线性系统绪论(第一次课)

1、现代控制理论（线 性 系 统 理 论 基 础 ）目 录n自我介绍自我介绍n课程基本要求课程基本要求n课程的学习方法课程的学习方法n绪论绪论n教材和参考书教材和参考书自我介绍n 龚道雄龚道雄p 综合科技楼综合科技楼11261126室室p Tel: 67391955Tel: 67391955p 课程基本要求n 本课程的教学和考试：本课程的教学和考试：p 课程名称：线性系统理论基础课程名称：线性系统理论基础p 1-16周上课，周上课，20次课；次课；p 考试周内考试，闭卷。考试周内考试，闭卷。p 成绩构成：成绩构成：出勤纪律出勤纪律10% + 作业作业10% + 考试考试80%课程基本要求n 课堂要

2、求课堂要求p 纪律纪律 往前就座往前就座 不要缺席（有时点名抽查）不要缺席（有时点名抽查） 课堂要活跃，但不能影响他人课堂要活跃，但不能影响他人p 提问和意见（举手示意、及时交流）提问和意见（举手示意、及时交流）n 作业要求作业要求p 按时完成、独立完成按时完成、独立完成p 书写工整、不以对错论成绩，只是对教学效果的反馈书写工整、不以对错论成绩，只是对教学效果的反馈p 潦草、抄袭、缺交、补交，于人于己都无益潦草、抄袭、缺交、补交，于人于己都无益课程的学习方法n 这门课程的用途？这门课程的用途？（对我的前途有何帮助？）（对我的前途有何帮助？）n 好学吗？好学吗？n 怎么学？怎么学？课程的学习方法

3、阮晓钢：自动化概论课程的学习方法n 很好学很好学p 99，98，87n 很不好学：很不好学：p 0 ， 2+0，8n 为什么？为什么？p 学习是否投入？认真听课，独立作业学习是否投入？认真听课，独立作业p 学习是否得法？学习是否得法？课程的学习方法课程的学习方法2008课程的学习方法n 与本课程有关的其他先修课程：与本课程有关的其他先修课程：p 高等数学（微分方程）高等数学（微分方程）p 线性代数线性代数p 经典控制理论经典控制理论n 课程特点课程特点p 整个控制理论体系的基础整个控制理论体系的基础p 理论性强理论性强课程的学习方法n 本课程的讲授方法：本课程的讲授方法：p 课堂讲授课堂讲授。

4、注重新知识与已学知识的。注重新知识与已学知识的比较和联系比较和联系，总结、归纳这些联系，并提醒同学们课后总结、归纳这些联系，并提醒同学们课后复习复习和回和回顾；顾；p 侧重侧重原理原理、概念概念的理解和的理解和方法方法的应用，略去理论的的应用，略去理论的推导和证明；推导和证明；p 注重注重举例，举例，习题典型错误讲解；习题典型错误讲解；p 注重注重MATLAB的应用；的应用；p 每次课布置作业题每次课布置作业题，独立完成、按时交作业。，独立完成、按时交作业。p 本书配有习题集，供自学用。考试题库。本书配有习题集，供自学用。考试题库。课程的学习方法阮晓钢：自动化概论课程的学习方法p 瞻前顾后瞻前

5、顾后 温故而知新温故而知新 线性代数、矩阵理论、经典控制，微积分。线性代数、矩阵理论、经典控制，微积分。 各章节之间。各章节之间。 考试时？考试时？p 眼高手低眼高手低 ( (隋允康教授隋允康教授“顶天立地顶天立地”, ,大处着眼，小处着手大处着眼，小处着手, ,围棋围棋的大局观和局部战斗力的大局观和局部战斗力) ) 作业，作业，自己动手自己动手。 工作中？工作中？课程的学习方法p 得意忘形得意忘形 ( (理解原理、概念、物理意义，不生搬硬套理解原理、概念、物理意义，不生搬硬套) ) 文与可画竹，胸有文与可画竹，胸有成成竹。整体把握。竹。整体把握。p 装模作样装模作样 ( (心中装有心中装有“

6、模模”：标准型，公式，结构图；做：标准型，公式，结构图；做出来才象出来才象“样样”：规范的表达形式：规范的表达形式) ) 严格的体系。严格的体系。 李政道，科学与美学。李政道，科学与美学。 对偶原理。对偶原理。课程的学习方法p 软硬兼施软硬兼施 ( (人工求解人工求解 & MATLAB)& MATLAB) 生产工具代表了生产力的发展水平。生产工具代表了生产力的发展水平。“工工”与与“器器”。科研、开发。相辅相成。科研、开发。相辅相成。p 自由自在自由自在 ( (自主完成作业，自愿上交作业，自觉复习总结，自主完成作业，自愿上交作业，自觉复习总结，自制保证出勤自制保证出勤) )。随

7、意吗？自己要。随意吗？自己要“在在”。 “书非考不能读也，课非点名不能上也。书非考不能读也，课非点名不能上也。” 子在川上曰：子在川上曰：“逝者如斯，不舍昼夜！逝者如斯，不舍昼夜！”课程的学习方法n 独立完成作业的重要性独立完成作业的重要性课程的学习方法n 要求交作业与否的困惑，抄袭和潦草；要求交作业与否的困惑，抄袭和潦草；n 学习的主动性。学习的主动性。绪绪 论论n 发展历史简介发展历史简介p 三个时期三个时期经典控制理论时期经典控制理论时期(19(19世纪世纪2020年代开始年代开始) )现代控制理论时期现代控制理论时期(19(19世纪世纪50 50 年代开始）年代开始）智能控制理论时期智

