自動(dòng)化專業(yè)課現(xiàn)代控制理論課件第一章

1、現(xiàn)代控制理論Modern Control Theory,鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院,課程簡介,本課程是自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論中最基本的內(nèi)容，它不僅是控制理論的基礎(chǔ)，而且是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析和線性系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)知識(shí)及進(jìn)行工程實(shí)踐打好必要的基礎(chǔ)。,2,教材及參考書,教材:趙明旺,王杰.現(xiàn)代控制理論,華中科技大學(xué)出版社參考書: 劉豹主編. 現(xiàn)代控制理論（第三版），機(jī)械工業(yè)出版社

2、William L. Brogan. Modern control theory, PRENTICE-HALL, INC. Englewood Cliffs, New Jersey于長官. 現(xiàn)代控制理論，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,3,課程目錄,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論Ch.2 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型Ch.3 線性系統(tǒng)的時(shí)域分析Ch.4 線性系統(tǒng)的能控性和能觀性Ch.5 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析Ch.6 線性系統(tǒng)綜合Ch.7

3、最優(yōu)控制原理,4,課程內(nèi)容,主要討論對象: 線性定常連續(xù)系統(tǒng) 兼顧: 線性定常離散系統(tǒng)研究內(nèi)容: 狀態(tài)空間分析方法系統(tǒng)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性理論穩(wěn)定性理論狀態(tài)反饋理論觀測器理論,5,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,6,本章主要內(nèi)容,1.1 自動(dòng)化簡介1.2 學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的意義1.3 控制理論的發(fā)展歷程1.4 現(xiàn)代控制理論研究內(nèi)容1.5 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的比較1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用

4、1.7 本課程的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,7,Ch.2控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型,1.1 自動(dòng)化簡介,Brief Introduction to Automation 定義所謂自動(dòng)化是指機(jī)器或裝置在無人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。廣義地講，自動(dòng)化還包括模擬或再現(xiàn)人的智能活動(dòng)。 DefinitionThe art of making processes or machines self-acting or se

5、lf-moving. Also pertains to the technique of making a device, machine, process or procedure more fully automatic.,8,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.1 自動(dòng)化簡介,Brief Introduction to Automation自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)自動(dòng)化技術(shù)是一門新興的科學(xué)技術(shù)，它以控制論、信息論和系統(tǒng)論為理論基礎(chǔ)，以哲

6、學(xué)的方法論為研究方法。 Fundamental knowledge of automationCyberneticsInformation Theory Systemism,9,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.1 自動(dòng)化簡介,Brief Introduction to Automation狹義自動(dòng)化和廣義自動(dòng)化狹義自動(dòng)化是指工業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)化也是最早應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的。廣義的自動(dòng)化包括工業(yè)自動(dòng)化、生活自動(dòng)化、辦公自

7、動(dòng)化和商務(wù)自動(dòng)化。,10,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.2 學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的意義,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個(gè)重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺(tái)。在20世紀(jì)50年代末開始，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非

8、線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。,11,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.2 學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的意義,是自動(dòng)化專業(yè)的理論基礎(chǔ)是提高學(xué)生專業(yè)理論水平的重要環(huán)節(jié)是許多專業(yè)報(bào)考研究生的必考課,12,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,Progress of Control Theory一、經(jīng)典控制理論 (Classical Control Theory)二、現(xiàn)代控制理論(Modern Control Theory),1

9、3,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,一、經(jīng)典控制理論,1.形成和發(fā)展,14,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,一、經(jīng)典控制理論,（1）萌芽階段隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,到十七、十八世紀(jì),自動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。1788年,英國人瓦特(J. Watt)在他發(fā)明的蒸汽機(jī)上使用了離心調(diào)速器,解決了蒸汽機(jī)的速度控制問題,引起了人們對控制技術(shù)的重視。自動(dòng)控制技術(shù)的逐步應(yīng)用,加速了第一次工業(yè)革命的步伐。,1

