現(xiàn)代控制理論與工程課件

1、第一章第一章 概述概述 1.1 現(xiàn)代控制理論的基本概念現(xiàn)代控制理論的基本概念 與古典控制理論相比，現(xiàn)代控制理論主與古典控制理論相比，現(xiàn)代控制理論主要用來解決多輸入要用來解決多輸入-多出系統(tǒng)的問題，并且被多出系統(tǒng)的問題，并且被控對象可以是線性或非線性系統(tǒng)、定?；驎r(shí)控對象可以是線性或非線性系統(tǒng)、定?；驎r(shí)變系統(tǒng)。現(xiàn)代控制理論是基于時(shí)域的狀態(tài)空變系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論是基于時(shí)域的狀態(tài)空間分析方法，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制的研究。間分析方法，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制的研究?，F(xiàn)代控制理論的名稱是在現(xiàn)代控制理論的名稱是在1960年召開的美國年召開的美國自動(dòng)化大會上正式提出來的。自動(dòng)化大會上正式提出來的。 古典控制理論主

2、要用來解決單輸入古典控制理論主要用來解決單輸入-單輸單輸出問題，所涉及的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)。出問題，所涉及的系統(tǒng)大多是線性定常系統(tǒng)。如果將瓦特如果將瓦特1769年發(fā)明的離心調(diào)速器作為最年發(fā)明的離心調(diào)速器作為最早的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，那么到早的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，那么到20世紀(jì)世紀(jì)50年年代形成完整和獨(dú)立的古典控制理論，則經(jīng)過代形成完整和獨(dú)立的古典控制理論，則經(jīng)過了一百多年。這種以頻域方法為基礎(chǔ)的古典了一百多年。這種以頻域方法為基礎(chǔ)的古典控制理論在解決一般的控制問題上十分有效?？刂评碚撛诮鉀Q一般的控制問題上十分有效。 古典控制理論的廣泛應(yīng)用給人類帶來了巨古典控制理論的廣泛應(yīng)用給人類帶來了巨大的經(jīng)

3、濟(jì)和社會效益，同時(shí)也導(dǎo)致了自動(dòng)控制大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，同時(shí)也導(dǎo)致了自動(dòng)控制技術(shù)的誕生和發(fā)展。最大的成果之一是技術(shù)的誕生和發(fā)展。最大的成果之一是PID控制控制規(guī)律的產(chǎn)生，對于無時(shí)間延遲的單回路控制系規(guī)律的產(chǎn)生，對于無時(shí)間延遲的單回路控制系統(tǒng)很有效，在工業(yè)過程控制中仍被廣泛應(yīng)用。統(tǒng)很有效，在工業(yè)過程控制中仍被廣泛應(yīng)用。 另一方面，對于上述復(fù)雜控制問題，應(yīng)用另一方面，對于上述復(fù)雜控制問題，應(yīng)用古典控制理論很難解決。在這種背景下，現(xiàn)代古典控制理論很難解決。在這種背景下，現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。而且計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控制理論應(yīng)運(yùn)而生。而且計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的進(jìn)步也為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展提供了有力學(xué)的進(jìn)步也

4、為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展提供了有力的支持。龐德里亞金的極大值原理、貝爾曼的的支持。龐德里亞金的極大值原理、貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃和卡爾曼濾波的理論成果，奠定了現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃和卡爾曼濾波的理論成果，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。代控制理論的基礎(chǔ)。 焊接機(jī)器人的組成焊接機(jī)器人的組成1焊炬焊炬送絲機(jī)送絲機(jī)焊絲焊絲焊接電源焊接電源機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人本體機(jī)器人本體電弧焊電弧焊 而汽車制造過程中的激光焊接、軋鋼過而汽車制造過程中的激光焊接、軋鋼過程的滾輪控制及石油化工提煉等都應(yīng)用了最程的滾輪控制及石油化工提煉等都應(yīng)用了最優(yōu)控制技術(shù)。顯然，隨著控制理論與計(jì)算機(jī)優(yōu)控制技術(shù)。顯然，隨著控制理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代

5、控制理論內(nèi)容也會不技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制理論內(nèi)容也會不斷得到進(jìn)一步的充實(shí)，并在工程上得到更廣斷得到進(jìn)一步的充實(shí)，并在工程上得到更廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。泛的應(yīng)用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 1.2 現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容 現(xiàn)代控制理論主要包括以下內(nèi)容。現(xiàn)代控制理論主要包括以下內(nèi)容。 1. 線性系統(tǒng)理論線性系統(tǒng)理論 主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)分析、穩(wěn)主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)分析、穩(wěn)定性分析、能控與能觀測性、狀態(tài)反饋與觀測器定性分析、能控與能觀測性、狀態(tài)反饋與觀測器等問題。等問題。 2最優(yōu)控制最優(yōu)控制 在給定的約束條件和評價(jià)函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)）在給定的約束條

6、件和評價(jià)函數(shù)（目標(biāo)函數(shù)）下，尋求使系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)的控制規(guī)律。其中，下，尋求使系統(tǒng)性能指標(biāo)最優(yōu)的控制規(guī)律。其中，龐德里亞金極大值原理和貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃是最龐德里亞金極大值原理和貝爾曼的動(dòng)態(tài)規(guī)劃是最重要的兩種方法。重要的兩種方法。焊接機(jī)器人實(shí)物圖圖1-6 閉環(huán)控制系統(tǒng)iucXiucX tuU tucYLRLC110AL10B01C 0D52輸出方程狀態(tài)方程DUCXYBUAXX UDXCYUBXAXttttububububyayayaynnnnnnnn11011)1()()()(ubyayayaynnnnn11)()( )1(21nnyxyxyxubxaxaxaubyayayayxxyxxyxnnnnnnnnnn1211)1(11)(3)2(221ubxxxaaaaxxxnnnnnn001000010000102112121nxxxy21001uyyyy76103 yx 1yx2yx 3uxxxxxx7003106100010321321321001xxxyububububyayayaynnnnnnnn11011) 1()()()( uxxxaaaaxxxnnnnnn212112121100001000010 uxxxyn02100101111021122011100nnnnnaaabaababbuuyyyy64016064019218 181a192