8、能控制理论时期(19(19世纪世纪8080年代开始年代开始) )绪绪 论论 n控制理论作为学科的产生：控制理论作为学科的产生：（关注知识发生的过程）（关注知识发生的过程）p 1765,1765,波尔祖诺夫的蒸汽机锅炉的水位自动调节器波尔祖诺夫的蒸汽机锅炉的水位自动调节器 p 1788,J.Wate,1788,J.Wate,蒸汽机的蒸汽机的离心式飞锤调速器离心式飞锤调速器; ;p 1868,J.C.Maxwell 1868,J.C.Maxwell的论文的论文“论调节器论调节器”p 1892, Lyapnov1892, Lyapnov，稳定性理论；，稳定性理论；p 1932,1932,奈奎斯特奈奎

9、斯特，频域稳定性定理，频域稳定性定理 ；p 1948, 1948, 维纳维纳, ,控制论控制论(CYBERNETICS )(CYBERNETICS )，反馈的概念，标志着，反馈的概念，标志着控制论的正式诞生。控制论的正式诞生。 (控制论的三要素：信息、反馈和控制控制论的三要素：信息、反馈和控制) 绪绪 论论n 20世纪控制科学与技术的若干重要发展时世纪控制科学与技术的若干重要发展时期：期：p 20世纪初的世纪初的Lyapunov稳定理论和稳定理论和PID控制控制律律p 20年代的反馈放大器年代的反馈放大器p 30年代的年代的Nyquist与与Bode图图p 40年代维纳的控制论年代维纳的控制论

10、控制理论发展的三个时期n (1) (1)经典控制理论时期经典控制理论时期(19(19世纪世纪20-6020-60年代年代) )p 大工业生产与军事技术发展的需要大工业生产与军事技术发展的需要 第二次世界大战第二次世界大战, ,飞机飞机高射炮雷达跟踪系统高射炮雷达跟踪系统 p 代表人物：代表人物：E.J.Routh, A. Hurwitz,E.J.Routh, A. Hurwitz, H.Nyquist, H.Nyquist, H.W.Bode, W.R.EvansH.W.Bode, W.R.Evansp 核心概念：反馈、稳定性核心概念：反馈、稳定性 p 数学工具：传递函数与频率特性数学工具：传

11、递函数与频率特性 ，频率分析方法，频率分析方法绪绪 论论n 自动调节装置在大规模应用中自动调节装置在大规模应用中“暴露暴露”出需要研究的理论问出需要研究的理论问题。题。n 18681868年，仅英国本土运行的年，仅英国本土运行的7500075000台瓦特调速器中，大部分出台瓦特调速器中，大部分出现现“剧烈振荡剧烈振荡”而不能正常运行。而不能正常运行。n 解决瓦特调速器中出现的解决瓦特调速器中出现的“不稳定不稳定”问题，成为控制技术领问题，成为控制技术领域提出的第一个理论问题。域提出的第一个理论问题。n 18681868年，英国物理学家马克斯威尔发表论文年，英国物理学家马克斯威尔发表论文论调速器

12、论调速器，为瓦特调速器的不稳定振荡现象提供理论解释和解决途径。为瓦特调速器的不稳定振荡现象提供理论解释和解决途径。n 18761876年，俄国机械学家维什涅格拉斯基发表年，俄国机械学家维什涅格拉斯基发表论调节器的一论调节器的一般理论般理论的论文，形成分析调节器行为和稳定性的一般理论。的论文，形成分析调节器行为和稳定性的一般理论。n 对于反馈的这种基础性的研究促使控制作为一门学科发展的对于反馈的这种基础性的研究促使控制作为一门学科发展的开端。开端。绪绪 论论n 2020世纪初叶，美国兴起长途电话通讯革命。世纪初叶，美国兴起长途电话通讯革命。n 19151915年，贝尔系统完成连接纽约到旧金山横跨

13、美洲大陆的年，贝尔系统完成连接纽约到旧金山横跨美洲大陆的30003000哩的试验通话线；哩的试验通话线；19281928年，贝尔实验室布莱克发明反馈年，贝尔实验室布莱克发明反馈放大器投入应用，使高性能的长途电话通讯成为现实。放大器投入应用，使高性能的长途电话通讯成为现实。n 长途电话运行中反馈放大器大多出现长途电话运行中反馈放大器大多出现“嗡嗡作鸣嗡嗡作鸣”表现的不表现的不稳定振荡，使得解决这类新形式的振荡成为推动控制理论发稳定振荡，使得解决这类新形式的振荡成为推动控制理论发展的新问题。展的新问题。n 19321932年，贝尔实验室的乃魁斯特提出反馈放大器稳定性的频年，贝尔实验室的乃魁斯特提出

