控制理论的发展及应用课件

控制理论的发展及应用控制理论的发展及应用王晶王晶BeijingUniversityofChemicalTechnology内容内容控制论简介控制论简介自动控制理论与技术的早期发展自动控制理论与技术的早期发展控制理论各阶段的特点控制理论各阶段的特点控制理论的进一步发展控制理论的进一步发展历史的思考历史的思考新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展一一 控制论简介控制论简介研究各类系统的调节和控制规律的科学研究各类系统的调节和控制规律的科学它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门综合性学科。成的一门综合性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。理和方法。Cybernetics，希腊语，原意为希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的管理、指挥、监督等多方面的涵义涵义19431943年底在纽约召开了关于信年底在纽约召开了关于信息、反馈问题的讨论会，参加息、反馈问题的讨论会，参加者中有生物学家、数学家、社者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家，从各自角会学家、经济学家，从各自角度对信息反馈问题发表意见。度对信息反馈问题发表意见。陆续举行的讨论会，对控制论陆续举行的讨论会，对控制论的产生起了推动作用。的产生起了推动作用。19481948年维纳发表年维纳发表控制论控制论，控制科学诞生。控制科学诞生。控制论创始人维纳控制论创始人维纳控制论的三个发展时期控制论的三个发展时期I I：上世纪：上世纪5050年代，经典控制论时期。年代，经典控制论时期。代表作：代表作：19481948年维纳发表年维纳发表控制论控制论 1954 1954年钱学森发表的年钱学森发表的工程控制论工程控制论。IIII：上世纪：上世纪6060年代，现代控制论时期。年代，现代控制论时期。控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适规划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。应系统等现代控制理论。IIIIII：上世纪：上世纪7070年代后：大系统理论时期。年代后：大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。制论发展。三部经典著作三部经典著作信息信息论论开端：开端：1948年香年香农农(C.E.Shannon)的的发发表在表在贝贝尔尔系系统统技技术杂术杂志志上的上的论论文文AMathematicalTheoryofCommunication控制控制论创论创立立:1948年年维纳维纳（N.Wienner）的）的经经典典论论著：著：CyberneticsorControlandCommunicationintheanimalandthemachines工程控制工程控制论论：1954年年钱钱学森学森(TsienHS)的著作的著作EngineeringCybernetics二二 自动控制技术的早期发展自动控制技术的早期发展数千年的数千年的历历史史“控制控制”：本身反映人：本身反映人们对们对征服自然与外在的渴望，征服自然与外在的渴望，“控制理控制理论论与技与技术术”也自然地在人也自然地在人类认识类认识自然与改造自然的自然与改造自然的历历史中史中发发展；展；具有反具有反馈馈控制原理的控制装置：古代的控制原理的控制装置：古代的计时计时器器“水水钟钟”(“刻刻漏漏”，也叫，也叫“漏漏壶壶”)；公元前三世公元前三世纪纪中叶，中叶，亚历亚历山大里山大里亚亚城的城的Ctesibius首先在受水首先在受水壶壶中使用了浮子，具有中使用了浮子，具有负负反反馈馈的思想；的思想；北宋北宋时时期，期，苏颂苏颂等于等于1086年年-1090年在开封建成年在开封建成“水运水运仪仪象台象台”，相当准确地跟踪天体的运行；，相当准确地跟踪天体的运行；1765年俄国的波年俄国的波尔尔祖祖诺诺夫（夫（Polzunov）发发明了蒸汽机明了蒸汽机锅锅炉炉的水位自的水位自动调节动调节器（在俄国被器（在俄国被认为认为是世界上的第一个自是世界上的第一个自动调动调节节器）。器）。中国、古埃及和巴比伦人发明的中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置自动计时装置(公元前公元前1111世纪世纪)具有过程控制思想的提具有过程控制思想的提花织布机（明代）花织布机（明代）James James watwat发明的飞球调节器，发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（控制蒸汽机的转速（17691769年）年）PolzunovPolzunov发明的浮球调节器，发明的浮球调节器，用于水位控制（用于水位控制（17651765年）年）稳定性的早期发展稳定性的早期发展-1-1J.C.Maxwell是最早是最早对对反反馈馈控制系控制系统稳统稳定性定性进进行系行系统统分析，分析，OnGovernors（Proc.RoyalSocietyofLondon,1868），目前公），目前公认认的以反的以反馈馈控制控制为为其主要研究内容的第一其主要研究内容的第一篇理篇理论论论论文文导导出了出了调节调节器的微分方程，并在平衡点附近器的微分方程，并在平衡点附近进进行行线线性化性化处处理，指出理，指出稳稳定性取决于特征方程的根是否具有定性取决于特征方程的根是否具有负负的的实实部部。