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(xué)機械工程學(xué)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(xué)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(nèi)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(shè)計6 狀態(tài)觀測器設(shè)計7 線性二次型最優(yōu)控制,,預(yù)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(shè)定,增加,轉(zhuǎn)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(biāo),穩(wěn)定性快速性準(zhǔn)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(chǎn)過程中以及航空航天，軍事等廣闊領(lǐng)域，自動控制都起著至關(guān)重要的作用.根據(jù)發(fā)展過程,自動控制理論分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分.20世紀(jì)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(jīng)典控制理論;大致從20世紀(jì)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(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)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(diào)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(diào)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(jù)。,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(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀(jì)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(zhǔn)確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài) 準(zhǔn)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(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)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(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動物和機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

7、門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。,控制論之父——韋納,,,,緒論,經(jīng)典控制理論的特點,“經(jīng)典控制理論”的內(nèi)容是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，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(shè)計問題。,,,,緒論,經(jīng)典控制理論的不足和局限性1）經(jīng)典控制理論基本只限于研究線性時不變系統(tǒng);2）經(jīng)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(jié)構(gòu)的內(nèi)在性質(zhì);3）經(jīng)典控制理論采用試探法設(shè)計系統(tǒng),根

8、據(jù)經(jīng)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(zhì)指標(biāo)是否都能滿足進行修改,往往依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗,而不是直接從理論上給出最佳的系統(tǒng)化的設(shè)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(chǔ)，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(yīng)控制等復(fù)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(yīng)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(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢

10、獻。,朗道L.D.Landau,與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。,,,,緒論,我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)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(jié)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(jié)果的高座。高等學(xué)校的學(xué)習(xí)，是打基礎(chǔ)的時期，應(yīng)該強調(diào)學(xué)好基礎(chǔ)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(dǎo)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(yīng)用的例子,,,,緒論,導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,一些現(xiàn)代控制理論應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)為靜止觀測平臺。2011年3月22日，NASA最后一次聯(lián)絡(luò)上勇氣號；2011年5月25日，NASA在最后一次嘗試聯(lián)絡(luò)后結(jié)束勇氣號的任務(wù)。,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(qū)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(wù)。,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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的“空對地”導(dǎo)彈。據(jù)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(nèi)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(yīng)用MATLAB/Simulink軟件工具,使大家易于理解,也便于今后實際應(yīng)用。32學(xué)時。其中講授30學(xué)時,考試2學(xué)時;評分標(biāo)準(zhǔn):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(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)。經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)，努力實踐，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)明在蒸汽機的發(fā)展中起了關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)，解決了雙動作蒸汽機的結(jié)構(gòu)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動控制蒸汽機的運轉(zhuǎn)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(xué)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(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(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)。  

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(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)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(xué)，11歲進人大學(xué)學(xué)習(xí)．他的數(shù)學(xué)知識已超

20、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歲時取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個博士學(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，進一步深造。     維納已是一個很有名的數(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(jīng)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(xué)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(xué)獲得博士學(xué)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(yù)測問題的新方法）。,卡爾曼,卡爾曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利數(shù)學(xué)家，1930年出生于匈牙利首都布達佩斯。1953、1954年于麻省理工學(xué)院分別獲得電機工程學(xué)士及碩士學(xué)位。,,,,緒論,錢學(xué)森,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。    

23、 1929年至1934年在上海交通大學(xué)機械工程系學(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)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

24、任美國麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動力學(xué)教授。1949年至1955年任美國加州理工學(xué)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(xué)近代力學(xué)系主任，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，第七機械工業(yè)部副部長。，任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學(xué)會第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會名譽會長，中科院主席團執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。19