14、反馈放大器稳定性的频率特性判据，同时使得基于传递函数和频率特性的分析综合率特性判据，同时使得基于传递函数和频率特性的分析综合方法得到极大发展。方法得到极大发展。n 经典控制理论形成的一个里程碑标志。经典控制理论形成的一个里程碑标志。绪绪 论论n 第二次世界大战期间，为解决战时紧迫问题，控制科学与技术第二次世界大战期间，为解决战时紧迫问题，控制科学与技术得到极大进展，在高射炮、炸弹瞄准器、舰船、航空、机械等得到极大进展，在高射炮、炸弹瞄准器、舰船、航空、机械等领域，相继设计制造了一大批高精度的自动控制系统，显示了领域，相继设计制造了一大批高精度的自动控制系统，显示了控制的强大威力。控制的强大威力

15、。n 19501950年代前后，基于战时发展起来的控制技术和其后的大量应年代前后，基于战时发展起来的控制技术和其后的大量应用实践，导致以用实践，导致以“针对单输入单输出系统针对单输入单输出系统”和和“基于频率域基于频率域方法方法”为特征的经典控制理论的形成。为特征的经典控制理论的形成。n 19481948年美国学者伊文思进一步引入根轨迹法以分析和综合单输年美国学者伊文思进一步引入根轨迹法以分析和综合单输入单输出控制系统。入单输出控制系统。n 几乎同时，前苏联学者将对数频率特性图解法系统地引入于控几乎同时，前苏联学者将对数频率特性图解法系统地引入于控制系统的性能分析和校正装置综合。制系统的性能分

16、析和校正装置综合。n 这一切标志着经典控制理论开始走向成熟。这一切标志着经典控制理论开始走向成熟。控制理论发展的三个时期n (1) (1)经典控制理论时期经典控制理论时期(19(19世纪世纪20-6020-60年代年代) )p 应用领域：工业、农业、军事、航空、航海、应用领域：工业、农业、军事、航空、航海、交通、核能、导弹制导等交通、核能、导弹制导等 p 成套设备或标准化产品成套设备或标准化产品 单回路调节器单回路调节器 PIDPID控制器控制器 计算机控制系统计算机控制系统控制科学的诞生与发展n 经典控制部分经典控制部分自动控制原理自动控制原理对象主要是单输入单输出系统对象主要是单输入单输出

17、系统（SISOSISO），单回路系统），单回路系统 。 背景背景单回路调节器、单回路调节器、PIDPID控制器控制器控制理论发展的三个时期p 不足之处：不足之处： 传递函数是定常参数模型传递函数是定常参数模型 单输入单输入-单输出关系，难以应用于复杂系统的控制单输出关系，难以应用于复杂系统的控制 传递函数描述外部信号之间的关系，反映受控对象的端传递函数描述外部信号之间的关系，反映受控对象的端口关系口关系 ，控制器的设计基于端口等价，而不是基于系统，控制器的设计基于端口等价，而不是基于系统实际结构实际结构 控制器设计，频率法与根轨迹法主要利用作图来完成的控制器设计，频率法与根轨迹法主要利用作图来

18、完成的试凑法或修正法（系统校正或校正器设计的由来）。不试凑法或修正法（系统校正或校正器设计的由来）。不可能全面综合地考虑对象与控制器的结构而设计出目标可能全面综合地考虑对象与控制器的结构而设计出目标更明确的，性能更优的控制系统更明确的，性能更优的控制系统控制理论发展的三个时期p 不足之处：不足之处： 性能指标，如时域性能指标中的超调量，过渡时间等；性能指标，如时域性能指标中的超调量，过渡时间等；频域性能指标中的相位裕度，截止频率等。无论从描述频域性能指标中的相位裕度，截止频率等。无论从描述方法，或从实际意义上均缺乏明确与系统相关的含义，方法，或从实际意义上均缺乏明确与系统相关的含义，或者说基于

19、上述性能指标设计的系统不是最优的。或者说基于上述性能指标设计的系统不是最优的。p 自动控制理论发展的初期水平自动控制理论发展的初期水平p 经典控制理论的局限性经典控制理论的局限性 难以有效地应用于时变系统、多变量系统难以有效地应用于时变系统、多变量系统 难以有效地应用于非线性系统。难以有效地应用于非线性系统。控制理论发展的三个时期n (2) (2)现代控制理论时期现代控制理论时期(19(19世纪世纪50-7050-70年代年代) )p 大工业发展的需求与第二次世界大战中军事技术需大工业发展的需求与第二次世界大战中军事技术需求的刺激求的刺激 石油化工，军事武器系统，石油化工，军事武器系统，计算机

20、计算机 、空间技术空间技术 p 线性代数和微分方程线性代数和微分方程p 核心概念核心概念: : 状态空间描述，稳定性，能控能观性，状态空间描述，稳定性，能控能观性，最优化最优化控制理论发展的三个时期n 20世纪控制科学与技术的若干重要发展时世纪控制科学与技术的若干重要发展时期：期：p 50年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极年代贝尔曼动态规划理论和庞特里亚金极大值原理大值原理p 60年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系年代卡尔曼滤波器、系统状态空间法、系统能控性和能观性统能控性和能观性p 70年代的自校正控制和自适应控制年代的自校正控制和自适应控制p 80年代针对系统不确定状况的鲁棒控制年代针