开创了控制理论研究的先河开创了控制理论研究的先河,文中还催促数学家们尽快地文中还催促数学家们尽快地解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难。性代来了困难。经典控制理论的发展经典控制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-2-2两年一次的两年一次的AdamsPrize奖奖授予在授予在该该委委员员会所会所选选科学主科学主题题方方面面竞竞争的最佳争的最佳论论文。文。1877年的主年的主题题是是“运运动动的的稳稳定性定性”。RouthEJ.ATreatiseontheStabilityofMotion（London:Macmillan,1877）获获1877年年AdamsPrize提出根据多提出根据多项项式的系数确定多式的系数确定多项项式在右半平面的根的数目。式在右半平面的根的数目。其意其意义义在于将当在于将当时时各种有关各种有关稳稳定性的孤立的定性的孤立的结论结论和非系和非系统统的的结结果果统统一起来，开始建立有关一起来，开始建立有关动态稳动态稳定性的系定性的系统统理理论论。经典控制理论的发展经典控制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-3-31895年，瑞士数学家年，瑞士数学家A.Hurwitz在不了解在不了解Routh工作的情工作的情况下，独立况下，独立给给出了根据多出了根据多项项式的系数决定多式的系数决定多项项式的根是否式的根是否都具有都具有负实负实部的另一种方法部的另一种方法(HurwitzA.Ontheconditionsunderwhichanequationhasonlyrootswithnegativerealparts.MathematischeAnnelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的条件同的条件同Routh的条件在本的条件在本质质上是一致的。因此上是一致的。因此这这一一稳稳定性判据定性判据现现在也被称在也被称为为Routh-Hurwitz稳稳定性判据定性判据。经典控制理论的发展经典控制理论的发展1892年，俄年，俄罗罗斯斯伟伟大的数学力学家大的数学力学家A.M.Lyapunov（1857-1918）发发表了其具有深表了其具有深远历远历史意史意义义的博士的博士论论文文TheGeneralProblemoftheStabilityofMotion提出了提出了为为当今学当今学术术界广界广为应为应用且影响巨大的用且影响巨大的李李亚亚普普诺诺夫方夫方法法，也即李，也即李亚亚普普诺诺夫第二方法或李夫第二方法或李亚亚普普诺诺夫直接方法。夫直接方法。这这一方法不一方法不仅仅可用于可用于线线性系性系统统，而且可用于非，而且可用于非线线性性时变时变系系统统的分析与的分析与设计设计。稳定性的早期发展稳定性的早期发展-4-4经典控制理论的发展经典控制理论的发展负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立-1-1在控制系统稳定性的代数理论建立之后，在控制系统稳定性的代数理论建立之后，19281928年年19451945年年以美国以美国AT&TAT&T公司公司Bell LabsBell Labs的科学家们为核心，又建立了的科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方法。控制系统分析与设计的频域方法。负反馈放大器负反馈放大器:1928:1928年，年，Harold Black(1898-1983)Harold Black(1898-1983)首先首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析了负反馈放大器并对其进行了数学分析经典控制理论的发展经典控制理论的发展反反馈馈放大器的振放大器的振荡问题荡问题：实实用化困用化困难难1932年，年，Nyquist发发表了包含著名的表了包含著名的“乃奎斯特判据乃奎斯特判据”(Nyquistcriterion)的的论论文，并在文，并在1934年加入了年加入了BellLabs。Black关于的关于的负负反反馈馈放大器的放大器的论论文文发发表在表在1934年，参考了年，参考了Nyquist的的论论文和他的文和他的稳稳定性判据。定性判据。同同时时，HendrikBode(1905-1982)开始开始对负对负反反馈馈放大器的放大器的设设计问题进计问题进行研究。