現(xiàn)代控制理論-第1章-緒論課件

現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)

ModernControlTheory現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)ModernCo1第一章

緒論

§

1.1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

§

1.3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(yīng)用第一章緒論§1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展2

§

1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

同學(xué)們，我們都知道：控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)，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)展同學(xué)們3第一階段:經(jīng)典(自動)控制理論

經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱為自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一萌芽階段如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個發(fā)展階段：第一階段:經(jīng)典(自動)控制理論經(jīng)典控制理41.兩千年前我國發(fā)明的

指南車，就是一種開

環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我國發(fā)明的水運儀象臺，

就是一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系

統(tǒng)。水運儀象臺1.兩千年前我國發(fā)明的

指南車，就是一種開5二起步階段

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀，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。瓦特二起步階段隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八6三發(fā)展階段1.1868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）三發(fā)展階段1.1868年馬克斯韋爾（J.C.Maxwe71895年勞斯（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)。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。赫爾維茨（Hurwitz）1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬83.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)提供了所需的分析工具。

奈奎斯特3.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，194.1948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）。4.1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究10四標(biāo)志階段

1.1947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，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝浮f納四標(biāo)志階段1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家韋112.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》。錢學(xué)森2.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19512

從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)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(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（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）。從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用13第二階段現(xiàn)代控制理論科學(xué)技術(shù)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(zhǔn)備了兩個重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計算機?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)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(yīng)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(shù)、空間技術(shù)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)。第二階段現(xiàn)代控制理論科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需141.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957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(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1.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析154.羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)3.1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極小（大）值原理。龐特里亞金L.S.Pontryagin4.羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（164.羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論-第1章-緒論ppt課件175.20世紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻。

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。朗道L.D.Landau5.20世紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國，L.18第三階段魯棒控制理論階段

1.由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)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(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：第三階段魯棒控制理論階段1.由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著19大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結(jié)

構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等

問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結(jié)

20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(luò)控制智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信

21復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范

籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。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(fù)雜航天器控制復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范

22現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)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(yīng)控制理論智能控制理論§1.2現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容為:§1.2現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容23§

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

分析方法頻域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法

復(fù)域、實域，可控和可觀測

設(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)

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24§

1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)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(fù)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(fù)雜的規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)等各個領(lǐng)域?！?.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用比起經(jīng)典控制理論25倒立擺穩(wěn)定控制單級倒立擺穩(wěn)定控制二級倒立擺穩(wěn)定控制倒立擺穩(wěn)定控制單級倒立擺穩(wěn)定控制二級倒立擺穩(wěn)定控制26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27航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制28機器人控制空間機器人控制足球機器人控制機器人控制空間機器人控制足球機器人控制29[課堂小結(jié)]現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)容、研究方法和應(yīng)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(yīng)用。End[課堂小結(jié)]現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)容、研究方法和應(yīng)用；30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(fù)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，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(dāng)于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動化設(shè)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(xué)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”。

指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不31整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相當(dāng)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(guān)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(qū)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(xué)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。整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層，相32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，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,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)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。1753年又跟有名的機械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。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。

到此為止，瓦特完成了對蒸汽機的整套發(fā)明過程。33

為貝爾電話實驗室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquistnoise)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)。

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》。

1954年，他從貝爾實驗室退休。奈奎斯特奈奎斯特，美國物理學(xué)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(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。

奈奎斯特奈奎斯特，美國物理學(xué)家，34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》。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351955年回國。1955年至1946年任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機械工業(yè)部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學(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