21、对系统不确定状况的鲁棒控制p 90年代基于智能信息处理的智能控制理论年代基于智能信息处理的智能控制理论控制理论发展的三个时期n 19501950年前后，航天技术革命成为控制论发展的新的动力。年前后，航天技术革命成为控制论发展的新的动力。 19571957年，苏联发射第一颗人造卫星。年，苏联发射第一颗人造卫星。 19691969年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。年，美国阿波罗载人宇宙飞船登陆月球。p 这些成就都与控制理论和技术的发展紧密相关。这些成就都与控制理论和技术的发展紧密相关。n 19501950年代中期，适应航天技术的需要，控制论相继出现三项年代中期，适应航天技术的需要，控制论相继出现

22、三项影响重大的突破。影响重大的突破。p 19561956年，苏联数学家庞特里亚金创立年，苏联数学家庞特里亚金创立“极大值原理极大值原理”，美国数学家贝，美国数学家贝尔曼创立尔曼创立“动态规划动态规划”，为最优控制提供有效的理论工具。，为最优控制提供有效的理论工具。19601960年，年，美国应用数学家卡尔曼创立美国应用数学家卡尔曼创立“卡尔曼滤波卡尔曼滤波”，成功地解决了带有随机，成功地解决了带有随机噪声的信号中信号的恢复问题。噪声的信号中信号的恢复问题。n 19601960年左右，基于这个年左右，基于这个“三项标志性结果三项标志性结果”，开始形成以，开始形成以“针对多输入多输出系统针对多输入

23、多输出系统”和和“最优控制最优控制”为特征的为特征的“现现代控制理论代控制理论”，控制论进入现代控制理论阶段。，控制论进入现代控制理论阶段。控制理论发展的三个时期19691969年年 美国美国 阿波罗登月阿波罗登月Thats one small step foraman, one giant leap for mankind.阿姆斯特朗、科林斯、奥尔德林控制理论发展的三个时期n (2) (2)现代控制理论时期现代控制理论时期(19(19世纪世纪50-7050-70年代年代) )p 代表人物代表人物 贝尔曼贝尔曼 动态规划方法动态规划方法 全面，深入地解释了最优控制问题。全面，深入地解释了最优控

24、制问题。 庞特里亚金庞特里亚金 极大值原理极大值原理 将基于泛函极值的最优控制问题提高到一个新的理论高度，有效地解将基于泛函极值的最优控制问题提高到一个新的理论高度，有效地解决了约束优化控制问题。决了约束优化控制问题。 卡尔曼卡尔曼 基于状态空间法的系统描述方法和系统结构分析方法基于状态空间法的系统描述方法和系统结构分析方法 如能控性、能观测性等，以及应用于随机系统的卡尔曼滤波器如能控性、能观测性等，以及应用于随机系统的卡尔曼滤波器控制理论发展的三个时期p 现代控制理论的研究对象为多输入多输出系统现代控制理论的研究对象为多输入多输出系统（MIMOMIMO） 应用：从工业到社会生活的各个领域应用

25、：从工业到社会生活的各个领域控制理论发展的三个时期系统分类系统分类控制理论发展的三个时期控制系统控制系统研究内容研究内容控制理论发展的三个时期n 现代控制理论的基本内容现代控制理论的基本内容p 线性系统理论线性系统理论 （状态空间描述、能控性，能观性，稳定性，状态反馈）（状态空间描述、能控性，能观性，稳定性，状态反馈）p 系统建模和系统辨识系统建模和系统辨识 （参数估计问题，系统辨识问题）（参数估计问题，系统辨识问题）p 最优滤波理论最优滤波理论 （通过统计方法获得有用信号的最优估计，卡尔曼滤波）（通过统计方法获得有用信号的最优估计，卡尔曼滤波）控制理论发展的三个时期n 现代控制理论的基本内容

26、现代控制理论的基本内容p 最优控制最优控制 （限制条件，性能指标，一定意义下的最优，（限制条件，性能指标，一定意义下的最优，庞特里亚金，极大值原理）庞特里亚金，极大值原理）p 自适应控制自适应控制 （模型参考自适应，自校正控制）（模型参考自适应，自校正控制）p 随机控制随机控制p 鲁棒控制鲁棒控制经典和现代控制理论比较研究研究对象对象描述描述模型模型数学数学工具工具常用分常用分析方法析方法目标目标局限性局限性经经典典控控制制理理论论单输单输入入单单输出线输出线性、定性、定常系统常系统传递传递函数函数微分方程，微分方程，拉普拉斯拉普拉斯变换，复变换，复变函数变函数时域分析法，时域分析法，频域分析

27、法频域分析法, ,根轨迹分析根轨迹分析法法反馈控制系统反馈控制系统的快速性、稳的快速性、稳定性及其精度定性及其精度 不能处理不能处理多变量、多变量、时变、时变、非线性非线性现现代代控控制制理理论论多输入多输入- -多输多输出时变、出时变、非线性非线性等系统等系统状态状态空间空间（一阶（一阶微分方微分方程组程组+ + 代数方代数方程）程）微分方程、微分方程、线性代数、线性代数、矩阵理论矩阵理论状态空间法、状态空间法、变分法、极变分法、极大值原理、大值原理、动态规划理动态规划理论论 稳定性、最优稳定性、最优化、鲁棒性等化、鲁棒性等 处理某些处理某些不确定性、不确定性、非线性困难非线性困难 ，不能处