行研究。1940年，年，Bode引入了引入了半半对对数坐数坐标标系系，使，使频频率特性的率特性的绘绘制工作更加适用于工程制工作更加适用于工程设计设计。负负反反馈馈放大器及放大器及频频域理域理论论的建立的建立-2经典控制理论的发展经典控制理论的发展负负反反馈馈放大器及放大器及频频域理域理论论的建立的建立-31925年，英国年，英国电电器工程器工程师师O.Heaviside，把把拉普拉斯拉普拉斯变换变换应应用到求解用到求解电电网网络络的的问题问题上。不久拉普拉斯上。不久拉普拉斯变换变换就被就被应应用到用到分析自分析自动调节动调节系系统问题统问题上，并取得了上，并取得了显显著成效。著成效。传递传递函数函数就是在拉普拉斯就是在拉普拉斯变换变换的基的基础础上引入的。上引入的。1942年，年，H.Harris引入引入传递传递函数函数的概念。用方框的概念。用方框图图、环节环节、输输入和入和输输出等信息出等信息传输传输的概念来描述系的概念来描述系统统的性能和关系，的性能和关系，从而把原来由研究反从而把原来由研究反馈馈放大器放大器稳稳定性而建立起来的定性而建立起来的频频率法率法抽象化，并更有普遍意抽象化，并更有普遍意义义。（把。（把对对具体物理系具体物理系统统，统统一用一用传递传递函数、函数、频频率响率响应应等抽象的概念来研究）等抽象的概念来研究）至至1945年，控制系年，控制系统设计统设计的的频频域方法，域方法，“波德波德图图”(Bodeplots)方法，已基本建立了。方法，已基本建立了。经典控制理论的发展经典控制理论的发展根轨迹法的建立根轨迹法的建立在在经经典控制理典控制理论论中，根中，根轨轨迹法占有十分重要的地位。它同迹法占有十分重要的地位。它同时时域法，域法，频频域法可称是三分天下。域法可称是三分天下。美美 国国 电电 信信 工工 程程 师师 W.R.Evans，两两 篇篇 论论 文文 GraphicalAnalysis of Control System(1948)和和Control SystemSynthesisbyRootLocusMethod(1950),基基本本建建立立了了根根轨轨迹法迹法的完整理的完整理论论。Evans所所从从事事的的是是飞飞机机导导航航和和控控制制，其其中中涉涉及及许许多多动动态态系系统统的的稳稳定定问问题题，因因此此又又回回到到70多多年年前前Maxwell和和Routh曾曾做做过过的的特特征征方方程程的的研研究究工工作作。但但Evans用用系系统统参参数数变变化化时时，特特征方程的根征方程的根变变化化轨轨迹来研究，开迹来研究，开创创了新的思了新的思维维和研究方法。和研究方法。经典控制理论的发展经典控制理论的发展脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-1-1随着随着计计算机技算机技术术的的诞诞生，脉冲控制理生，脉冲控制理论论迅速迅速发发展。展。重要重要贡贡献：献：Nyquist和和Shannon。Nyquist首先首先证证明把正弦明把正弦信号从它的采信号从它的采样值样值复复现现出来，每周期至少必出来，每周期至少必须进须进行两次采行两次采样样。香。香农农于于1949年完全解决了年完全解决了这这个个问题问题，Shannon采采样样定定理。理。线线性脉冲控制理性脉冲控制理论论以以线线性差分方程性差分方程为为基基础础，线线性差分方程性差分方程理理论论在三、四十年代中已逐步在三、四十年代中已逐步发发展起来。展起来。利用利用连续连续系系统统L变换变换同离散系同离散系统统L变换变换的的对应对应关系，奥关系，奥尔尔登登伯格和崔普金等人于伯格和崔普金等人于1944和和1948年分年分别别提出了提出了脉冲系脉冲系统统的的稳稳定判据定判据，即，即线线性差分方程的所有特征根性差分方程的所有特征根应应位于位于单单位位圆圆内。内。经典控制理论的发展经典控制理论的发展由于离散拉氏由于离散拉氏变换变换式是超越函数，崔普金又提出了用保角式是超越函数，崔普金又提出了用保角变换变换将将Z平面的平面的单单位位圆圆内部内部转换转换到新平面的左半面的方法，到新平面的左半面的方法，这样这样即可以使用即可以使用Routh-Hurwitz判据，又可将判据，又可将连续连续系系统统分分析的析的频频域方法引入离散系域方法引入离散系统统分析。分析。在在变换变换理理论论的研究方面，的研究方面，W.Hurewicz于于1947年最先引年最先引进进了一个了一个变换变换用于用于对对离散序列的离散序列的处处理。理。在此基在此基础础上，崔普金于上，崔普金于1949年，拉格年，拉格兹兹尼和扎德于尼和扎德于1952年年分分别别提出并定提出并定义义了了Z变换变换方法，大大方法，大大简简化了运算步化了运算步骤骤，并，并在此基在此基础础上上发发展起脉冲控制系展起脉冲控制系统统理理论论。脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-2-2经典控制理论的发展经典控制理论的发展回回顾顾脉冲控制理脉冲控制理论论的的发发展，尽管俄国的崔普金等都做出了不展，尽管俄国的崔普金等都做出了不可磨可磨灭灭的的贡贡献，但建立脉冲理献，但建立脉冲理论论的的许许多工作都是由多工作都是由美国哥美国哥伦伦比比亚亚大学的拉格大学的拉格兹兹尼和他的博士生尼和他的博士生们们完成的。