北科現(xiàn)代控制理論課件全

1、,,,現(xiàn)代控制理論,北京科技大學機械工程學院周曉敏,,參考書,,,參考書之一 現(xiàn)代控制理論 俞立 編著 清華大學出版社 2007年5月 參考書之二 現(xiàn)代控制理論 劉豹 唐萬生 主編 機械工業(yè)出版社 2006年9月 或其他近年來出版的 現(xiàn)代控制理論 教材,,主要內容,,,概述1 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型2 系統(tǒng)的運動分析3 能控性和能觀性分析

2、4 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5 狀態(tài)反饋控制器設計6 狀態(tài)觀測器設計7 線性二次型最優(yōu)控制,,預備知識或先修課程,,,1)自動控制理論2)線性代數(shù)3) MATLAB/Simulink,,,,速度控制系統(tǒng),速度控制系統(tǒng),速度設定,增加,轉速下降,,,增加,控制系統(tǒng)的例子,系統(tǒng)框圖,,,擾動,偏差,,,,控制系統(tǒng)的例子,,,,控制系統(tǒng)的例子,控制系統(tǒng)的組成,,參考輸入,控制信號,輸出信號,,干擾,,噪聲,測量,決策,執(zhí)行,,,緒論,

3、,,洗衣機智能控制,電冰箱溫度控制,,,,緒論,,,,緒論,控制系統(tǒng)的性能指標,穩(wěn)定性快速性準確性魯棒性,,系統(tǒng)在模型參數(shù)變動及擾動作用下,保持系統(tǒng)性能的能力,在現(xiàn)代機械制造業(yè)和工業(yè)生產過程中以及航空航天，軍事等廣闊領域，自動控制都起著至關重要的作用.根據發(fā)展過程,自動控制理論分為經典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分.20世紀40年代至50年代中期,以傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)的自控理論稱為經典控制理論;大致從20世紀50年代末發(fā)展起來

4、的以狀態(tài)空間模型描述系統(tǒng)的自控理論稱為現(xiàn)代控制理論.,,,,緒論,隨著科學技術與工業(yè)生產的發(fā)展，到十八世紀，自動控制技術逐漸應用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機離心調速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。,瓦特,,,,緒論,1868年馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調速系統(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。,馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）,,,,緒論,1895年勞

5、斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據—勞斯判據和赫爾維茨判據?；旧蠞M足了二十世紀初期控制工程師的需要。,赫爾維茨（Hurwitz）,,,,緒論,由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內研究系統(tǒng)的頻率響應法，為具有高質量的動態(tài)品質和靜態(tài) 準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析

6、工具。,奈奎斯特,1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復數(shù)域內研究系統(tǒng)的根軌跡法。建立在奈奎斯特的頻率響應法和伊萬斯的根軌跡法基礎上的理論，稱為經典（古典）控制理論（或自動控制理論）。,,,,緒論,1947年控制論的奠基人美國數(shù)學家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關于在動物和機器中控制與通訊的科學》，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

7、門學科奠定了基礎。,控制論之父——韋納,,,,緒論,經典控制理論的特點,“經典控制理論”的內容是以傳遞函數(shù)為基礎，以頻率法和根軌跡法作為分析和綜合系統(tǒng)基本方法，主要研究單輸入，單輸出這類控制系統(tǒng)的分析和設計問題。,,,,緒論,經典控制理論的不足和局限性1）經典控制理論基本只限于研究線性時不變系統(tǒng);2）經典控制理論主要適用于單輸入單輸出系統(tǒng),基于系統(tǒng)的輸出/輸入描述,忽略了系統(tǒng)結構的內在性質;3）經典控制理論采用試探法設計系統(tǒng),根