28、理逻不能处理逻辑演化系统辑演化系统经典和现代控制理论比较n 数学模型是两者的一个数学模型是两者的一个重要区别重要区别。p 经典控制理论，一个经典控制理论，一个高阶微分方程高阶微分方程p 现代控制理论，现代控制理论，状态空间法状态空间法，即一组状态变量的，即一组状态变量的一阶微分一阶微分方程组方程组。n 白箱黑箱白箱黑箱p 经典控制理论只能描述系统的经典控制理论只能描述系统的输入与输出的关系输入与输出的关系，却不能，却不能描述系统内部的结构及其状态变量，是一个描述系统内部的结构及其状态变量，是一个黑箱黑箱系统系统。p 现代控制理论不但能描述系统输入与输出的关系，而且还现代控制理论不但能描述系统输

29、入与输出的关系，而且还能能完全描述内部的结构及其状态变量的关系完全描述内部的结构及其状态变量的关系，是一个，是一个白白箱箱系统系统。n 现代控制理论能够描述更多的系统信息，所以可以实现代控制理论能够描述更多的系统信息，所以可以实现更好的系统控制。现更好的系统控制。 控制理论发展的三个时期n (3) (3) 智能控制理论时期智能控制理论时期(19(19世纪世纪8080年代年代-) -)p 将人工智能方法用于系统的控制将人工智能方法用于系统的控制 p 代表人物：代表人物：L.A.ZadehL.A.Zadehp 特点：特点： 不依赖于确定性的传递函数模型或者状态空间模型来构不依赖于确定性的传递函数模

30、型或者状态空间模型来构造控制器，而是在机器学习条件下基于知识的控制决策。造控制器，而是在机器学习条件下基于知识的控制决策。对于灰对于灰/黑箱控制对象，也可以通过智能系统的学习功能黑箱控制对象，也可以通过智能系统的学习功能实现控制。实现控制。 对于难以使用数学模型描述的系统也能够实现基于学习对于难以使用数学模型描述的系统也能够实现基于学习的控制。的控制。 控制理论发展的三个时期n (3) (3) 智能控制理论时期智能控制理论时期(19(19世纪世纪8080年代年代-) -)p 背景：信息革命时代背景：信息革命时代p 方法：方法： 人工神经元网络人工神经元网络 模糊集合理论模糊集合理论 （模糊控制

31、器（模糊控制器 ） 粗糙集合理论粗糙集合理论 智能优化算法：遗传算法智能优化算法：遗传算法 p 应用：从工业到社会生活的各个领域应用：从工业到社会生活的各个领域自动控制的应用举例n 航空航天和运输航空航天和运输p 商用飞机商用飞机p 导弹导弹p 先进战机先进战机p 运载火箭运载火箭p 人造卫星人造卫星自动控制的应用举例航空航天和运输F-18飞机，第一种运用遥控自动驾驶仪技术的军用飞机飞机，第一种运用遥控自动驾驶仪技术的军用飞机 自动控制的应用举例航空航天和运输具有遥控自动驾驶仪的波音具有遥控自动驾驶仪的波音777飞机飞机 自动控制的应用举例航空航天和运输美国美国X-45（UCAV）无人飞行器）

32、无人飞行器自动控制的应用举例n 适合于制造业的控制系统适合于制造业的控制系统p 汽车汽车p 数控机床数控机床p 集成电路集成电路p 通过计算机控制进行精确定位和装配的机器通过计算机控制进行精确定位和装配的机器自动控制的应用举例制造业n希捷公司希捷公司(Seagate )的的Barracuda 36ES2磁盘驱动器磁盘驱动器 自动控制的应用举例n 机器人技术和智能机械机器人技术和智能机械p 运动能力运动能力p 理解复杂的传感器输入信息理解复杂的传感器输入信息p 推理推理p 协作协作自动控制的应用举例机器人技术n 火星旅居者火星旅居者 机器人机器人(The (The Mars Mars Sojou

33、rner Sojourner rover)rover)n 19971997年年7 7月，月，在火星运动在火星运动8383天并且传回火天并且传回火星的实况图片星的实况图片 自动控制的应用举例机器人技术n 索尼索尼AIBO娱乐机器狗娱乐机器狗 自动控制的应用举例n 生物学和医学生物学和医学p 基因调控和信号传递网络基因调控和信号传递网络p 荷尔蒙、免疫以及心血管的反馈机制荷尔蒙、免疫以及心血管的反馈机制 p 肌肉的控制和运动肌肉的控制和运动 自动控制的应用举例医学n 哺哺乳乳动动物物细细胞胞的的生生长长信信号号作作用用图图 自动控制的应用举例n 工业过程控制系统工业过程控制系统p 化工行业化工行业

34、p 锅炉设备的压力和温度控制系统锅炉设备的压力和温度控制系统n 控制系统通过监控数以千计传感器信号，控制系统通过监控数以千计传感器信号，并对数以千计的阀门、加热器、泵及其并对数以千计的阀门、加热器、泵及其它的传动装置进行相应的调节，以保证它的传动装置进行相应的调节，以保证产品质量产品质量 自动控制的应用举例n 信息与网络信息与网络 p 通信系统：电话系统、移动电话、互联网通信系统：电话系统、移动电话、互联网n 控制系统调节发射机和中继器的信号功率电平，控制系统调节发射机和中继器的信号功率电平，管理网络路由设备的信息包缓冲器，并根据不管理网络路由设备的信息包缓冲器，并根据不同的传输线特性自适应的