10、5,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,瓦特,,,16,Watt’s fly-ball governor,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,一、經(jīng)典控制理論,（2）發(fā)展階段1868年,英國物理學(xué)家麥克斯韋(J.C. Maxwell)通過對調(diào)速系統(tǒng)線性常微分方程的建立和分析,解釋了瓦特蒸汽機(jī)速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題,提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。開辟了用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)

11、的途徑。,17,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,麥克斯韋,一、經(jīng)典控制理論,（3）形成體系階段1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納(N. Weiner)把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來,并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》。書中論述了控制理論的一般方法,推廣了反饋的概念,為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。,18,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程

12、,控制論之父——維納,一、經(jīng)典控制理論,2.特點(diǎn)和局限性（1）特點(diǎn)以SISO線性定常系統(tǒng)為研究對象。以拉氏變換為工具，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)在頻率域中分析與設(shè)計(jì)。（2）局限性難以有效地應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)難以有效地應(yīng)用于非線性系統(tǒng)。,19,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,二、現(xiàn)代控制理論,1.形成和發(fā)展,20,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,二、現(xiàn)代控制理論,（1）俄國數(shù)學(xué)

13、家李雅普諾夫1892年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中。博士論文《運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》是經(jīng)典名著，在其中開創(chuàng)性地提出求解非線性常微分方程的李雅普諾夫函數(shù)法。,21,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,李雅普諾夫,二、現(xiàn)代控制理論,（2）1956年,美國數(shù)學(xué)家貝爾曼(R. Bellman)提出了離散多階段決策的最優(yōu)性原理,創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃。1964年將離散多階段決策的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法解決了連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。

14、（3）美國數(shù)學(xué)家卡爾曼(R. Kalman)等人于1959年提出了著名的卡爾曼濾波器,1960年又在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法,提出系統(tǒng)的能控性和能觀測性問題。,22,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,卡爾曼,二、現(xiàn)代控制理論,（4）1956年,前蘇聯(lián)科學(xué)家龐特里亞金(L.S. Pontryagin)提出極大值原理,并于1961年證明并發(fā)表了極大值原理。極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論

15、工具。,23,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,龐特里亞金,二、現(xiàn)代控制理論,（5）20世紀(jì)60年代,英國控制理論學(xué)者羅森布洛克(H.H. Rosenbrock)、歐文斯(D.H. Owens)和麥克法輪(G.J. MacFarlane)研究了使用于計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論,將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng),并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系,為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論

16、奠定了基礎(chǔ)。（6）20世紀(jì)70年代瑞典控制理論學(xué)者奧斯特隆姆(K.J. Astrom)和法國控制理論學(xué)者朗道(L.D. Landau)在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。,24,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,二、現(xiàn)代控制理論,（7）由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H∞等范數(shù)而出現(xiàn)了H2和H∞控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。（8）20世紀(jì)70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、“智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理

17、論”的方向發(fā)展：大系統(tǒng)理論：研究各種大系的結(jié)構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。智能控制理論：研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律的理論。復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。,25,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,二、現(xiàn)代控制理論,2.特點(diǎn)對象:以MIMO線性、非線性、時(shí)變與非時(shí)變系統(tǒng)為主要研究對象；工具：以線性代數(shù)和微分

18、方程為工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)。,26,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.3 控制理論的發(fā)展歷程,1.4 現(xiàn)代控制理論研究內(nèi)容,線性系統(tǒng)理論(Theory of Linear Systems)非線性系統(tǒng)理論(Theory of Nonlinear Systems)最優(yōu)控制(Optimal Control)系統(tǒng)辨識(shí)(System Identification)自適應(yīng)控制(Adaptive Control)智能控制(Intelli

19、gent Control)……,27,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.5 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論比較,,28,理論基礎(chǔ),建立在以1. 常微分方程穩(wěn)定性理論2. Fourier變換為基礎(chǔ)的根軌跡和奈奎斯特判據(jù)理論之上,1. 常微分方程穩(wěn)定性理論2. 狀態(tài)空間分析3. 泛函分析、微分幾何等現(xiàn)代數(shù)學(xué)分支,數(shù)學(xué)模型,傳遞函數(shù)(研究系統(tǒng)外部特性,屬于外部描述,不完全描述。),狀態(tài)空間表達(dá)式(深入系統(tǒng)內(nèi)部,是內(nèi)部描述,完全

