现代控制工程基础-讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代控制工程基础,Fundamentals of Modern Control Engineering,谭跃刚,武汉理工大学机电工程学院,现 代 控 制 工 程 基 础,主要参考文献：,（1）,刘豹 主编：现代控制理论（第2版）.（北京）机械工业出版社，2000年,（2）郭雷 主编：控制理论导论.（北京）科学出版社，2005年,（3）绪方胜彦 著，卢伯英 等译：现代控制工程（第3版）.（北京）电子工业出,版社，2000年,（4）Richard C.Dorf,Robert H.Bishop:,Modern Control Systems,.Published by,Pearson Education Inc.,2001(科学出版社，英文影印版，2002年),（5）Graham C.Goodwin,Stefan F.Graebe,Mario E.Salgado:,Control System,Design,.Published by Pearson Education Inc.,2001(清华大学出版社，英文,影印版，2002年),（6）韩京清 等著,：线性系统理论代数基础.（沈阳）辽宁科学技术出版社，1987年,（7）须田信英 等著，曹长修 译：自动控制中的矩阵理论.科学出版社，1979年,1.引言,2.线性系统理论,(状态空间分析法、可控性和可观性、稳定性、反馈控制与状态观测器等),3.最优控制与应用,4.最优估计理论与应用,5.自适应控制与应用,6.鲁棒控制与应用,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,1.1 何为控制,对系统或对象施加作用或限制，使其达到或保持某种规定或要求的运动状态。施加作用或限制的本质就是对系统的调节，其依据是给定任务目标和系统变化。因此，控制就是为了实现任务目标给系统或对象的调节作用。这种调节作用是由系统或对象自身完成时，就是自动控制。,控制的基本要素：,（1）控制对象或系统。要了解对象的性质，需建立或辨识系统模型,（2）控制方法。确定适当的调节作用,（3）反馈。检验和协调控制作用,控制理论基于这三个要素的综合，分析设计控制系统的原理和方法,1.引言,自动控制(Automation Control),在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称为控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(称为被控对象)的某个工作状态或参数(称为被控量)自动地按照预定的规律运行。,自动控制理论,是研究自动控制共同规律的技术科学,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,控制的分类,（1）按分析设计方法分：线性控制和非线性控制,（2）按参考输入信号分：常值控制和随动控制,（3）按控制信号种类分：连续控制和离散控制（数字控制）,（4）按控制方式分：开环控制和闭环控制,控制的基本要求,（1）稳定性。这是控制系统正常工作的必要条件,（2）响应特性。包括动态响应特性和静态响应特性,（3）可靠性和鲁棒性。对干扰和变化有很强的抑制作用和适应能力,（4）可控性和可观性。这是反馈控制的充要条件,1.2 控制理论的基本分析设计方法,传统控制理论（经典控制理论、现代控制理论）对问题处理的基本方法和思路是：,建立对象的数学模型，依此分析其性能是否满足控制性能要求，不满足或某部分不满足时，就用某种方法进行修正补偿或进行综合设计。,经典控制理论,现代控制理论,研究对象,单输入/单输出系统(SISO),多输入/多数出系统(MIMO),描述方式,传递函数（频率特性函数）,状态方程（动态方程）,数学工具,积分变换(拉普拉斯变换),线性代数、矩阵论,分析方法,频域法、根轨迹法,时域法（状态空间法）,设计方法,图形法、试凑法,(PID控制和校正装置),解析法,(状态反馈和输出反馈),共同点,基于对象模型的分析设计,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,1.3 控制理论的产生与发展,按照控制系统分析设计方法和要求的不同，控制理论存在经典控制理论和现代控制理论之分。一般来说，1960年代以前形成的控制理论属于经典控制理论，其后形成的是现代控制理论。,控制理论的产生和发展，主要源于“(负)反馈”的概念。,“(负)反馈”的精髓是“利用误差，纠正误差”,，这就是说反馈可以补偿任何原因引起的误差。因此，应用(负)反馈可使系统在不确定性存在条件下达到要求的性能目标，但是反馈又引出了系统的稳定性和响应特性等问题，对这些问题的研究就成了控制理论的主要内容。,控制理论所追寻的目标是“最优控制”，其概念是在有限时间内实现性能函数极值化。这个问题的定量描述和求解就形成了现代控制理论的主要内容。,请参阅：中科院自动化所 王庆林：自动控制理论的早期发展历史.自动化博览，1996，No.5:22-25(),反馈控制,和,最优控制,是控制理论中两个独立又相互联系的主题。,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,1.3.1 经典控制理论的产生和发展,经典控制理论也称为古典控制理论，其发展历史虽然,从目前公认的第一篇理论文章：在1868年发表的“论调节器(,On Governors,)”算起已有一百多年，但是控制的思想和技术至少有几千年的历史。,具有反馈控制原理的控制装置在古代就有，其典型例子当属古代的一种计时器水钟(在中国称为“刻漏”或“漏壶”)。公元前三世纪的古埃及，亚历山大里亚城的Ctesibius首先在水钟的受水壶中使用浮子，这个浮子的作用就是节制注入的水，这种节制方式就包含了负反馈的思想。,公元235年(三国时期)的指南车，具有开环控制的思想,1086年-1090年(北宋)在开封建成的“水运仪象台(天文钟)”，其动力装置就利用了由定水位漏壶流出的水加以控制，具有负反馈思想。,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,18世纪，随着人们对动力的需求，各种动力装置成为人们研究或关注的重点。