與優(yōu)化方法,34,2024/3/18,35,傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,2024/3/18,36,RFID應(yīng)用,RFID射頻識別是一

17、種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。,2024/3/18,37,智能織物,智能灰塵,能夠探測疾病、監(jiān)測心律和其他生命體征的電子紡織品,智能灰塵”并不是真正意義上的灰塵,實際上它是由無數(shù)超微型傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng),,2024/3/18,38,物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、

18、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。,2024/3/18,39,物聯(lián)網(wǎng)：上海浦東國際機場防入侵系統(tǒng),3萬多個傳感節(jié)點，覆蓋了地面、柵欄和低空探測，可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵,2024/3/18,40,智能交通系統(tǒng),智能交通系統(tǒng): 利用現(xiàn)代信息技術(shù)為

19、核心，利用先進的通訊、計算機、自動控制、傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對交通的實時控制與指揮管理。,提高公路交通的安全性; 降低能源消耗，減少汽車運輸對環(huán)境的影響;提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力;提高汽車運輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益,2024/3/18,41,自動化科學(xué)與技術(shù)的新發(fā)展,自動化科學(xué)與技術(shù)正面臨第三次突破復(fù)雜性智能化網(wǎng)絡(luò)化期待大家的參與,2024/3/18,42,現(xiàn)代復(fù)雜機電控制系統(tǒng)分析,圖1-14 數(shù)控機床工作臺驅(qū)動系統(tǒng),2024/3/18,

20、43,由于熱、力、磨損、間隙造成的閉環(huán)控制失穩(wěn),秦川VTM180機床X-Y軸圓插補誤差實測結(jié)果,C軸(旋轉(zhuǎn))誤差測試結(jié)果,,秦川Y7332A磨齒機溫度-絲杠伸長以及運動誤差試驗結(jié)果,,50分鐘,2024/3/18,44,,復(fù)雜機電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考,軋制板材厚度由壓力、張力、速度、潤滑綜合確定 厚差、板型的變化——時變系統(tǒng) 發(fā)散、自激、復(fù)合強迫振動現(xiàn)象——非線性復(fù)雜耦合,復(fù)雜機電系統(tǒng)是一個非線性耦合系統(tǒng),圖8 熱軋裝備,2024/3

21、/18,45,,復(fù)雜機電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考,,混合動力汽車能量管理,,第一個層次：工作模式的切換規(guī)則，屬于離散事件動態(tài)系統(tǒng)，第二個層次：能量流的優(yōu)化分配問題。多目標（燃料經(jīng)濟性，排放，成本等等）多變量（既包括連續(xù)變量又包括離散變量）的非線性動態(tài)優(yōu)化問題。同時能量需求時變性與傳動系統(tǒng)動力及運動傳遞的不確定性也增加了優(yōu)化與控制的難度。,2024/3/18,46,,復(fù)雜機電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考,,整車控制系統(tǒng)：多輸入多輸出耦合系統(tǒng),2024/

22、3/18,47,,復(fù)雜機電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考,,2024/3/18,48,基于視覺的微裝配與操作: 宏觀和微觀的結(jié)合！,,宏觀世界,,2024/3/18,49,三、古典控制理論與現(xiàn)代控制理論的比較：,1、古典控制理論： 五十年代末形成了完整的體系,1）把系統(tǒng)當作 “黑箱”，不反映黑箱內(nèi) 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映 外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系；2）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，不完全描

23、述；3）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)之上的；4）局限性：,局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時變系統(tǒng),,G(s),,,Y(s),U(s),是分析方法而不是最佳的綜合方法，試湊法為主，滿足性能指標為目的，無法設(shè)計出最優(yōu)的系統(tǒng)，針對某個性能指標，設(shè)計方案多樣,局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）,無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）,只能研究確定性的系統(tǒng)，不適合隨機系統(tǒng),2024/3/18,50,既適合線性定常

24、系統(tǒng)，也適合非線性及系統(tǒng),2、現(xiàn)代控制理論：不斷發(fā)展中,1）越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，古典控制理論不能勝任，于50年代末60年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，建立在古典控制理論基礎(chǔ)上。2）時域法，狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，深入系統(tǒng)內(nèi)部，是內(nèi)部描述，完全描述；3）分段描述：將輸入輸出間關(guān)系分成兩段來描述 第一段：輸入引起系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化－－－狀態(tài)方程 第二段：內(nèi)部狀態(tài)引起系統(tǒng)輸出的變化－－－輸出方程4）優(yōu)點（相對于古典控制）

25、：,分析綜合方法，可實現(xiàn)最優(yōu)控制,考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初 始條件和輸入來刻劃,既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機系統(tǒng),既適合SISO系統(tǒng)，也適合MIMO系統(tǒng),控制系統(tǒng)分類按照輸入輸出關(guān)系 線性系統(tǒng)：同時滿足疊加原理和齊次性條件 非線性系統(tǒng)：不同時滿足疊加原理和齊次性條件,按照系統(tǒng)參數(shù)和時間關(guān)系： 定常系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時間變化，如A。

26、 常系數(shù)微分/差分方程描述 時變系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化，如A(t)。 時變系數(shù)微分/差分方程描述,按控制作用和控制時間分 分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng),1）以漸近穩(wěn)定為性能指標，相應(yīng)的綜合問題稱為鎮(zhèn)定問題；,3）使一個MIMO系統(tǒng)實現(xiàn)一個輸入只控制一個輸出作為性能指標，相應(yīng)的綜合問題稱為解耦問題。,4）將系統(tǒng)的輸出y(t)無靜差地跟蹤一個外部信

27、號 的能力，作為性能指標，相應(yīng)的綜合問題稱為跟蹤問題。,4、綜合問題分類：,2）以一組期望的閉環(huán)系統(tǒng)極點作為性能指標，相應(yīng)的綜合問題稱為極點配置問題。,現(xiàn)代控制工程研究內(nèi)容：,線性系統(tǒng)理論： 以下學(xué)科基礎(chǔ)，本門課程主要講述基礎(chǔ)知識。 狀態(tài)空間分析方法；能控（觀）性及結(jié)構(gòu)分解；狀態(tài)（輸出）反饋和觀測器設(shè)計；李亞普諾夫穩(wěn)定性問題； 傳函實現(xiàn)問題；離散時間系統(tǒng)分析；,最優(yōu)控制： 在給定的限制條件和性能指標下，尋找

28、使系統(tǒng)性能指標最優(yōu)（最大或最小等）的控制規(guī)律。 快速控制問題；參數(shù)最優(yōu)問題；最優(yōu)調(diào)節(jié)器問題；最佳跟蹤問題。（線性二次型性能指標的最優(yōu)控制問題）,系統(tǒng)辨識（系統(tǒng)辨識，參數(shù)估計） 未知系統(tǒng)的建模，在僅知道y和u，根據(jù)輸入輸出關(guān)系建立系統(tǒng)模型。 包括兩部分：模型結(jié)構(gòu)及模型參數(shù)的確立。 系統(tǒng)辨識：包括模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)的辨識； 參數(shù)估計：模型結(jié)構(gòu)已定，估計其參數(shù)；以下三階系統(tǒng)：,自適應(yīng)控制： 主要針對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不確定性等問