他完成的。他们们包括包括朱里朱里（离散系（离散系统稳统稳定的朱里判据，能定的朱里判据，能观测观测性与能达性，分析与性与能达性，分析与设设计计工具等），工具等），卡卡尔尔曼曼（离散状（离散状态态方法，能控性与能方法，能控性与能观观性等。性等。是自控界第二位是自控界第二位获获IEEEMedalofHonor者者(1974)），），扎德扎德（Z变换变换定定义义等。是第五位等。是第五位获获IEEEMedalofHonor者者(1995)）。）。五十年代末，脉冲系五十年代末，脉冲系统统的的Z变换变换法法已臻成熟，好几本教科已臻成熟，好几本教科书书同同时时出版。出版。脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-3-3经典控制理论的发展经典控制理论的发展控制史上重点人物控制史上重点人物WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman三三 控制理论各阶段的特点控制理论各阶段的特点经典控制理论：建立在频率法和根轨迹法基经典控制理论：建立在频率法和根轨迹法基础上础上数学工具：数学工具：拉氏变换拉氏变换研究对象：研究对象：单输入单输出的线性定常系统单输入单输出的线性定常系统研究方法：研究方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。行分析和设计，确定控制器的结构和参数。控制结构：控制结构：通常是采用输出负反馈控制，构成闭环控制系统。通常是采用输出负反馈控制，构成闭环控制系统。数学工具数学工具 线性微分方程和基于拉普拉斯变线性微分方程和基于拉普拉斯变 换的传递函数换的传递函数研究对象研究对象三大分析方法：三大分析方法：研究对象和范围有限研究对象和范围有限 单输入单输入单输出的线性定常系统单输出的线性定常系统时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法难于解决复杂问题，如时变，多变量等难于解决复杂问题，如时变，多变量等开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象开环控制系统开环控制系统特点：特点：缺点：缺点：最简单的控制方式最简单的控制方式 系统结构简单、维护容易、成本系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题低、不存在稳定性问题 信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路 输出量不能对控制量产生输出量不能对控制量产生 影响。影响。控制精度不高控制精度不高 系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差 对元器件的要求对元器件的要求 比较高比较高控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 反馈控制系统反馈控制系统 反馈通路反馈通路负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈控制系统一般采用负反馈 信号传递形成一个闭合回路信号传递形成一个闭合回路 输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号 自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构：设定值设定值r r控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f f被控变量被控变量y y反馈量反馈量 z z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e e控制变量控制变量u u经典控制论研究内容：经典控制论研究内容：系统模型系统模型 传递函数模型的建立传递函数模型的建立系系统统分分析析 系系统统时时域域分分析析；稳稳定定性性（劳劳斯斯稳稳定定判判据据）；稳稳态态偏偏差差；根根轨轨迹迹；频频率率特性分析特性分析系系统统综综合合 基基于于根根轨轨迹迹、频频率率特特性性进进行行控控制器设计。制器设计。现代控制理论现代控制理论从从时时间间域域内内系系统统地地讲讲述述用用来来分分析析和和综综合合线线性性系系统统的的状状态态空空间间方方法法。首首先先是是建建立立系系统统的的状状态态空空间间描描述述问问题题，然然后后在在状状态态空空间间描描述述的的基基础础上上讨讨论论系系统统的的运运动动规规律律，能能控控性性，能能观观性性和和稳稳定定性性理理论论，逐逐步步 阐阐明明系系统统的的结结构构特特性性，最最后后专专门门讨论讨论综合综合问题，包括极点配置，镇定，跟踪，解耦等。问题，包括极点配置，镇定，跟踪，解耦等。