现代控制理论课件CA01-绪论及模型建立.ppt

现代控制理论,隋立明,研究生学位课,课程简介,经典控制理论,现代控制理论,回顾,加深,拓展,理解,抽象,教材及参考书,参考书,其他参考书,现代控制工程 Ogata (适用初学者） 自动控制原理 吴麒 (适用深入学习） 控制系统设计 王广雄 （适用于应用） Control system design Goodwin,研究生课程的学习,基本内容的介绍，抓重点 新的内容和观点，拓展思维 思考和讨论，锻炼能力,课堂,课下,自学没讲的基本内容 扩展阅读新的内容 积极思考,问题？,第 1 讲 绪论及系统模型建立,课程要求,掌握控制系统的基本概念 掌握控制系统的基本组成 掌握机械系统的模型建立 了解控制理论的发展简史,1.1 基本概念,手动控制,自动控制,由人来操纵机器,没有人参与的系统,人驾驶汽车,无人驾驶汽车,研究 对象,控制系统的例子,速度控制系统,速度控制系统,速度设定,增加,转速下降,增加,系统框图,扰动,偏差,飞机自动驾驶系统,保持飞机姿态 辅助操纵飞机,扰动,防空导弹制导,目标跟踪雷达跟随目标,导弹导引雷达跟随目标 跟踪雷达（提前量）,导弹跟随导引雷达,控制系统的组成,参考 输入,控制信号,输出信号,干扰,噪声,测量,决策,执行,控制系统的重要性（必要性）,空间飞行器的导航和控制：飞机、导弹、卫星,巨大的环境干扰和不确定性,稳定性 跟踪性,制造业（汽车、集成电路）,高精度定位 高质量 高产量,工业过程控制,对上千个信号进行监测，相应控制上百个阀、泵等执行器。,通讯系统（电话、手机、互联网）,控制信号的传递、进行噪声的消除,极端环境和条件下，控制系统起着关键的作用。,复杂,极微,1986年度Nobel 物理奖Binning&Rohrer,扫描隧道显微镜,极险,1.2 控制系统的研究内容,控制系统的性能分析,控制系统的设计,控制系统的性能指标,稳定性 快速性 准确性 鲁棒性,系统在模型参数变动及扰动作用下,保持系统性能的能力,采用反馈控制的原因,提高稳定性 提高系统的响应速度 提高系统的准确度,？,采用闭环反馈控制的根本原因,反馈特性,反馈特性是指系统的稳定性、灵敏度和对扰动的抑制性能等。 这些特性只有通过反馈才能对其进行改动和改善。,反馈的一个主要目的： 为具有不确定的系统提供鲁棒性,反馈放大器,反馈的另一个主要目的： 改变系统的动态特性,稳定性,响应特性,现代控制理论需要解决的问题,保证系统的稳定性 如何抗干扰 如何解决参数的摄动问题 如何达到性能指标的最优,控制理论的基本内容,建模 动态特性分析 系统的联接结构分析 不确定性分析 系统的综合,建模,输入-输出,状态空间,系统辨识,动态分析,控制理论有一套成熟的方法对系统进行稳定性和动态性能的分析,联接结构,控制理论属于系统科学，控制系统通过不同子系统的联接来实现系统的稳定性、鲁棒性和期望的性能。,不确定性,现代控制理论提供了对于系统不确定性的表示，并有许多工具用来对付不确定性。,系统的综合,系统分析的反过程。,根轨迹,频域校正,状态空间,1.3 自动控制系统的分类,物理性质,数学模型,电气控制,机械控制,流体控制,线性控制,非线性控制,变化规律,信号形式,恒值控制,程序控制,随动控制,连续控制,离散控制,数学模型是描述系统内部物理量之间关系的数学表达式 数学模型是研究的第一步 建立数学模型的方法：分析法、实验法,1.4 系统微分方程模型建立,实际物理系统,理想物理模型,理想数学模型,简化数学模型,建模注意问题,精确性与简化性 集中参数与分布参数 线性与非线性,微分方程模型,传递函数,状态空间,微分方程的列写,（1）机械系统,弹性元件,F=k(x1-x2),阻尼元件,惯性负载,相对于大地坐标系,例题,xi,xo,x,B2,k2,B1,k1,(2) 电路系统,电感元件,电容元件,例题,(1),(2),(3),(4),磁场控制式直流电机,电枢控制式直流电机,1.5 控制论简史,机械控制装置,经典控制理论,现代控制理论,鲁棒控制理论,古代控制装置,闭环控制思想的雏形, 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年),中国张衡研制出自动测量地震的候风地动仪(132年),中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),现代控制装置与理论研究的出现,应用的广泛性 影响的深远性 微分方程研究方法,英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),John Rennie,英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研究了天文望远镜的速度控制，首次提出反馈系统的稳定性问题研究。,J.C. Maxwell (1831- 1879), 于1868年发表文章“On Governors”, 成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。,俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的 一般问题” (1892年),美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922),美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927),美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929),Elmer Sperry 制造两自由度陀螺仪,1914年巴黎航展惊险一幕,从微分方程到频率方法的转变,电子通讯系统的发展 Bell实验室,美国贝尔实验室的H. Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法.,美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)(1948)，标志着控制论的诞生。,李郁荣（Y.W. Lee, 1904-1989), 麻省理工学院N. Wiener的首位博士生(1930年)，曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为Wiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969），与Shannon一起成为该系最知名的两个学科带头人。被誉为MIT的最伟大的教育家之一。,美国的H. Hazen发表“伺服机构理论” (Theory of Servomechanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室 (1939),“伺服机构是一个功率放大装置,其放大部件是根据系统的输入与输出的差来驱动输出的.”,美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，标志以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,现代控制理论的出现,多输入-多输出 随机干扰 最优控制,二次大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。,美国R. Bellman发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the G