8、據經驗選用合適的,較簡單的,工程上易于實現(xiàn)的控制器,然后檢驗系統(tǒng)的品質指標是否都能滿足進行修改,往往依靠設計人員的經驗,而不是直接從理論上給出最佳的系統(tǒng)化的設計方案.,,,,緒論,現(xiàn)代控制理論,現(xiàn)代控制理論以狀態(tài)空間法為基礎，不僅可以分析和研究單輸入-單輸出（SISO)系統(tǒng)，更主要用來分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識、自適應控制等復雜問題,,,,緒論,五十年代后期，貝爾曼（Bellm

9、an）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957年提出了動態(tài)規(guī)劃。,1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念。,卡爾曼,,,,緒論,1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極?。ù螅┲翟怼?龐特里亞金 L.S.Pontryagin,,,,緒論,20世紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應控制理論和應用方面作出了貢

10、獻。,朗道L.D.Landau,與此同時，關于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內容。,,,,緒論,我國著名科學家錢學森將控制理論應用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。,不要失去信心,只要堅持不懈,就終會有成果的。正確的結果，是從大量錯誤中得出來的；沒有大量錯誤作臺階，也就登不上最后正確結果的高座。高等學校的學習，是打基礎的時期，應該強調學好基礎課程。 常常是最后一把鑰匙打開

11、了門。,被譽為“中國航天之父”、“中國導彈之父”、“中國自動化控制之父”和“火箭之王”。,,,,緒論,,,,緒論,一些現(xiàn)代控制理論應用的例子,,,,緒論,導彈穩(wěn)定控制,空空導彈穩(wěn)定控制,地空導彈穩(wěn)定控制,一些現(xiàn)代控制理論應用的例子,,,,緒論,航天器控制,月球車控制,衛(wèi)星控制,一些現(xiàn)代控制理論應用的例子,,,,緒論,機器人控制,空間機器人控制,足球機器人控制,勇氣號在火星上工作,一些現(xiàn)代控制理論應用的例子,,,,緒論,2003年6月10

12、日，名為“勇氣”的火星登陸探測器從美國的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空,2004年1月3日著陸火星表面,2009年5月，在通過特洛伊沙地時，車輪陷入軟土，勇氣號無法動彈，幾次解救行動但都失敗。2010年1月26日NASA宣布放棄拯救，勇氣號從此轉為靜止觀測平臺。2011年3月22日，NASA最后一次聯(lián)絡上勇氣號；2011年5月25日，NASA在最后一次嘗試聯(lián)絡后結束勇氣號的任務。,好奇號火星探測車,,,,緒論,美國第四個火星探測器，也

13、是第一輛采用核動力驅動的火星車，其使命是探尋火星上的生命元素。2011年11月26日23時2分，好奇號火星探測器發(fā)射成功，順利進入飛往火星的軌道。2012年8月6日成功降落在火星表面，展開為期兩年的火星探測任務。,中國火星探測車,,,,緒論,第十屆中國國際航空航天博覽會首次亮相。計劃在2020年實現(xiàn)火星著陸巡視，在2030年實現(xiàn)火星采樣返回。。,,神十飛船與天宮一號交會對接成功,,,,緒論,美國正在研制的高超音速X-51A全球快速打擊武

14、器(B52機翼下所掛的白色高超音速巡航導彈),,,,,緒論,X-51的彈體由鎳合金制成，長度為3.5米，是一種尺寸標準的“空對地”導彈。據估計，該彈的飛行速度將達到大約6000千米/小時，可在20分鐘內從阿拉伯海飛到阿富汗。X-51由波音公司和普拉特-惠特尼公司共同為美國空軍科研實驗室研制。,仿人機器人,,,,緒論,工業(yè)機器人,,,,緒論,,,,,,,,,,,,寬帶鋼熱連軋機,,,寬帶鋼熱連軋機——熱軋帶鋼——熱軋薄板,,,,寬帶鋼冷連

15、軋機——冷軋帶鋼——冷軋薄板,,,,,緒論,本門課程特點,講述控制理論的同時注重介紹實用方法;盡量多應用MATLAB/Simulink軟件工具,使大家易于理解,也便于今后實際應用。32學時。其中講授30學時,考試2學時;評分標準:考試占80分,平時作業(yè)占20分. 課件郵箱: moderncontrol_me @163.com password：ustbme2014,,,,緒論,Thank you,瓦特JamesWat