数学工具：数学工具：线性代数线性代数研究对象：研究对象：多输入多输出的线性定常系统多输入多输出的线性定常系统研究方法：研究方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。行分析和设计，确定控制器的结构和参数。控制结构：控制结构：通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。经典与现代控制论的比较经典与现代控制论的比较经典控制论经典控制论现代控制论现代控制论数学基础数学基础拉普拉斯变换拉普拉斯变换线性代数、矩阵分析线性代数、矩阵分析系统模型系统模型传递函数传递函数状态空间表达状态空间表达处理域处理域频域频域时域时域应用对象应用对象SISO系统系统MIMO系统系统表示系统在过去、现在和未来时刻的状况表示系统在过去、现在和未来时刻的状况状态状态能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系统在的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系统在未来任意时刻的行为就可以完全确定。未来任意时刻的行为就可以完全确定。状态变量状态变量选取的不唯一性选取的不唯一性以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量 状态向量状态向量以以n n个状态变量为基底所构成的个状态变量为基底所构成的n n维空间就称为状态空间，维空间就称为状态空间，状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。状态空间状态空间外部描述外部描述传递函数传递函数：不表征系统的内部结：不表征系统的内部结构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间的因果关系的因果关系内内部部描描述述状状态态空空间间，能能够够完完全全表表征征系系统统的的一切动力学特征：一切动力学特征：不完全不完全描述描述完全描述完全描述传递函数：传递函数：初始条件为零初始条件为零的线性定常系统输出的拉普拉的线性定常系统输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。现代控制论的重要分支：状态空间设计方法现代控制论的重要分支：状态空间设计方法系系统统模模型型 状状态态空空间间模模型型的的建建立立、与与传传递递函数描述之间的相互转化；函数描述之间的相互转化；系系统统分分析析 状状态态空空间间运运动动分分析析；能能控控性性和和能能观观性性的的基基本本概概念念与与判判据据、能能控控、能能观观标准形及结构分解；标准形及结构分解；系系统统综综合合 基基于于状状态态反反馈馈控控制制系系统统设设计计方方法法极点配置和观测器设计。极点配置和观测器设计。计算机控制系统（离散控制、脉冲控制、计算机控制系统（离散控制、脉冲控制、采样控制等）采样控制等）图6.1计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 控制系统通常分成两大类控制系统通常分成两大类：l连续时间控制系统连续时间控制系统：各处的信号是时间的连续函数：各处的信号是时间的连续函数，则称该，则称该类系统为连续时间控制系统。类系统为连续时间控制系统。l离散时间控制系统离散时间控制系统：有一处或数处信号不是时间的连续函数，：有一处或数处信号不是时间的连续函数，而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统为离散时间控制系统或采样控制系统。为离散时间控制系统或采样控制系统。1 控制工程中普遍存在离散时间系统控制工程中普遍存在离散时间系统2 计算机的高速发展和数字控制的广泛应用计算机的高速发展和数字控制的广泛应用意义：意义：离散信号采样信号数字信号离散信号采样信号数字信号 时间整量化时间整量化 时间和幅值同时整量化时间和幅值同时整量化离散、采样、数字控制的差别离散、采样、数字控制的差别离散控制系统、数字控制系统和采样控制系统都是同类离散控制系统、数字控制系统和采样控制系统都是同类离散控制系统、数字控制系统和采样控制系统都是同类离散控制系统、数字控制系统和采样控制系统都是同类系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。离散控制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字控制系统。离离散控制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字控制系统。离离散控制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字控制系统。离离散控制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字控制系统。离散控制处理的是离散信号。散控制处理的是离散信号。散控制处理的是离散信号。散控制处理的是离散信号。