研究生現(xiàn)代控制工程緒論

現(xiàn)代控制工程王軍平

西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院西二樓東221wangjunping@2/2/20231課程目的掌握現(xiàn)代控制理論的基本知識，鍛煉研究生對于解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和綜合等實(shí)際控制問題的能力,特別是應(yīng)用現(xiàn)代控制理論進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的分析與綜合的能力，從而將控制理論和電子技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到機(jī)械系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能化和自動化。這對于推動專業(yè)技術(shù)工作更加深入，充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)的潛能具有重要作用。教材：《現(xiàn)代控制工程》主編：王軍平、董霞，西安交大出版社2/2/20232控制理論及工程的發(fā)展

前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)智能控制(1970-）2/2/20233人類生產(chǎn)方式的進(jìn)步2/2/20234自動化科學(xué)與技術(shù)的歷史沿革中國古代的自動化裝置指南車52/2/20235指南車是中國古代用來指示方向的一種具有能自動離合的齒輪系裝置的車輛。

馬拉雙輪獨(dú)轅車，車箱上立一個(gè)伸臂的木人。裝有能自動離合的齒輪系。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎偏離正南方向時(shí)車轅前端就順此方向移動，而后端則向反方向移動，并將傳動齒輪放落，使車輪的傳動帶動木人下的大齒輪向相反方向轉(zhuǎn)動，恰好抵消車子轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的影響齒輪系車身木人方向車輛轉(zhuǎn)彎2/2/20236 銅壺滴漏2/2/20237銅壺滴漏（刻漏或漏刻）－這種計(jì)時(shí)裝置最初只有兩個(gè)壺，由上壺滴水到下面的受水壺，液面使浮箭升起以示刻度（即時(shí)間）。保持上壺的水位恒定是滴漏計(jì)時(shí)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。這個(gè)問題后來是用互相銜接的多極（3-5極）水壺來解決的平水小壺上有溢水口，可使多余的水泄入減水桶以保持水面恒定。在蓮華漏中還采用一個(gè)浮子式閥門作為自動切斷閥。當(dāng)受水壺的水位升至滿刻度時(shí)，浮子式閥門就會自動阻塞上級平水壺的出水小孔，切斷水滴。2/2/20238

對象和控制器形成控制系統(tǒng)蒸汽源蒸汽機(jī)(對象)負(fù)荷離心式調(diào)速器(調(diào)節(jié)器)進(jìn)汽閥轉(zhuǎn)速測量1788年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)飛球調(diào)速器（圖2）。這種采用機(jī)械式調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)的動力機(jī)速度自動控制是自動化應(yīng)用的第一個(gè)里程碑。2/2/20239經(jīng)典控制理論的形成、發(fā)展和應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)和軍事系統(tǒng)廣泛應(yīng)用各種自動控制裝置，促進(jìn)了對控制系統(tǒng)的分析和綜合的研究2/2/202310隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）在給定環(huán)節(jié)給出的輸入信號是預(yù)先未知的隨時(shí)間變化的函數(shù)2/2/202311經(jīng)典控制理論的發(fā)展和集大成者諾伯特·維納(NorbertWiener)

1894-1964控制論,或動物和機(jī)器的控制和通信,1948(Cybernetics,orcontrolandcommunicationintheanimalandmachine,1948)2/2/202312錢學(xué)森(TsueShenTsian)工程控制論，1954(EngineeringCybernetics)2/2/202313經(jīng)典控制理論穩(wěn)定判據(jù)傳遞函數(shù)、依據(jù)頻率響應(yīng)的頻率法判據(jù)和分析米諾爾斯基:《關(guān)于船舶自動操舵的穩(wěn)定性》黑曾（Hazen）:《關(guān)于伺服機(jī)構(gòu)理論》埃文斯（Evans）:根軌跡法14《控制論》與《工程控制論》的問世吸引了大批的數(shù)學(xué)家與工程技術(shù)專家從事控制論的研究，推動了該學(xué)科的發(fā)展。而電子式控制器的應(yīng)用是自動化應(yīng)用的第二個(gè)里程碑。

