現(xiàn)代控制理論課件

1、同濟大學汽車學院 2013講授: 鐘再敏 教授 Tel：1304063186 E-mail：zm_助教:成績:期終考試: 70%作業(yè): 15%出席: 15%現(xiàn)代控制理論基礎現(xiàn)代控制理論基礎 同濟大學 汽車學院College of Automotive, Tongji University教材：曲延濱.王新生. 現(xiàn)代控制理論基礎.哈爾濱工業(yè)大學出版社.2005同濟大學汽車學院 2013課程內(nèi)容：課程內(nèi)容：緒論控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述線性控制系統(tǒng)的運動分析線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性控制系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器最優(yōu)控制同濟大學 汽車學院College of Automotive

2、, Tongji University同濟大學汽車學院 2013第一章第一章 緒緒 論論 1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2 現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容 1.3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異 1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學 汽車學院College of Automotive, Tongji University同濟大學汽車學院 2013 1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展控制理論作為一門科學技術，已經(jīng)廣泛地運用于我們社會生活的方方面面。洗衣機智能控制電冰箱溫度控制1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代

3、控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013第一階段: 經(jīng)典(自動)控制理論 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論即古典控制理論古典控制理論,也稱為自動控制理自動控制理論論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一一 萌芽階段萌芽階段 如果要追朔自動控制技術的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術的萌芽萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個發(fā)展階段：1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20131. 兩千年前我國發(fā)明的 指南車指南車，就是一種開開 環(huán)環(huán)自動調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。指南車2. 公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我國發(fā)明的水運儀象臺水運儀象臺， 就是一

4、種閉環(huán)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水運儀象臺1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013二二 起步階段起步階段 隨著科學技術與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀十八世紀，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（瓦特（J.WattJ.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。瓦特瓦特1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013三三 發(fā)展階段發(fā)展階段1. 1868年馬克斯韋爾馬克斯韋爾（J.C.MaxwellJ.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)

5、判據(jù)。馬克斯韋爾（馬克斯韋爾（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013 1895年勞斯（勞斯（RouthRouth）與赫赫爾維茨（爾維茨（HurwitzHurwitz）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(jù)勞斯判據(jù)勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)赫爾維茨判據(jù)。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。 赫爾維茨（赫爾維茨（HurwitzHurwitz）1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20133.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具

6、有準確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應法頻率響應法，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)提供了所需的分析工具。 奈奎斯特奈奎斯特1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20134.1948年伊萬斯（伊萬斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了復數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法根軌跡法。 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(jīng)典（古典）控制理論經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。（或自動控制理論）。1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理

7、論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013四四 標志階段標志階段 1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學家韋納韋納（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年出版了控制論控制論關于在動物和機器中關于在動物和機器中控制與通訊的科學控制與通訊的科學，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學科奠定了基礎?？刂普撝缚刂普撝疙f納韋納1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20132.我國著名科學家錢學森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工程控制論。錢學森錢學森1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)

8、生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013 從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應用使整個世界的科學水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設的各個領域都廣泛采用了自動化控制技術。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。問題: (正/負)反饋, 頻率, 穩(wěn)定, 校正的本質1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013第二階段 現(xiàn)代控制理論 科學技術的發(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)展準備了兩個重要的條件現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)學和數(shù)字計算機代數(shù)學和數(shù)字計算機。 現(xiàn)代數(shù)學，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)

9、代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應用的平臺。 在二十世紀五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術、空間技術的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。 1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20131.五十年代后期，貝爾曼（貝爾曼（BellmanBellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在19571957年年提出了動態(tài)規(guī)劃。2.1959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?？柭?.1 現(xiàn)代控制理

10、論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20134. 羅森布洛克羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設計的現(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)方程之間的等價轉換關系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎3. 1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極?。ù螅┲翟怼｝嬏乩飦喗?.S.Pontryagin1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20134. 羅森布洛克羅森布洛

11、克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設計的現(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)方程之間的等價轉換關系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 20135. 20世紀70年代奧斯特隆奧斯特隆姆姆（瑞典）和朗道朗道（法國，L.D.Landau）在自適應控制自適應控制理論理論和應用方面作出了貢獻。 與此同時，關于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離

12、散時間系統(tǒng)統(tǒng)和自適應控制自適應控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。 朗道朗道L.D.Landau1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013第三階段 魯棒控制理論階段 1. 由于現(xiàn)代數(shù)學的發(fā)展，結合著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。2. 20世紀70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、 “智能控制理論”和“復雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013大系統(tǒng)理論：大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結 構方案、總體設計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題的技術基礎理