采样控制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过程控制采样控制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过程控制采样控制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过程控制采样控制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过程控制系统（系统（系统（系统（PCSPCSPCSPCS）。采样控制处理的是采样信号。）。采样控制处理的是采样信号。）。采样控制处理的是采样信号。）。采样控制处理的是采样信号。数字控制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统（数字控制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统（数字控制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统（数字控制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统（DSSDSSDSSDSS）。）。）。）。数字控制处理的是数字信号。数字控制处理的是数字信号。数字控制处理的是数字信号。数字控制处理的是数字信号。连续整量化信号与数字信号连续模拟信号与采样信号连续模拟信号与采样信号采样控制系统与连续时间控制系统相比采样控制系统与连续时间控制系统相比采样控制系统与连续时间控制系统相比采样控制系统与连续时间控制系统相比优点：优点：优点：优点：（1 1 1 1）容易实现复杂的控制规律；）容易实现复杂的控制规律；）容易实现复杂的控制规律；）容易实现复杂的控制规律；（2 2 2 2）控制规律易改变；）控制规律易改变；）控制规律易改变；）控制规律易改变；（3 3 3 3）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。目前采样控制系统的发展成为：目前采样控制系统的发展成为：目前采样控制系统的发展成为：目前采样控制系统的发展成为：1 1 1 1、集散控制系统（、集散控制系统（、集散控制系统（、集散控制系统（DCSDCSDCSDCS）；）；）；）；2 2 2 2、可编程控制器（、可编程控制器（、可编程控制器（、可编程控制器（PLCPLCPLCPLC）；）；）；）；3 3 3 3、工业控制机（、工业控制机（、工业控制机（、工业控制机（IPCIPCIPCIPC）；）；）；）；4 4 4 4、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（CIMSCIMSCIMSCIMS）。）。）。）。连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统分析连续系统分析 （L L变换）变换）微分方程微分方程 传递函数，频域分析（经典）传递函数，频域分析（经典）状态方程：求运动解，通过系统矩阵分析（现代）状态方程：求运动解，通过系统矩阵分析（现代）离散系统分析类似离散系统分析类似 （z z变换）变换）差分方程差分方程 脉冲传数，频域分析（经典）脉冲传数，频域分析（经典）差分状态方程：状态空间方法（现代）差分状态方程：状态空间方法（现代）在设计采样系统中，在设计采样系统中，一个重要的参数就是采样周期一个重要的参数就是采样周期T T，T T过大，过大，复现原信号时将失真，复现原信号时将失真，T T过小，增加计算量，过小，增加计算量，具体具体T T的选择可的选择可以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定。以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定。采样定理：采样定理：采样后的离散信号能恢复为原连续信号的条件是采采样后的离散信号能恢复为原连续信号的条件是采样频率要高于或等于连续信号频谱中最高频率的两倍。样频率要高于或等于连续信号频谱中最高频率的两倍。理想的采样过程理想的采样过程 四四 现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展其他动态系统的研究其他动态系统的研究非线性系统非线性系统:LyapunovLyapunov理论，微分几何，微分代数理论，微分几何，微分代数时变系统：随环境变，时变系统：随环境变，自适应系统自适应系统 或或 不确定系统不确定系统 随机系统：基于概率统计方法，研究稳定、镇定和最优控制等随机系统：基于概率统计方法，研究稳定、镇定和最优控制等分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、核分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、核裂、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等裂、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和控制大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和控制机械系统：机械系统：2 2阶非线性系统，并充分利用力学特性简化研究阶非线性系统，并充分利用力学特性简化研究不确定系统：自适应控制、鲁棒控制等多个学科不确定系统：自适应控制、鲁棒控制等多个学科控制任务的多样化控制任务的多样化经典及现代控制论在于寻求（反馈）控制，使得闭环系统稳经典及现代控制论在于寻求（反馈）控制，使得闭环系统稳定，即定，即“镇定镇定”。