2/2/202314現(xiàn)代控制理論復(fù)雜工業(yè)過程和航天技術(shù)的自動控制，涉及多變量控制系統(tǒng)的分析和綜合，迫切需要加以解決1956年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家龐特里亞金提出極大值原理同年美國數(shù)學(xué)家貝爾曼(Bellman)創(chuàng)立動態(tài)規(guī)劃1960年美國數(shù)學(xué)家卡爾曼(Kalman)提出狀態(tài)空間法，以及可控性和可觀性20世紀(jì)60-70年代，英國學(xué)者羅森布羅克等將頻率法推廣到分析和設(shè)計(jì)多變量系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代頻率法152/2/2023152/2/202316計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代自動控制和自動化系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)1946年2月15日，世界上第一臺通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“埃尼阿克

1992年我國自行研制的銀河－II巨型機(jī)2/2/202317現(xiàn)代系統(tǒng)與控制理論形成多個(gè)重要分支自動檢測、遙測、遙控和遙感

系統(tǒng)辯識、建模與仿真模式識別和人工智能

系統(tǒng)工程隨機(jī)系統(tǒng)與控制、模糊集與控制自適應(yīng)控制和自校正控制

最優(yōu)控制智能控制魯棒控制離散時(shí)間動態(tài)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)

2/2/202318自動化科學(xué)與技術(shù)的研究范疇過程自動化與控制綜合自動化與計(jì)算機(jī)集成制造機(jī)器人及應(yīng)用智能交通系統(tǒng)巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機(jī)太空飛行網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)小世界網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò)2/2/202319綜合自動化與計(jì)算機(jī)集成制造機(jī)械自動化－數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)靈活、通用、高精度、高效率的“柔性”自動化生產(chǎn)技術(shù)—數(shù)字控制（簡稱數(shù)控）柔性制造系統(tǒng)（FMS）

在數(shù)控基礎(chǔ)上的高度自動化加工形式，由統(tǒng)一的控制系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)成一組加工設(shè)備2/2/202320柔性制造系統(tǒng)（FMS）2/2/202321計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將制造過程、計(jì)劃調(diào)度、經(jīng)營管理和市場銷售等信息進(jìn)行集成，并求得全局優(yōu)化2/2/202322機(jī)器人理論與應(yīng)用涉及幾乎所有先進(jìn)控制理論：非線性控制、魯棒控制、最優(yōu)控制、智能控制等涉及機(jī)器視覺、模式識別、信息融合等2/2/2023232/2/202324智能汽車視聽覺信息的認(rèn)知計(jì)算驗(yàn)證平臺，提供新的基于人—車—路狀態(tài)綜合分析的智能輔助安全駕駛關(guān)鍵技術(shù)

2009年6月4—5日，西安浐灞生態(tài)區(qū)

2/2/202325高速列車采用交流傳動技術(shù)，控制系統(tǒng)采用分布式微機(jī)控制裝置等進(jìn)行智能控制我國高速“子彈頭”列車，時(shí)速達(dá)300多km/Hr。磁懸浮高速列車已在上海運(yùn)行，最高速430km/Hr。2/2/202326巡航導(dǎo)彈和預(yù)警飛機(jī)巡航導(dǎo)彈及其測控系統(tǒng)

在翼式導(dǎo)彈和無人駕駛遙控飛機(jī)的基礎(chǔ)上，利用紅外成像技術(shù)、GPS、精密制導(dǎo)和控制技術(shù)、隱形技術(shù)制造出精度高、成本低的低空突防武器——巡航導(dǎo)彈，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭特別是局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用2/2/202327預(yù)警飛機(jī)機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)中的自動化技術(shù)空中預(yù)警飛機(jī)是用于搜索、監(jiān)視和跟蹤空中和海上目標(biāo)，達(dá)到快捷準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)敵人目標(biāo)、有效跟蹤目標(biāo)，并指揮攔截或阻擊敵人目標(biāo)。

美制E-3“望樓”空中預(yù)警飛機(jī)有源相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)、陣列信號、空時(shí)二維信號處理技術(shù)、機(jī)載環(huán)境下光學(xué)探測及圖像處理技術(shù)、多目標(biāo)跟蹤與多傳感信息融合技術(shù)、敵我識別技術(shù)、機(jī)載并行計(jì)算機(jī)技術(shù)、態(tài)勢評估、威脅評估和戰(zhàn)斗輔助決策指揮技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)

