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(jī)械工程學(xué)院周曉敏,,參考書(shū),,,參考書(shū)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(shū)之二 現(xiàn)代控制理論 劉豹 唐萬(wàn)生 主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2006年9月 或其他近年來(lái)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(yùn)動(dòng)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(jì)6 狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)7 線性二次型最優(yōu)控制,,預(yù)備知識(shí)或先修課程,,,1)自動(dòng)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(dòng),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(hào),輸出信號(hào),,干擾,,噪聲,測(cè)量,決策,執(zhí)行,,,緒論,

3、,,洗衣機(jī)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(dòng)及擾動(dòng)作用下,保持系統(tǒng)性能的能力,在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中以及航空航天，軍事等廣闊領(lǐng)域，自動(dòng)控制都起著至關(guān)重要的作用.根據(jù)發(fā)展過(guò)程,自動(dòng)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(lái)

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(dòng)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問(wèn)題，提出了簡(jiǎn)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(kuò)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(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—?jiǎng)谒古袚?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(bǔ)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(dòng)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(wàn)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(wàn)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(dòng)控制理論）。,,,,緒論,1947年控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來(lái)，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》，書(shū)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(mén)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(diǎn),“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(lèi)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)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(shí)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(jì)系統(tǒng),根

8、據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用合適的,較簡(jiǎn)單的,工程上易于實(shí)現(xiàn)的控制器,然后檢驗(yàn)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)是否都能滿足進(jìn)行修改,往往依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),而不是直接從理論上給出最佳的系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)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(lái)分析和研究多輸入-多輸出(MIMO)、時(shí)變、非線性等系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)濾波、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等復(fù)雜問(wèn)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(dòng)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(cè)性的新概念。,卡爾曼,,,,緒論,1961年龐特里亞金（俄國(guó)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(guó)，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢

10、獻(xiàn)。,朗道L.D.Landau,與此同時(shí)，關(guān)于系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、離散時(shí)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(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并與1954年出版了《工程控制論》。,不要失去信心,只要堅(jiān)持不懈,就終會(huì)有成果的。正確的結(jié)果，是從大量錯(cuò)誤中得出來(lái)的；沒(méi)有大量錯(cuò)誤作臺(tái)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(shí)期，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)學(xué)好基礎(chǔ)課程。 常常是最后一把鑰匙打開(kāi)

11、了門(mén)。,被譽(yù)為“中國(guó)航天之父”、“中國(guó)導(dǎo)彈之父”、“中國(guó)自動(dòng)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(chē)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(jī)器人控制,空間機(jī)器人控制,足球機(jī)器人控制,勇氣號(hào)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(cè)器從美國(guó)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(guò)特洛伊沙地時(shí)，車(chē)輪陷入軟土，勇氣號(hào)無(wú)法動(dòng)彈，幾次解救行動(dòng)但都失敗。2010年1月26日NASA宣布放棄拯救，勇氣號(hào)從此轉(zhuǎn)為靜止觀測(cè)平臺(tái)。2011年3月22日，NASA最后一次聯(lián)絡(luò)上勇氣號(hào)；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(hào)的任務(wù)。,好奇號(hào)火星探測(cè)車(chē),,,,緒論,美國(guó)第四個(gè)火星探測(cè)器，也

13、是第一輛采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車(chē)，其使命是探尋火星上的生命元素。2011年11月26日23時(shí)2分，好奇號(hào)火星探測(cè)器發(fā)射成功，順利進(jìn)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(kāi)為期兩年的火星探測(cè)任務(wù)。,中國(guó)火星探測(cè)車(chē),,,,緒論,第十屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)首次亮相。計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)火星著陸巡視，在2030年實(shí)現(xiàn)火星采樣返回。。,,神十飛船與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接成功,,,,緒論,美國(guó)正在研制的高超音速X-51A全球快速打擊武

14、器(B52機(jī)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(zhǎng)度為3.5米，是一種尺寸標(biāo)準(zhǔn)的“空對(duì)地”導(dǎo)彈。據(jù)估計(jì)，該彈的飛行速度將達(dá)到大約6000千米/小時(shí)，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(guó)空軍科研實(shí)驗(yàn)室研制。,仿人機(jī)器人,,,,緒論,工業(yè)機(jī)器人,,,,緒論,,,,,,,,,,,,寬帶鋼熱連軋機(jī),,,寬帶鋼熱連軋機(jī)——熱軋帶鋼——熱軋薄板,,,,寬帶鋼冷連

15、軋機(jī)——冷軋帶鋼——冷軋薄板,,,,,緒論,本門(mén)課程特點(diǎn),講述控制理論的同時(shí)注重介紹實(shí)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(shí)際應(yīng)用。32學(xué)時(shí)。其中講授30學(xué)時(shí),考試2學(xué)時(shí);評(píng)分標(biāo)準(zhǔn):考試占80分,平時(shí)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(guó)發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個(gè)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(guò)刻苦學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤(pán)、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(guò)程從汽缸中分離出來(lái)的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機(jī)的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年

17、他制成了一臺(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī) 。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 1782年他發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專利 1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來(lái)自動(dòng)控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機(jī)配套用壓力計(jì)。,,,,緒論,奈奎斯特,奈奎斯特，美國(guó)物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。奈奎斯特對(duì)信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907

18、年移民到美國(guó)并于1912年進(jìn)入北達(dá)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(bào)速度傳輸速度的因素》文章，為后來(lái)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(duì)某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號(hào)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(bào)傳輸理論的一定論題》。,,,,緒論,維納,維納生于哥倫比亞市一個(gè)猶太人家里。維納4歲開(kāi)始讀書(shū)。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)人大學(xué)學(xué)習(xí)．他的數(shù)學(xué)知識(shí)已超

20、過(guò)大學(xué)一年級(jí)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(shí)取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個(gè)博士學(xué)位，后來(lái)又到德國(guó)、英國(guó)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(jìn)一步深造。     維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對(duì)其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個(gè)大問(wèn)題特別引起了他的興趣，一個(gè)是電子計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是火炮命中率問(wèn)題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車(chē)這種簡(jiǎn)單的動(dòng)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(chē)按要求行駛。維納又請(qǐng)來(lái)了神經(jīng)專家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器和人的控制機(jī)能有相似之處。后來(lái)，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽(tīng)取對(duì)方的批評(píng)意見(jiàn)，甚至是“攻擊”意見(jiàn)，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來(lái)，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(cè)問(wèn)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(dá)佩斯。1953、1954年于麻省理工學(xué)院分別獲得電機(jī)工程學(xué)士及碩士學(xué)位。,,,,緒論,錢(qián)學(xué)森,錢(qián)學(xué)森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國(guó)共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。    

23、 1929年至1934年在上海交通大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)。1935年至1939年在美國(guó)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(guó)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(guó)加州理工學(xué)院航空系研究員。1943年至1945年任美國(guó)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(guó)加州理工學(xué)院航空系副教授。1946年至1949年

24、任美國(guó)麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動(dòng)力學(xué)教授。1949年至1955年任美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任、教授。,,,,緒論,1955年回國(guó)。歷任中國(guó)科技大學(xué)近代力學(xué)系主任，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員，國(guó)防部第五研究院院長(zhǎng)，第七機(jī)械工業(yè)部副部長(zhǎng)。，任國(guó)防科工委科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)科協(xié)副主席。還歷任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第一、二屆理事長(zhǎng)，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。19