35、消除噪声同的传输线特性自适应的消除噪声n 控制在这样的互连系统中是必不可少的，它们控制在这样的互连系统中是必不可少的，它们在不确定的情况下提供高性能，高置信度，以在不确定的情况下提供高性能，高置信度，以及可重组的作业。及可重组的作业。 自动控制的应用举例信息与网络 n 加利福尼加利福尼亚的电力亚的电力网络系统网络系统 自动控制的应用举例信息与网络 p NSFNET互联网的互联网的中枢网络中枢网络系统系统自动控制的应用举例n 自动控制技术的应用范围已扩展到自动控制技术的应用范围已扩展到生物生物、医学医学、环境环境、经济管理经济管理和其它许多和其它许多社会生社会生活活领域中，自动控制已成为现代社会

36、活动领域中，自动控制已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。中不可缺少的重要组成部分。控制理论的应用领域n 军事应用军事应用p 火力控制：火力控制： 机载火力控制；机载火力控制； 舰载火力控制；舰载火力控制； 反坦克导弹控制；反坦克导弹控制； 反导弹防御火力控制。反导弹防御火力控制。p 自动跟踪控制：自动跟踪控制： 高精度地连续跟踪并测量运动目标如车辆、舰船、飞机、导弹、高精度地连续跟踪并测量运动目标如车辆、舰船、飞机、导弹、卫星的轨迹参数。卫星的轨迹参数。p 武器装备的精确制导：武器装备的精确制导： 战术巡航导弹，洲际弹道式导弹战术巡航导弹，洲际弹道式导弹 海湾战争、无人机、斩首行动海湾

37、战争、无人机、斩首行动控制理论的应用领域n 冶金自动化：高炉、转炉、连铸、连轧等的控制。冶金自动化：高炉、转炉、连铸、连轧等的控制。n 化工自动化：加热炉、换热器、蒸馏塔、化学反应器等的控化工自动化：加热炉、换热器、蒸馏塔、化学反应器等的控制。制。n 电力自动化：锅炉、汽轮机、发电机、电网等的控制，灾变电力自动化：锅炉、汽轮机、发电机、电网等的控制，灾变下的紧急控制和解列控制。下的紧急控制和解列控制。n 制造自动化：数控机床、工业机器人（焊接，喷漆，装配）、制造自动化：数控机床、工业机器人（焊接，喷漆，装配）、自动化仓库、自动化生产线、计算机集成制造系统自动化仓库、自动化生产线、计算机集成制造

38、系统CIMSCIMS等。等。n 核反应堆控制：提高系统的安全性和经济性。核反应堆控制：提高系统的安全性和经济性。n 其他：造纸生产自动化、水泥生产自动化、印染生产自动化、其他：造纸生产自动化、水泥生产自动化、印染生产自动化、纺织自动化，各种自动控制的家用电器，家庭自动化等。纺织自动化，各种自动控制的家用电器，家庭自动化等。控制理论的应用领域n 航天航空航天航空p 航天的惊人成就航天的惊人成就 阿波罗飞船到月球的最优轨线导航和软着陆；阿波罗飞船到月球的最优轨线导航和软着陆； 海盗号飞行器在距离地球海盗号飞行器在距离地球4700047000万公里的火星准确实现软着陆；万公里的火星准确实现软着陆；

39、20042004年，勇气号和机遇号相继在火星上登陆和运行；年，勇气号和机遇号相继在火星上登陆和运行； 各种人造卫星，行星探测器，运载火箭，航天飞机，航天遥测和各种人造卫星，行星探测器，运载火箭，航天飞机，航天遥测和遥控，都是控制在航天技术发展过程中所建立的里程碑。遥控，都是控制在航天技术发展过程中所建立的里程碑。p 航空领域，控制是提高飞机性能和安全性的一个主要手段航空领域，控制是提高飞机性能和安全性的一个主要手段 自动驾驶仪、高性能喷气引擎的控制、旨在节约燃料的轨迹优化自动驾驶仪、高性能喷气引擎的控制、旨在节约燃料的轨迹优化控制等控制等 航空领域内控制的一个新成就：从提高飞行的机动性能出发，

40、航空领域内控制的一个新成就：从提高飞行的机动性能出发，F-F-1616和前掠翼型飞机和前掠翼型飞机X-29X-29被设计成是静不稳定的，控制系统必须不被设计成是静不稳定的，控制系统必须不停地运行才可稳定飞行器和向飞行员提供所需要的决策支持。停地运行才可稳定飞行器和向飞行员提供所需要的决策支持。控制论的深远影响n 控制论的成功应用极大地推动和提高了生产过控制论的成功应用极大地推动和提高了生产过程和军事技术的自动化和现代化。程和军事技术的自动化和现代化。n 控制论的广泛影响已经遍及和深入社会生活的控制论的广泛影响已经遍及和深入社会生活的众多领域和人类日常生活的一切方面。众多领域和人类日常生活的一切