2/2/202328太空飛行人造飛船人造衛(wèi)星登月國際空間站2/2/202329國際空間站一座有兩個(gè)足球場大小的空間站，將成為人類歷史上第一個(gè)完備的太空實(shí)驗(yàn)室。嫦娥一號2/2/202330神舟號載人飛船2/2/202331網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)小世界網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▍⒖脊鸫髮W(xué)DavidPepyne博士講稿）網(wǎng)絡(luò)信息安全傳感器網(wǎng)絡(luò)2/2/202332集成化網(wǎng)絡(luò)安全防衛(wèi)系統(tǒng)演示配置圖NSMS通信服務(wù)器數(shù)據(jù)中心Console1Console2Console3主機(jī)檢測控制臺XJTUNetSensor(LINUX版)XJTUNetSensor(WIN版)XJTUHostSensorSnortNetworkSensorWWW服務(wù)器應(yīng)用主機(jī)1應(yīng)用主機(jī)2黑客路由器PIX防火墻CheckPoint防火墻WWW服務(wù)器黑客22/2/202333傳感器網(wǎng)絡(luò)

以無線通信功能的微型傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)（SensorNetwork）為基礎(chǔ)的泛計(jì)算（PervasiveComputing）、泛監(jiān)控（PervasiveSupervision）信息網(wǎng)絡(luò)國防和軍事用途傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID（RadioFrequencyID）技術(shù)相結(jié)合有可能全程監(jiān)控物流和生產(chǎn)制造設(shè)備，徹底改變現(xiàn)有生產(chǎn)制造過程的控制與優(yōu)化方法342/2/202334傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用2/2/202335RFID應(yīng)用

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

2/2/202336智能織物

智能灰塵能夠探測疾病、監(jiān)測心律和其他生命體征的電子紡織品

智能灰塵”并不是真正意義上的灰塵,實(shí)際上它是由無數(shù)超微型傳感器組成的監(jiān)測系統(tǒng),

2/2/202337物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThings”。無需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。2/2/202338物聯(lián)網(wǎng)：上海浦東國際機(jī)場防入侵系統(tǒng)

3萬多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，覆蓋了地面、柵欄和低空探測，可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵

2/2/202339

智能交通系統(tǒng)智能交通系統(tǒng):利用現(xiàn)代信息技術(shù)為核心，利用先進(jìn)的通訊、計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對交通的實(shí)時(shí)控制與指揮管理。

提高公路交通的安全性;降低能源消耗，減少汽車運(yùn)輸對環(huán)境的影響;提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力;提高汽車運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益2/2/202340自動化科學(xué)與技術(shù)的新發(fā)展自動化科學(xué)與技術(shù)正面臨第三次突破復(fù)雜性智能化網(wǎng)絡(luò)化期待大家的參與2/2/202341現(xiàn)代復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)分析

圖1-14數(shù)控機(jī)床工作臺驅(qū)動系統(tǒng)

2/2/202342由于熱、力、磨損、間隙造成的閉環(huán)控制失穩(wěn)秦川VTM180機(jī)床X-Y軸圓插補(bǔ)誤差實(shí)測結(jié)果C軸(旋轉(zhuǎn))誤差測試結(jié)果秦川Y7332A磨齒機(jī)溫度-絲杠伸長以及運(yùn)動誤差試驗(yàn)結(jié)果50分鐘2/2/202343復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考軋制板材厚度由壓力、張力、速度、潤滑綜合確定厚差、板型的變化——時(shí)變系統(tǒng)發(fā)散、自激、復(fù)合強(qiáng)迫振動現(xiàn)象——非線性復(fù)雜耦合復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)是一個(gè)非線性耦合系統(tǒng)圖8熱軋裝備2/2/202344復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考混合動力汽車能量管理第一個(gè)層次：工作模式的切換規(guī)則，屬于離散事件動態(tài)系統(tǒng)，第二個(gè)層次：能量流的優(yōu)化分配問題。多目標(biāo)（燃料經(jīng)濟(jì)性，排放，成本等等）多變量（既包括連續(xù)變量又包括離散變量）的非線性動態(tài)優(yōu)化問題。同時(shí)能量需求時(shí)變性與傳動系統(tǒng)動力及運(yùn)動傳遞的不確定性也增加了優(yōu)化與控制的難度。

