北科现代控制理论课件全

1、,现代控制理论,北京科技大学 机械工程学院 周晓敏,参考书,参考书之一 现代控制理论 俞立 编著 清华大学出版社 2007年5月 参考书之二 现代控制理论 刘豹 唐万生 主编 机械工业出版社 2006年9月 或其他近年来出版的 现代控制理论 教材,主要内容,概述 1 控制系统的状态空间模型 2 系统的运动分析 3 能控性和能观性分析 4 系统的稳定性分析 5 状态反馈控制器设计 6 状态观测器设计 7 线性二次型最优控制,预备知识或先修课程,1)自动控制理论 2)线性代数 3) MATLAB/Simulink,速度控制系统,速度控制系统,速度设定,增加,转速下降,增加,控制系统的例子,系统框图

2、,扰动,偏差,控制系统的例子,控制系统的例子,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,绪论,洗衣机智能控制,电冰箱温度控制,绪论,绪论,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,在现代机械制造业和工业生产过程中以及航空航天，军事等广阔领域，自动控制都起着至关重要的作用. 根据发展过程,自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论两大部分. 20世纪40年代至50年代中期,以传递函数描述系统的自控理论称为经典控制理论; 大致从20世纪50年代末发展起来的以状态空间模型描述系统的自控理论称为现代控制理

3、论.,绪论,随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。,瓦特,绪论,1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。,马克斯韦尔（J.C.Maxwell）,绪论,1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。,赫尔维茨（Hurwitz）

4、,绪论,由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态 准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。,奈奎斯特,1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。,绪论,1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论关于在动物和机器中控制与通讯的科学，书中论述了控制理论的一般方法，

5、推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。,控制论之父韦纳,绪论,经典控制理论的特点,“经典控制理论”的内容是以传递函数为基础，以频率法和根轨迹法作为分析和综合系统基本方法，主要研究单输入，单输出这类控制系统的分析和设计问题。,绪论,经典控制理论的不足和局限性1）经典控制理论基本只限于研究线性时不变系统;2）经典控制理论主要适用于单输入单输出系统,基于系统的输出/输入描述,忽略了系统结构的内在性质;3）经典控制理论采用试探法设计系统,根据经验选用合适的,较简单的,工程上易于实现的控制器,然后检验系统的品质指标是否都能满足进行修改,往往依靠设计人员的经验,而不是直接从理论上给出最佳的系统化

6、的设计方案.,绪论,现代控制理论,现代控制理论以状态空间法为基础，不仅可以分析和研究单输入-单输出（SISO)系统，更主要用来分析和研究多输入-多输出(MIMO)、时变、非线性等系统的最优控制、最优滤波、系统辨识、自适应控制等复杂问题,绪论,五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。,1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。,卡尔曼,绪论,1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。,庞特里亚金 L.S.Pontryagin,绪论,2

7、0世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。,朗道 L.D.Landau,与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。,绪论,我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论。,不要失去信心,只要坚持不懈,就终会有成果的。 正确的结果，是从大量错误中得出来的；没有大量错误作台阶，也就登不上最后正确结果的高座。 高等学校的学习，是打基础的时期，应该强调学好基础课程。 常常是最后一把钥匙打开了门。,被誉为“中国航天之父”、“中国导弹之父”、“中国自动化控制之父

8、”和“火箭之王”。,绪论,绪论,一些现代控制理论应用的例子,绪论,导弹稳定控制,空空导弹稳定控制,地空导弹稳定控制,一些现代控制理论应用的例子,绪论,航天器控制,月球车控制,卫星控制,一些现代控制理论应用的例子,绪论,机器人控制,空间机器人控制,足球机器人控制,勇气号在火星上工作,一些现代控制理论应用的例子,绪论,2003年6月10日，名为“勇气”的火星登陆探测器从美国的卡纳维拉尔角空军基地发射升空,2004年1月3日着陆火星表面,2009年5月，在通过特洛伊沙地时，车轮陷入软土，勇气号无法动弹，几次解救行动但都失败。 2010年1月26日NASA宣布放弃拯救，勇气号从此转为静止观测平台。 2