,1750年，在风车中出现了具有反馈控制作用的“扇尾”装置。在这一时期蒸汽机也取得突破发展，1765年俄国人发明了蒸汽机锅炉的水位自动调节器，1788年詹姆斯,瓦特发明了蒸汽机的飞球调节器，这是反馈调节器的一种最成功应用，使得蒸汽机工作速度更加均匀，从而使蒸汽机得到了推广应用。但是，瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析，后来的应用微分方程分析了这个调节器的稳定问题，从而开始了对反馈控制问题的理论研究。,现 代 控 制 工 程 基 础,1.1868年,马克斯韦尔（）,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。,2.1895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。,3.1932年,尼奎斯特（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。,从19世纪中叶开始，反馈控制思想和方法经过几个重要突破和发展，到20世纪中叶逐渐形成了经典控制理论的体系。,4.1942年H.Harris引入了传递函数概念，1948年,伊万斯,（）,提出了复数域内研究系统的,根轨迹法,。,5.,1948,年美国数学家,维纳（N.Weiner）,出版了,控制,论关于在动物和机器中控制与通讯的科学,，为,控制理论这门学科奠定了基础。,6.我国著名科学家,钱学森,将控制理论应用于工程实,践，并于,1954,年出版了,工程控制论,。,经典控制理论的主要特点：,(1)单变量线性定常系统是主要研究对象,(2)频率法是研究控制系统动态特性的主要方法,(3)各种图表(Nichles图、Bode图、Nyquist曲线、根轨迹曲线、Roth表等),是控制系统分析和综合的主要工具,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,从20世纪40年代到50年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学技术水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛地应用了自动控制技术。,钱学森曾从生产力，特别是技术革命的进程分析了控制论的产生和发展，他认为“我们可以毫不含糊地说，从科学理论的角度来看，20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞跃”。,1.3.2 现代控制理论的产生和发展,从20世纪50年代末开始，随着科学技术的发展和生产实际的进一步需要，出现了多输入/多输出控制系统、非线性控制系统和时变控制系统的分析与设计问题。,与此同时，近代数学的形成和数字计算机的出现为现代控制理论的建立和发展准备了两个重要的条件。近代数学为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；数字计算机为现代控制理论发展提供了分析和应用的平台。,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,1.50年代后期，,贝尔曼（Bellman）,等人提出了状态分析,法，在,1957年,提出了动态规则。,2.1959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。,3.1961年Pontriagin（俄国人）提出了极小（大）值原理。,现代控制理论发展历程中的几个主要标志：,4.,罗森布洛克,（）、,欧文斯,（）,和,麦克法伦,（）研究了适用于计算机辅,助控制系统设计的 现代频域法理论，将经典控制理论,传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函,数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建,立统一的线性系统理论奠定了基础。,5.20世纪70年代,奥斯特隆姆,（瑞典）和,朗道,（法国，,）在,自适应控制理论,和应用方面作出了贡,献。此后，关于,系统辨识、最优控制、离散时间系统,和,自适应控制,获得了迅速发展。,现 代 控 制 工 程 基 础,现 代 控 制 工 程 基 础,6.从20世纪70年代末开始，控制理论向着“大系统理论”、,“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：,大 系 统 理 论：,以控制论和信息论的观点，研究各种,大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问,题的技术基础理论。,智能控制理论：,研究与模拟人类智能活动及其控制与信,息传递过程的规律，研究具有某些拟人智能 的工程控制,与信息处理系统的理论。,复杂系统理论：,把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的,范筹，以解决复杂系统的控制为目标。,现代控制理论形成的标志：,(1)用于多输入/多输出系统表述的状态空间法,(2)Pontriagin极大值原理和Bellman动态规划,(3)随机系统理论中的Kalman滤波技术,现代控制理论的主要特点：,(1)以多变量系统(线性和非线性)为研究对象,(2)以时域法(特别是状态空间法)为主要研究方法,(3)以近代数学为主要分析手段,(4)以计算机为主要分析、设计工具,现 代 控 制 工 程 基 础,系统的复杂性：,模型和参数的时变性、信息的不完整性、行为的不确定性、离散事件和连续事件的混杂性、动力学的高度非线性、状态变量的高维性和分布性、各子系统之间的强耦合性,现代控制理论研究的主要问题：,高性能、高精度的多变量参数系统的最优控制,现 代 控 制 工 程 基 础,现代控制理论已经形成的分支：,最优控制、最优估计与滤波、系统辨识、自适应控制、预测控制、鲁棒控制、预见控制等。,最优控制线性二次型调节和跟踪。,系统辨识以系统输入输出数据来确定其模型的过程。,自适应控制以系统自动辨识为基础，自动调整控制规律,控制系统的发展趋势是,多层次多任务和高精确高速响应,，这也使得控制系统越加复杂化。因此，产生了控制系统的复杂性与控制方法的有效性这一问题。,控制系统