20、描述。),適用對象,僅適用于: 單輸入單輸出線性定常集中參數(shù),可推廣至: 多輸入多輸出非線性時(shí)變分布參數(shù),經(jīng)典(頻域法),現(xiàn)代(時(shí)域法),,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.5 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論比較,,29,性能指標(biāo),幅值裕度、相位裕度、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、阻尼比等頻域指標(biāo);性能指標(biāo)不直觀,難于接受滿足單個(gè)性能指標(biāo)為目的,無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)、綜合性的系統(tǒng)；,時(shí)間最短、能量最少、綜合性能指標(biāo)最優(yōu)等時(shí)間域指標(biāo)性能指

21、標(biāo)直觀,易于接受可以達(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)、多個(gè)性能指標(biāo)綜合最優(yōu),初始條件處理,初始條件處理困難對高精度的位置、速度等性能指標(biāo)難于達(dá)到要求,易于處理初始條件更易達(dá)到高精度的位置、速度等性能指標(biāo),經(jīng)典,現(xiàn)代,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.5 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論比較,,30,設(shè)計(jì)與綜合,是分析方法而不是最佳的綜合方法針對某個(gè)性能指標(biāo),設(shè)計(jì)方案多樣分析與設(shè)計(jì)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)及試湊設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制難于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),是分析綜合

22、方法分析與設(shè)計(jì)多為解析和優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)控制易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),經(jīng)典,現(xiàn)代,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.5 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論比較,值得指出的是現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論：并不是截然對立相輔相成、互為補(bǔ)充兩者各自的長處和不足分別為:經(jīng)典控制理論對數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)方法的要求相對較低,更依賴于控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)代控制理論對描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型要求較高,需要用到更多的數(shù)學(xué)知識(shí),利于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),在控制系統(tǒng)

23、的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)時(shí)對控制設(shè)備和系統(tǒng)所處的環(huán)境要求也高一些。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí),要根據(jù)具體的要求、目標(biāo)和環(huán)境條件,選擇適宜的控制理論和方法,也可以將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩者結(jié)合起來,31,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,與經(jīng)典控制理論想比, 現(xiàn)代控制理論考慮問題更全面、更復(fù)雜,主要表現(xiàn)在考慮系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合,系統(tǒng)外部的干擾,但符合從簡單到復(fù)雜的規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸及國防

24、建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。,32,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,倒立擺穩(wěn)定控制,,33,單級倒立擺穩(wěn)定控制,二級倒立擺穩(wěn)定控制,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,,34,,空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,航天器控制,,35,月球車控制,衛(wèi)星控制,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,機(jī)器人控制,,36,空間機(jī)器人控制,足球

25、機(jī)器人控制,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.6 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,1.7 本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,盡管現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容及其豐富,但是作為控制類專業(yè)的本科生的基礎(chǔ)課程, 目的是使學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和提高打下基礎(chǔ)。為此,本課程主要介紹線性系統(tǒng)理論,打下進(jìn)行線性多變量系統(tǒng)的分析、綜合和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。共分7章,著重講授線性系統(tǒng)理論的狀態(tài)空間分析方法,目的是讓學(xué)生結(jié)合線性系統(tǒng)理論的學(xué)習(xí),掌握狀態(tài)空間

26、分析和綜合方法,學(xué)會(huì)運(yùn)用狀態(tài)空間分析這一現(xiàn)代控制理論中的基本工具。,37,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,本課程主要內(nèi)容,除第1章外,各章的主要內(nèi)容包括:第2章討論動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。主要講授狀態(tài)空間分析的數(shù)學(xué)模型--狀態(tài)空間表達(dá)式的建立;狀態(tài)空間的線性變換;多輸出多輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)陣；組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；以及離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。第3章討論線性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析。主要介紹連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的求解;狀