41、方面。n 贯穿控制论的众多概念、原理和方法，已有效贯穿控制论的众多概念、原理和方法，已有效地采用于宏观经济、人口过程、生物与生命现地采用于宏观经济、人口过程、生物与生命现象、哲学和社会科学等领域。象、哲学和社会科学等领域。控制的对象：系统n 系统是由相互关联和作用的一些系统是由相互关联和作用的一些“部分部分”组成的具有某种功组成的具有某种功能的能的“整体整体”。 p 既可是具有特定属性的具体系统，既可是具有特定属性的具体系统，p 也可是作为也可是作为“自然系统自然系统”和和“人造系统人造系统”、“实体系统实体系统”和和“观念系观念系统统”的一般意义下的抽象系统。的一般意义下的抽象系统。n 系统

42、模型：对系统的简化和理想化的描述。系统模型：对系统的简化和理想化的描述。p 最常用的数学模型，表现为数学方程或数学关系。最常用的数学模型，表现为数学方程或数学关系。p 按系统机理和数学模型分类按系统机理和数学模型分类 “连续变量动态系统连续变量动态系统”，如线性系统，非线性系统，分布参数系，如线性系统，非线性系统，分布参数系统，随机系统等；统，随机系统等； “离散事件动态系统离散事件动态系统”； “混合动态系统混合动态系统”。n 控制机理：通过外部对系统的作用，或校正系统的组成部分控制机理：通过外部对系统的作用，或校正系统的组成部分及相互作用，使系统实现稳定、期望的性能、或性能优化。及相互作用

43、，使系统实现稳定、期望的性能、或性能优化。本课程的地位n 现代控制理论现代控制理论最基本的部分最基本的部分p 线性的线性的p 时不变的（定常）时不变的（定常）p 确定的确定的p 无时滞的无时滞的p 连续时间的连续时间的p 集中参数的集中参数的p 连续系统连续系统本课程的内容p 系统描述：状态空间模型系统描述：状态空间模型 多输入多输出复杂系统建模多输入多输出复杂系统建模 现代控制理论的出发点是状态空间法现代控制理论的出发点是状态空间法,用向量微分方程来用向量微分方程来描述动态系统的数学模型描述动态系统的数学模型,很适宜于处理多变量、时变、很适宜于处理多变量、时变、非线性、分布参数等大型复杂控制

44、系统的分析和设计问非线性、分布参数等大型复杂控制系统的分析和设计问题。题。 现代控制理论是研究大型复杂控制系统的理论基础。现代控制理论是研究大型复杂控制系统的理论基础。 p 系统分析：系统分析： 运动分析：微分方程的解运动分析：微分方程的解 结构分析：研究系统的结构分析：研究系统的能控性能控性、能观测性能观测性 稳定性分析：李雅普诺夫方法分析系统稳定性分析：李雅普诺夫方法分析系统稳定性稳定性本课程的内容p 系统设计（综合）：系统设计（综合）： 极点配置控制（极点配置控制（状态反馈、状态观测器状态反馈、状态观测器 ） 镇定控制镇定控制 解耦控制解耦控制 最优控制（时间最短、能耗最少，性能指标）最

45、优控制（时间最短、能耗最少，性能指标）p 状态估计状态估计 最小二乘估计最小二乘估计 卡尔曼滤波卡尔曼滤波本课程各章之间的联系在学习本课程时应注意n概念和定义的理解；概念和定义的理解；n方法和技巧的掌握；方法和技巧的掌握；n知识点之间联系的领会；知识点之间联系的领会；n标准型及其特点的记忆；标准型及其特点的记忆；n经典和现代控制理论的融合；nMATLAB的应用。的应用。课外阅读与作业n 阅读阅读p 自动控制发展的历程（视频）自动控制发展的历程（视频）p 信息爆炸时代的控制信息爆炸时代的控制p 从网上查找有关自动控制理论及其应用的其从网上查找有关自动控制理论及其应用的其他资料。他资料。附附 录录

46、n 飞球转速调节器飞球转速调节器原理图。原理图。n 瓦特（瓦特（J.WattJ.Watt）于于17691769年发明的年发明的用来控制蒸汽机用来控制蒸汽机转速的飞球控制转速的飞球控制器是首次应用于器是首次应用于工业的自控装置。工业的自控装置。n 瓦特与蒸汽机。瓦特与蒸汽机。17881788年，英国人瓦特发明离心式年，英国人瓦特发明离心式调速器，并把它与蒸气机阀门连调速器，并把它与蒸气机阀门连接起来，构成蒸气机转速的反馈接起来，构成蒸气机转速的反馈式自动控制系统，成为第一个大式自动控制系统，成为第一个大规模应用的自动控制装置。规模应用的自动控制装置。瓦特调速器满意的应用效果（瓦特调速器满意的应用

47、效果（ 能能耗降低耗降低3/43/4，热效率提高，热效率提高4 4至至6 6倍），倍），以及蒸汽机作为原动机在当时工以及蒸汽机作为原动机在当时工业生产中的极端重要的地位，使业生产中的极端重要的地位，使瓦特调速器迅速大规模推广，成瓦特调速器迅速大规模推广，成为推动第一次工业革命的重要技为推动第一次工业革命的重要技术。术。控制技术开始成为对推动社会生控制技术开始成为对推动社会生产发展具有重大影响的一种需要。产发展具有重大影响的一种需要。工业革命的标志是工业革命的标志是瓦特改良蒸汽机。瓦特改良蒸汽机。奈奎斯特奈奎斯特 nHarry Nyquist (1889 Harry Nyquist (1889