13、論。復雜大系統(tǒng)控制復雜大系統(tǒng)控制1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013智能控制理論：智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人 智能 的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機智能模糊控制機器人神經(jīng)網(wǎng)絡控制1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013復雜系統(tǒng)理論：復雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復雜巨系統(tǒng)的范 籌，以解決復雜系統(tǒng)的控制為目標。 回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進入電氣化時代，并走向自動化、信息化、智能化時代。復雜航天器控制1

14、.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展同濟大學汽車學院 2013現(xiàn)代控制理論基礎的內(nèi)容為: :線性系統(tǒng)理論 最優(yōu)控制理論最優(yōu)估計理論 系統(tǒng)辨識理論自適應控制理論 智能控制理論 1.2 1.2 現(xiàn)代控制理論基礎的內(nèi)容現(xiàn)代控制理論基礎的內(nèi)容1.2 現(xiàn)代控制理論基礎的內(nèi)容現(xiàn)代控制理論基礎的內(nèi)容同濟大學汽車學院 2013 1.3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異 經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論 研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)高階微分方程 多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO) :一階微分方程 研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述) 狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述) 研究工具拉普拉斯變換 線性代數(shù)矩陣 分析方法頻

15、域(復域),頻率響應和根軌跡法 復域、實域，可控和可觀測 設計方法PID控制和校正網(wǎng)絡 狀態(tài)反饋和輸出反饋 其他 頻率法的物理意義直觀、實用，難于實現(xiàn)最優(yōu)控制 易于實現(xiàn)實時控制和最優(yōu)控制 1.3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異同濟大學汽車學院 2013 1.3 現(xiàn)代控制理論的應用 比起經(jīng)典控制理論, 現(xiàn)代控制理論考慮問題更全面、更復雜,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,但符合從簡單到復雜的規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設等各個領域。1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學汽車學院 2013倒立擺穩(wěn)定控制單級

16、倒立擺穩(wěn)定控制二級倒立擺穩(wěn)定控制1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學汽車學院 2013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1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學汽車學院 2013航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學汽車學院 2013機器人控制空間機器人控制足球機器人控制1.4 現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)代控制理論的應用同濟大學汽車學院 2013課堂小結 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)容、研究方法和應用；2. 經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的差異；3. 現(xiàn)代控制理論的應用。End同濟大學 汽車學院College of Auto

17、motive, Tongji University同濟大學汽車學院 2013 指南車與司南、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雜的機械。是一種雙輪獨轅車。它的中央有一個大平輪，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，右邊的車輪就會帶動小齒輪，小齒輪再帶動大平輪，使大平輪相反地向右轉。如果車子向右轉，同樣地，大平輪則向左轉。因此，只要指南車開動以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉還是向右轉，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。這種齒輪傳動類似現(xiàn)代汽車用的差動齒輪，相當于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指

18、南車，可以說是世界上最早的自動化設備。 指南車 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械之一。用英國著名科學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器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機”。 同濟大學汽車學院 2013 整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺渾儀， 屋的頂板可以自由開啟，平時關閉屋頂，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)均安排了若干個木人，5層共有162個木人，它們各司其職：每到一定的時刻，就會有木人自行出來打鐘、擊

19、鼓或敲打樂器、報告時刻、指示時辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏刻和一套機械傳動裝置，可以說這里是整個水運儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機輪，驅動傳動裝置，渾儀、渾象和報時裝置便會按部就班地動作起來。 這臺儀器的制造水平堪稱一絕，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。水運儀象臺 水運儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。 同濟大學汽車學院 2013 到此為止，瓦特完成了對蒸汽機的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進，

20、使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機高效率瓦特蒸汽機的發(fā)明者稱號。 瓦特JamesWatt （JamesWatt,17361819）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。1753年他在一家鐘表店學手藝。 1753年又跟有名的機械師摩爾根當學徒。經(jīng)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(jīng)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

21、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(diào)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。 同濟大學汽車學院 2013 為貝爾電話實驗室的工程師，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

22、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(nóng)的信息論奠定了基礎。 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確地恢復原信號。為不使原波形產(chǎn)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。 1954年，他從貝爾實驗室退休。奈奎斯特 奈奎斯特，美國物理學家，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。奈奎斯特1907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

23、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。 同濟大學汽車學院 2013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。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)學知識已超過大學一年級學生的水平，所以轉而熱衷于研究化學、同濟大學汽車學院 20131955年回國。1955年至1966年任中國科學院力學研究所所長、研究員，國防部第五研