到了二十世纪，工程技术不断提出新的任务：到了二十世纪，工程技术不断提出新的任务：车间调度控制：工程上为车间调度控制：工程上为FMSFMS及及CIMSCIMS，理论上出现了，理论上出现了DEDSDEDS（离散事件动态系统）理论。（离散事件动态系统）理论。监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等这一趋势是明显的，也是必然的。自动控制就是由系统来这一趋势是明显的，也是必然的。自动控制就是由系统来代替人控制。随着科学技术的发展，人们的控制活动越来代替人控制。随着科学技术的发展，人们的控制活动越来越多，因而控制任务也会越来越复杂和困难。越多，因而控制任务也会越来越复杂和困难。现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展-2-2专业学科化的发展专业学科化的发展 因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科又因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科又有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展控有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展控制理论及方法，是必然的。制理论及方法，是必然的。空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主控制、遥控、空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主控制、遥控、装配等等。装配等等。拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。智能材料：具有及时预报缺陷及损伤，自加强等功能。智能材料：具有及时预报缺陷及损伤，自加强等功能。医学控制：血管内的医学控制：血管内的“聪明药聪明药”具有对可能发生阻塞部位进具有对可能发生阻塞部位进行修整的能力。行修整的能力。现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展-3-3五五 历史的思考历史的思考社会发展的需要是科学发展的动力社会发展的需要是科学发展的动力 控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。中为解决关键问题而发展起来的。钱三强钱三强“科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取决于生产和社会的需求。决于生产和社会的需求。”历史的思考历史的思考科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应 同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明了这一点。好地说明了这一点。科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础，科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础，杰出的科学家大多是多面发展的杰出的科学家大多是多面发展的 现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。例如在现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。例如在控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如MaxwellMaxwell、LyapunovLyapunov、ZadehZadeh等无不在多个方面均有建树。而等无不在多个方面均有建树。而BlackBlack最早提出负反馈放最早提出负反馈放大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是在大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是在NyquistNyquist和和BodeBode等的努力下建立的。等的努力下建立的。