16、t,（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小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家鐘表店學手藝。15歲學完了《物理學原理》并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術。經過刻苦學習，努力實踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經緯儀等。1756年在格拉斯哥大學當了儀器修理員。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)明在蒸汽機的發(fā)展中起了關鍵性的作用。1768年

17、他制成了一臺單動作蒸汽機 。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機活塞的往運動變?yōu)樾D運動 1782年他發(fā)明了大動力的“雙動作蒸汽機”并獲得專利 1784年他發(fā)明了平行運動連桿機構，解決了雙動作蒸汽機的結構問題。1788年他發(fā)明了離心式調速器和節(jié)氣閥，用來自動控制蒸汽機的運轉速度。1790年發(fā)明了蒸汽機配套用壓力計。,,,,緒論,奈奎斯特,奈奎斯特，美國物理學家，1889年出生在瑞典。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻。奈奎斯特1907

18、年移民到美國并于1912年進入北達克塔大學學習。1917年在耶魯大學獲得物理學博士學位。1917年～1934年在AT&T公司工作，后轉入貝爾電話實驗室工作，在熱噪聲(Johnson-Nyquist noise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻他早期的理論性工作關于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在《貝爾系統(tǒng)技術》期刊上發(fā)表了《影響電報速度傳輸速度的因素》文章，為后來香農的信息論奠定了基礎。  

19、0;  1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)信號（模擬信號）進行抽樣，且在抽樣率達到一定數(shù)值時，根據這些抽樣值可以在接收端準確地恢復原信號。為不使原波形產生“半波損失”，采樣率至少應為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了《電報傳輸理論的一定論題》。,,,,緒論,維納,維納生于哥倫比亞市一個猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時讀中學，11歲進人大學學習．他的數(shù)學知識已超

20、過大學一年級學生的水平，所以轉而熱衷于研究化學、物理、電學了。他18歲時取得了哈佛大學數(shù)學和哲學兩個博士學位，后來又到德國、英國學習，拜著名哲學家羅素、數(shù)學家希爾伯特為師，進一步深造。     維納已是一個很有名的數(shù)學家了，但他對其他學科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個大問題特別引起了他的興趣，一個是電子計算機，另一個是火炮命中率問題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中

21、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。維納又請來了神經專家進行共同研究，發(fā)現(xiàn)機器和人的控制機能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學家進行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來，叫《控制論》。,,,,緒論,1957年于哥倫比亞大學獲得博士學位。在現(xiàn)代控制理論中的卡爾曼濾波器，正是源于他的博士論文和1960年發(fā)表的論文《A New Approach to Linear

22、 Filtering and Prediction Problems》（線性濾波與預測問題的新方法）。,卡爾曼,卡爾曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利數(shù)學家，1930年出生于匈牙利首都布達佩斯。1953、1954年于麻省理工學院分別獲得電機工程學士及碩士學位。,,,,緒論,錢學森,錢學森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國共產黨，博士學位。    

23、 1929年至1934年在上海交通大學機械工程系學習。1935年至1939年在美國麻省理工學院航空工程系學習，獲碩士學位。1936年至1939年在美國加州理工學院航空與數(shù)學系學習，獲博士學位。1939年至1943年任美國加州理工學院航空系研究員。1943年至1945年任美國加州理工學院航空系助理教授（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院航空系副教授。1946年至1949年

24、任美國麻省理工學院航空系副教授、空氣動力學教授。1949年至1955年任美國加州理工學院噴氣推進中心主任、教授。,,,,緒論,1955年回國。歷任中國科技大學近代力學系主任，中國科學院力學研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長，第七機械工業(yè)部副部長。，任國防科工委科學技術委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學會第一、二屆理事長，中國宇航學會、中國力學學會、中國系統(tǒng)工程學會名譽會長，中科院主席團執(zhí)行主任、數(shù)學物理學部委員。19