48、1976), 1976),美国著名物理学家、电气美国著名物理学家、电气 和通信专家、发明家，在远程通讯的理论和实践方面和通信专家、发明家，在远程通讯的理论和实践方面 做出了重大贡献。做出了重大贡献。n19271927年第一次定量解释热噪声年第一次定量解释热噪声(Johnson-Nyquist noise)(Johnson-Nyquist noise)， 偏差理论，可用于设计接收微弱信号的通讯系统。偏差理论，可用于设计接收微弱信号的通讯系统。n19281928年创立通过采样将连续信号转化为离散信号的奈年创立通过采样将连续信号转化为离散信号的奈 奎斯特奎斯特香农采样定理香农采样定理, ,为现代信息

49、理论和数据传输奠为现代信息理论和数据传输奠 定了基础。定了基础。n19281928年发现信道带宽和传输速率之间的关系，提出了年发现信道带宽和传输速率之间的关系，提出了 著名的奈奎斯特定理，在现代通信工程中有广泛应用。著名的奈奎斯特定理，在现代通信工程中有广泛应用。n发明残留边带传输系统，广泛地应用于电视广播中。发明残留边带传输系统，广泛地应用于电视广播中。n19321932年发现负反馈放大器的稳定性条件，提出著名的奈奎斯特稳定判据和年发现负反馈放大器的稳定性条件，提出著名的奈奎斯特稳定判据和奎斯特图，用于各种线性反馈系统的设计。他对于反馈放大器的研究被认奎斯特图，用于各种线性反馈系统的设计。他

50、对于反馈放大器的研究被认为是为是系统控制作为一门学科发展的开端系统控制作为一门学科发展的开端。n卓越的发明家，卓越的发明家，138138项美国专利，涉及电话、电报、图像传输系统、电测量、项美国专利，涉及电话、电报、图像传输系统、电测量、传输线均衡、回波抑制和保密通信等方面。传输线均衡、回波抑制和保密通信等方面。 维 纳 nNorbert WienerNorbert Wiener，(1894-1964)(1894-1964)，美国著名数学家，美国著名数学家， 控制论的创始人。控制论的创始人。n在数学领域的随机过程（特别是非线性随机过程理论和布朗在数学领域的随机过程（特别是非线性随机过程理论和布朗

51、 运动理论）、广义调和分析等方面做出了较大的贡献运动理论）、广义调和分析等方面做出了较大的贡献 。n第二次世界大战期间，从事防空火力的自动控制装置研究，第二次世界大战期间，从事防空火力的自动控制装置研究， 建立了著名的维纳滤波理论，用统计方法来处理控制工程和建立了著名的维纳滤波理论，用统计方法来处理控制工程和 通信工程问题。通信工程问题。n19481948年，发表名著年，发表名著 Cybernetics: or, Control and Communi- Cybernetics: or, Control and Communi- cation in the Animal and the Mac

52、hine cation in the Animal and the Machine ，控制论的创始人。，控制论的创始人。n人有人的用处人有人的用处控制论与社会控制论与社会，神经、大脑和记忆模神经、大脑和记忆模 型型(2(2卷卷) )，神经控制论神经控制论和和生物控制论进展生物控制论进展(3(3卷卷) )。 维纳用统一的数学观点考察通信、计算机和人类的思维活动，维纳用统一的数学观点考察通信、计算机和人类的思维活动， 提出了自动化工厂、机器人、由数字电子计算机控制的装配线等新概念，促进了提出了自动化工厂、机器人、由数字电子计算机控制的装配线等新概念，促进了通信、计算机、机器人和人工智能等理论的发展

53、。通信、计算机、机器人和人工智能等理论的发展。 n美国科学院院士，美国数学会副主席。美国科学院院士，美国数学会副主席。n为了纪念维纳，为了纪念维纳，19671967年设立了维纳应用数学奖（年设立了维纳应用数学奖（Norbert Wiener Prize in Norbert Wiener Prize in Applied MathematicsApplied Mathematics）。）。19871987年设立了维纳社会和职业责任奖（年设立了维纳社会和职业责任奖（Norbert Wiener Norbert Wiener Award for Social and Professional Re

54、sponsibilityAward for Social and Professional Responsibility）。）。 维 纳 贝尔曼贝尔曼 nRichard Bellman, (1920Richard Bellman, (19201984),1984),美国著名应用数学家，美国著名应用数学家， 动态规划的发明人。以创纪录的三个月时间获得普林动态规划的发明人。以创纪录的三个月时间获得普林 斯顿大学的博士学位斯顿大学的博士学位 。n19531953年提出动态规划方法，是多阶段决策过程理论研年提出动态规划方法，是多阶段决策过程理论研 究的重大突破。同年发表究的重大突破。同年发表“微分方程组的稳定性理论微分方程组的稳定性理论” 被认为是该领域的经典著作之一。被认为是该领域的经典著作之一。n19561956年发表年发表“动态规划理论在控制过程中的应用动态规划理论在控制过程中的应用”， 提出了寻求最优控制的动态规划方法。他在准线形化提出了寻求最优控制的动态规划方法。他在准线形化 及其在系统辨识方面的应用研究对非线性系统的研究及其在系统辨识方面的应用研究对非线性系统