9、011年3月22日，NASA最后一次联络上勇气号；2011年5月25日，NASA在最后一次尝试联络后结束勇气号的任务。,好奇号火星探测车,绪论,美国第四个火星探测器，也是第一辆采用核动力驱动的火星车，其使命是探寻火星上的生命元素。2011年11月26日23时2分，好奇号火星探测器发射成功，顺利进入飞往火星的轨道。2012年8月6日成功降落在火星表面，展开为期两年的火星探测任务。,中国火星探测车,绪论,第十届中国国际航空航天博览会首次亮相。计划在2020年实现火星着陆巡视，在2030年实现火星采样返回。,神十飞船与天宫一号交会对接成功,绪论,美国正在研制的高超音速X-51A全球快速打击武器(B5

10、2机翼下所挂的白色高超音速巡航导弹),绪论,X-51的弹体由镍合金制成，长度为3.5米，是一种尺寸标准的“空对地”导弹。据估计，该弹的飞行速度将达到大约6000千米/小时，可在20分钟内从阿拉伯海飞到阿富汗。X-51由波音公司和普拉特-惠特尼公司共同为美国空军科研实验室研制。,仿人机器人,绪论,工业机器人,绪论,宽带钢热连轧机,宽带钢热连轧机热轧带钢热轧薄板,宽带钢冷连轧机冷轧带钢冷轧薄板,绪论,本门课程特点,讲述控制理论的同时注重介绍实用方法; 尽量多应用MATLAB/Simulink软件工具,使大家易于理解,也便于今后实际应用。 32学时。其中讲授30学时,考试2学时; 评分标准:考试占8

11、0分,平时作业占20分. 课件邮箱: moderncontrol_me password：ustbme2014,绪论,Thank you,瓦特JamesWatt,（JamesWatt,17361819）英国发明家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1753年他在家钟表店学手艺。15岁学完了物理学原理并获得了丰富的木工、金属冶炼和加工等工艺技术。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。1768年他制成了

12、一台单动作蒸汽机 。1781年，他发明了行星式齿轮，将蒸汽机活塞的往运动变为旋转运动 1782年他发明了大动力的“双动作蒸汽机”并获得专利 1784年他发明了平行运动连杆机构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了蒸汽机配套用压力计。,绪论,奈奎斯特,奈奎斯特，美国物理学家，1889年出生在瑞典。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年1934年在AT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作，在热噪声(Johns

13、on-Nyquist noise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献他早期的理论性工作关于确定传输信息的需满足的带宽要求，在贝尔系统技术期刊上发表了影响电报速度传输速度的因素文章，为后来香农的信息论奠定了基础。 1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了电报传输理论的一定论题。,绪论,维纳,维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4岁开始读书。9岁时读中学，11岁进人大

14、学学习他的数学知识已超过大学一年级学生的水平，所以转而热衷于研究化学、物理、电学了。他18岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。 维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命中率问题。维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是采用了一种叫“反馈”的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研究，发现机器和人的控制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨论，听取对方的批评意见，甚

15、至是“攻击”意见，终于于1948年把自己的研究成果发表了出来，叫控制论。,绪论,1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems（线性滤波与预测问题的新方法）。,卡尔曼,卡尔曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕士学位。,绪论,钱学森,钱学森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中国共产党，博士学位。 1929年至1934年在上海交通大学机械工程系学习。1935年至1939年在美国麻省理工学院航空工程系学习，获硕士学位。1936年至1939年在美国加州理工学院航空与数学系学习，获博士学位。1939年至1943年任美国加州理工学院航空系研究员。1943年至1945年任美国加州理工学院航空系助理教授（其间：1940年至1945年为四川成都航空研究所通信研究员）。1945年至1946年任美国加州理工学院航空系副教授。1946年至1949年任美国麻省理工学院航空系副教授、空气动力学教授。1949年至1955年任美国加州理工学院喷气推进中心主任、教授。,绪论,1955年回国。历任中