2/2/202345復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考整車控制系統(tǒng)：多輸入多輸出耦合系統(tǒng)2/2/202346復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)基礎(chǔ)研究的思考2/2/202347基于視覺的微裝配與操作:宏觀和微觀的結(jié)合！宏觀世界微觀世界運(yùn)動控制器放大器視覺控制器圖像特征提取傳感器+-攝像機(jī)機(jī)器人2/2/202348三、古典控制理論與現(xiàn)代控制理論的比較：1、古典控制理論：

五十年代末形成了完整的體系1）把系統(tǒng)當(dāng)作“黑箱”，不反映黑箱內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系；2）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，不完全描述；3）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)之上的；4）局限性：局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時(shí)變系統(tǒng)G(s)Y(s)U(s)是分析方法而不是最佳的綜合方法，試湊法為主，滿足性能指標(biāo)為目的，無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的系統(tǒng)，針對某個(gè)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案多樣局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）只能研究確定性的系統(tǒng)，不適合隨機(jī)系統(tǒng)2/2/202349既適合線性定常系統(tǒng)，也適合非線性及系統(tǒng)2、現(xiàn)代控制理論：不斷發(fā)展中1）越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，古典控制理論不能勝任，于50年代末60年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，建立在古典控制理論基礎(chǔ)上。2）時(shí)域法，狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，深入系統(tǒng)內(nèi)部，是內(nèi)部描述，完全描述；3）分段描述：將輸入輸出間關(guān)系分成兩段來描述第一段：輸入引起系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化－－－狀態(tài)方程第二段：內(nèi)部狀態(tài)引起系統(tǒng)輸出的變化－－－輸出方程4）優(yōu)點(diǎn)（相對于古典控制）：狀態(tài)變量，內(nèi)部變量外部變量外部變量分析綜合方法，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初始條件和輸入來刻劃既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機(jī)系統(tǒng)既適合SISO系統(tǒng)，也適合MIMO系統(tǒng)2/2/202350控制系統(tǒng)分類按照輸入輸出關(guān)系線性系統(tǒng)：同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件

非線性系統(tǒng)：不同時(shí)滿足疊加原理和齊次性條件按照系統(tǒng)參數(shù)和時(shí)間關(guān)系：定常系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，如A。

常系數(shù)微分/差分方程描述

時(shí)變系統(tǒng)：系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化，如A(t)。

時(shí)變系數(shù)微分/差分方程描述2/2/2023511）系統(tǒng)的描述：解決系統(tǒng)的建模、各種數(shù)學(xué)模型(時(shí)域、頻域、內(nèi)部、外部描述)之間的相互轉(zhuǎn)換。2）系統(tǒng)的分析：研究系統(tǒng)的以下特性：定量變化規(guī)律：如狀態(tài)方程的解，即系統(tǒng)的運(yùn)動分析等；定性行為：如能控性、能觀測性、穩(wěn)定性等。1、系統(tǒng)的描述與分析：控制系統(tǒng)分析和綜合問題按控制作用和控制時(shí)間分分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)2/2/2023523）古典控制：附加微分、積分等環(huán)節(jié)校正系統(tǒng)，通過根軌跡法等對系統(tǒng)極點(diǎn)進(jìn)行配置?，F(xiàn)代控制：狀態(tài)反饋對系統(tǒng)極點(diǎn)進(jìn)行任意配置。2）系統(tǒng)品質(zhì)在很大程度上取決于系統(tǒng)極點(diǎn)的配置。通過將極點(diǎn)置于特定的位置，使系統(tǒng)品質(zhì)達(dá)到滿意的程度。3、系統(tǒng)品質(zhì)：1）系統(tǒng)品質(zhì)不能令人滿意，需要對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)(被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型)的基礎(chǔ)上，尋求控制規(guī)律，以使系統(tǒng)具有某種期望的性能指標(biāo)，即系統(tǒng)品質(zhì)。2、系統(tǒng)的綜合與設(shè)計(jì)：2/2/2023531）以漸近穩(wěn)定為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為鎮(zhèn)定問題；3）使一個(gè)MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)輸入只控制一個(gè)輸出作為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為解耦問題。4）將系統(tǒng)的輸出y(t)無靜差地跟蹤一個(gè)外部信號的能力，作為性能指標(biāo)，相應(yīng)的綜合問題稱為跟蹤問題。4、