BlackBlack的论文也是在参考了的论文也是在参考了NyquistNyquist的的论文之后才完成，他的专利申请也是在论文之后才完成，他的专利申请也是在NyquistNyquist等的工作完成后等的工作完成后才被认可并获准的。才被认可并获准的。没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展以深入和系统地发展 控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。控制技术实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水平上发展。论，只能在低级的水平上发展。18681868年以来，随着控制理年以来，随着控制理论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史就由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史就是十六、十七世纪前是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明灿烂辉煌的古代文明”，而在十六、，而在十六、十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落。趋末落。历史的思考历史的思考五五 新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展必须承认的事实：必须承认的事实：控控制制对对社社会会进进步步的的贡贡献献与与影影响响，与与计计算算机和通信相比正在变小。机和通信相比正在变小。人人们们对对控控制制的的热热情情在在下下降降。因因此此，有有人人说说：“自自动动化化走走进进了了死死胡胡同同”。有有人人主主张张取消自动化学科或改换名称。取消自动化学科或改换名称。自动化学科面临严峻形势自动化学科面临严峻形势矛盾矛盾 一一方方面面，控控制制的的某某些些“理理论论成成果果”远远走在应用的前面；远远走在应用的前面；另另一一方方面面，对对大大量量复复杂杂的的急急待待解解决决的的系统问题，控制又无能为力。系统问题，控制又无能为力。自动化学科真的不重要了？不需要了？自动化学科真的不重要了？不需要了？已经走到了学科发展的尽头？已经走到了学科发展的尽头？答案是否定的答案是否定的什么原因？什么原因？控制发展历史：控制发展历史：控制学科从来是重大实际需求的拉动，然后用数控制学科从来是重大实际需求的拉动，然后用数学等理论工具求解，进而解决重大实际问题。学等理论工具求解，进而解决重大实际问题。40-5040-50年代的工业控制和武器装备的需求促成了年代的工业控制和武器装备的需求促成了古典控制理论的形成，产生了重大的影响。古典控制理论的形成，产生了重大的影响。60-7060-70年代的航天的需求，产生了现代控制理论，年代的航天的需求，产生了现代控制理论，登月成功成为世界进步的一个重大标志。登月成功成为世界进步的一个重大标志。数数学学在在控控制制理理论论和和自自动动化化学学科科的的发发展展中中起起了了核核心心的的科科学学作作用用。今今天天仍仍然然是是非非常常重重要要的的。不不可可否否认认的的是是在在相相当当长长的的一一段段时时间间内内，对对重重大大实实际际需需求求的的拉拉动动作作用用有有或或多多或或少的忽视。这是目前控制困境的一个原因。少的忽视。这是目前控制困境的一个原因。8080年代以来，控制面临两个新的挑战：年代以来，控制面临两个新的挑战：1.1.系系统统的的复复杂杂性性问问题题，单单纯纯的的数数学学工工具具显显得得不够；不够；2.2.人人作作为为系系统统的的一一部部分分，其其形形式式化化更更加加困困难难，远远超出了狭义控制的范畴。远远超出了狭义控制的范畴。提出和试图解决复杂系统问题提出和试图解决复杂系统问题n以控制数学为主线研究复杂系统，理论成果很多，以控制数学为主线研究复杂系统，理论成果很多，但仍然离实际相当远。但仍然离实际相当远。n钱学森先生提出了开放复杂巨系统的科学架构钱学森先生提出了开放复杂巨系统的科学架构,为复杂性问题研究迈出了重要的一步。为复杂性问题研究迈出了重要的一步。自动化学科面临着多方面的挑战，有许自动化学科面临着多方面的挑战，有许多看法和争论，这是学科发展中的正常现多看法和争论，这是学科发展中的正常现象。象。深入分析原因、把握今天时代对自动化深入分析原因、把握今天时代对自动化学科建设和教学的需要、努力推动学科的学科建设和教学的需要、努力推动学科的发展。发展。寄语：寄语：毛主席毛主席：希望寄托在你们身上，中国的前途寄：希望寄托在你们身上，中国的前途寄托在你们身上，有志气、有抱负的青年一代一托在你们身上，有志气、有抱负的青年一代一定要为实现我们伟大的历史使命而奋斗定要为实现我们伟大的历史使命而奋斗 邓小平邓小平：科学的未来在于青年，青年一代的成：科学的未来在于青年，青年一代的成长正是我们事业必定要兴旺发达的希望所在长正是我们事业必定要兴旺发达的希望所在 江泽民江泽民：二十一世纪是青年的世纪，中国社会：二十一世纪是青年的世纪，中国社会主义现代化建设的重任，历史地落在你们肩上主义现代化建设的重任，历史地落在你们肩上 谢谢 谢！谢！