27、態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的性質(zhì)和計(jì)算;連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程的離散化;以及離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式的求解。,38,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.7本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,本課程主要內(nèi)容,第4章討論線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性問題以及系統(tǒng)綜合。 主要介紹動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)性質(zhì)狀態(tài)能控性和能觀性,狀態(tài)能控性/能觀性在狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)分解和線性變換中的應(yīng)用；能控/能觀規(guī)范形；實(shí)現(xiàn)問題與最小實(shí)現(xiàn)。,39,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.7本

28、課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,本課程主要內(nèi)容,第5章討論李雅普諾夫穩(wěn)定性分析。主要介紹李雅普諾夫穩(wěn)定性的定義,以及分析狀態(tài)穩(wěn)定性的李雅普諾夫理論和方法;著重討論李雅普諾夫第二法以及在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用和幾類非線性系統(tǒng)的應(yīng)用, 李雅普諾夫函數(shù)的構(gòu)造等。第6章討論線性系統(tǒng)的系統(tǒng)綜合問題。主要介紹狀態(tài)空間分析方法在系統(tǒng)控制與綜合中的應(yīng)用,內(nèi)容為狀態(tài)反饋與極點(diǎn)配置、系統(tǒng)鎮(zhèn)定、系統(tǒng)解耦、狀態(tài)觀測器。,40,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,

29、1.7本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,本課程主要內(nèi)容,在現(xiàn)代控制理論課程學(xué)習(xí)中,將會(huì)遇到許多數(shù)學(xué)基本概念和方法,如線性代數(shù)及矩陣分析、常微分方程理論、實(shí)變函數(shù)及泛函分析、以及最優(yōu)化方法等。有些數(shù)學(xué)概念和方法,作為控制類專業(yè)本科生必須掌握。對在本科階段未單獨(dú)設(shè)課講授的數(shù)學(xué)概念和方法, 加以簡略介紹。,41,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.7本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,學(xué)習(xí)本課程的方法,1. 認(rèn)真復(fù)習(xí)和鞏固提高數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及相關(guān)知識(shí)，如線

30、性代數(shù)。 矩陣的引入，是現(xiàn)代控制理論能處理MIMO系統(tǒng)，能處理狀態(tài)空間/狀態(tài)變量問題的關(guān)鍵相關(guān)概念、方法和計(jì)算常微分方程。如定系數(shù)線性常微分方程求解積分變換。拉氏變換（連續(xù)系統(tǒng)）和Z變換（離散系統(tǒng)）自動(dòng)化專業(yè)需具備的物理學(xué)、電路、力學(xué)與機(jī)械等學(xué)科的基本知識(shí)。經(jīng)典控制理論知識(shí)。,42,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.7本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,學(xué)習(xí)本課程的方法,2. 認(rèn)真復(fù)習(xí)和鞏固提高相關(guān)的控制概念和知識(shí)。要善于將抽象

31、的概念和理論知識(shí)跟工程實(shí)際結(jié)合,要建立好空間概念.3. 認(rèn)真聽好每一堂課,獨(dú)立完成老師布置的每一項(xiàng)教學(xué)任務(wù)。4. 多思、多想、多讀、多練。,43,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,1.7本課程主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,本章小結(jié),自動(dòng)化簡介學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論的意義控制理論的發(fā)展歷程現(xiàn)代控制理論研究內(nèi)容現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的比較現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用本課程的主要內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法,44,Ch.1 現(xiàn)代控制理論概論,指南車,指南車與司南、

32、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機(jī)械。是一種雙輪獨(dú)轅車。它的中央有一個(gè)大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車輪就會(huì)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再帶動(dòng)大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開動(dòng)以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動(dòng)

33、類似現(xiàn)代汽車用的差動(dòng)齒輪，相當(dāng)于汽車中差動(dòng)齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動(dòng)化設(shè)備。,45,指南車是我國古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機(jī)械之一。用英國著名科學(xué)史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機(jī)”。,水運(yùn)儀象臺(tái),整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)高12米，寬7米，共分3層，相當(dāng)于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺(tái)渾儀， 屋的頂板可以自由開啟，平

34、時(shí)關(guān)閉屋頂，以防雨淋，這已經(jīng)具有現(xiàn)代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內(nèi)均安排了若干個(gè)木人，5層共有162個(gè)木人，它們各司其職：每到一定的時(shí)刻，就會(huì)有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報(bào)告時(shí)刻、指示時(shí)辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機(jī)械傳動(dòng)裝置，可以說這里是整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)的“心臟”部分，用漏壺的水沖動(dòng)機(jī)輪，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置便會(huì)按部就班地動(dòng)作起來。這臺(tái)儀器的制造水

35、平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。,46,水運(yùn)儀象臺(tái)是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學(xué)家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計(jì)量時(shí)間的漏刻和報(bào)告時(shí)刻的機(jī)械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實(shí)際上是一座小型的天文臺(tái)。,瓦特 James Watt （1736～1819）,JamesWatt,1736～1819，英國發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個(gè)小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家

36、鐘表店學(xué)手藝。15歲學(xué)完了《物理學(xué)原理》并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。1753年又跟有名的機(jī)械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機(jī)的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年他制成了一臺(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī) 。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，

37、將蒸汽機(jī)活塞的往運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 1782年他發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專利 1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動(dòng)控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機(jī)配套用壓力計(jì)。,47,到此為止，瓦特完成了對蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機(jī)的效率提高到原來紐科門機(jī)的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實(shí)用。瓦特由此博得了第一部

38、現(xiàn)代蒸汽機(jī)——高效率瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明者稱號(hào)。,奈奎斯特 Nyquist （1889-1976）,奈奎斯特，美國物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國并于1912年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年～1934年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。,48,為貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師，在熱噪聲(Johnson

39、-Nyquist noise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)他早期的理論性工作關(guān)于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)》期刊上發(fā)表了《影響電報(bào)速度傳輸速度的因素》文章，為后來香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍，這就是

40、著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了《電報(bào)傳輸理論的一定論題》。1954年，他從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休。,維納 Wiener（1894-1964）,維納生于哥倫比亞市一個(gè)猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)．他的數(shù)學(xué)知識(shí)已超過大學(xué)一年級學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、物理、電學(xué)了。他18歲時(shí)取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個(gè)博士學(xué)位，后來又到德國、英國學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進(jìn)一步深造。

41、,49,維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個(gè)大問題特別引起了他的興趣，一個(gè)是電子計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是火炮命中率問題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動(dòng)作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經(jīng)專家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器和人的控制機(jī)能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自

42、己的研究成果發(fā)表了出來，叫《控制論》。,錢學(xué)森（1911－2009）,錢學(xué)森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。1929年至1934年在上海交通大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)。1935年至1939年在美國麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)，獲碩士學(xué)位。1936年至1939年在美國加州理工學(xué)院航空與數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，獲博士學(xué)位。1939年至1943年任美國加州理工學(xué)院航空系研究員。1943年至1945年任美國加州理工學(xué)

43、院航空系助理教授（其間：1940年至1945年為四川成都航空研究所通信研究員）。1945年至1946年任美國加州理工學(xué)院航空系副教授。1946年至1949年任美國麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動(dòng)力學(xué)教授。1949年至1955年任美國加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任、教授。,50,1955年回國。1955年至1946年任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機(jī)械工業(yè)部副部長。1970年至1982年

44、任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會(huì)、中國力學(xué)學(xué)會(huì)、中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國科協(xié)第三屆全委會(huì)主席。1991年5月在中國科協(xié)第四次全國代表大會(huì)上當(dāng)選為科協(xié)名譽(yù)主席。1992年4月被聘為中科院學(xué)部主席團(tuán)名譽(yù)主席。1994年6月當(dāng)選為中國工程院院士。,卡爾曼 Kalman,卡爾曼，Rudolf Emil K