研究生现代控制工程绪论剖析

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1、现代控制工程现代控制工程 王军平 西安交通大学机械学院 西二楼东221 wangjunping Date1 课程目的 掌握现代控制理论的基本知识，锻炼研究生对 于解决复杂系统的分析和综合等实际控制问题 的能力, 特别是应用现代控制理论进行复杂机 电系统的分析与综合的能力，从而将控制理论 和电子技术相结合应用到机械系统中，实现智 能化和自动化。这对于推动专业技术工作更加 深入，充分发挥专业技术的潜能具有重要作用 。 教材： 现代控制工程 主编：王军平、董霞，西安交大出版社 Date2 控制理论及工程的发展控制理论及工程的发展 前期控制前期控制 (1400BC-1900)(1400BC-1900)

2、 经典控制经典控制 (1935-1950)(1935-1950) 现代控制现代控制 (1950-Now)(1950-Now) 智能控制智能控制 (1970-(1970-） Date3 人类生产方式的进步 Date4 自动化科学与技术的历史沿革 n中国古代的自动化装置 p指南车 5 Date5 指南车是中国古代用来指示方向的一种具有能 自动离合的齿轮系装置的车辆。 马拉双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。装有能 自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕 前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将 传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向 相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响

3、齿轮系 车身 木人 方向车辆 转弯 Date6 p铜壶滴漏 Date7 铜壶滴漏 （刻漏或漏刻） 这种计时装置最初只有两 个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以示 刻度（即时间）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确的 关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶来 解决的 平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水 面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断 阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动 阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴。 Date8 p 对象和控制器形成控制系统 蒸汽源 蒸汽机 (对象) 负荷 离心式 调速器 (调节器) 进汽阀 转速

4、测 量 p1788年瓦特发明蒸汽机飞球 调速器（图2）。这种采用机 械式调节原理实现的动力机 速度自动控制是自动化应用 的第一个里程碑。 Date9 经典控制理论的形成、发展和应用 工业生产和军事系统广泛应用各种自动控制装置，促进 了对控制系统的分析和综合的研究 Date10 随动系统（伺服系统） 在给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数 Date11 经典控制理论的发展和集大成者 诺伯特维纳 (Norbert Wiener) 1894-1964 控制论,或动物和机器的控制和通信, 1948 (Cybernetics, or control and communication in

5、 the animal and machine, 1948) Date12 钱学森 (Tsue Shen Tsian) 工程控制论，1954 (Engineering Cybernetics) Date13 n 经典控制理论 p稳定判据 p传递函数、依据频率响应的频率法判据和分 析 p米诺尔斯基:关于船舶自动操舵的稳定性 p黑曾（Hazen）:关于伺服机构理论 p埃文斯（Evans）:根轨迹法 14 控制论与工程控制论的问世吸引了大批的数 学家与工程技术专家从事控制论的研究，推动了该学 科的发展。而电子式控制器的应用是自动化应用的第 二个里程碑。 Date14 现代控制理论 p复杂工业过程和航

6、天技术的自动控制，涉及多变量 控制系统的分析和综合，迫切需要加以解决 p1956年苏联数学家庞特里亚金提出极大值原理 p同年美国数学家贝尔曼(Bellman)创立动态规划 p1960年美国数学家卡尔曼(Kalman)提出状态空 间法，以及可控性和可观性 p20世纪60-70年代，英国学者罗森布罗克等将频 率法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率 法 15 Date15 Date16 计算机的出现和发展 是现代自动控制和自动化系统的物质基础 1946年2月15日，世界上第一台 通用电子数字计算机“埃尼阿克 1992年我国自行研制的 银河II巨型机 Date17 现代系统与控制理论形成多个重要

7、分支 p自动检测、遥测、遥控和遥感 p系统辩识、建模与仿真 p模式识别和人工智能 p系统工程 p随机系统与控制、模糊集与控制 p自适应控制和自校正控制 p最优控制 p智能控制 p鲁棒控制 p离散时间动态系统、混合系统 p Date18 自动化科学与技术的研究范畴 n 过程自动化与控制 n 综合自动化与计算机集成制造 n 机器人及应用 n 智能交通系统 n 巡航导弹和预警飞机 n 太空飞行 n 网络化系统 p小世界网络拓扑 p网络信息安全 p传感器网络 Date19 综合自动化与计算机集成制造 p 机械自动化数控技术和数控系统 灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化 生产技术数字控制（简称数

8、控） p 柔性制造系统（FMS） 在数控基础上的高度自动化加工形式，由统一 的控制系统和输送系统成一组加工设备 Date20 柔性制造系统（FMS） Date21 计算机集成制造系统的结构 将制造过程、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成 ，并求得全局优化 Date22 机器人理论与应用 p 涉及几乎所有先进控制理论：非线性控制、鲁 棒控制、最优控制、智能控制等 p 涉及机器视觉、模式识别、信息融合等 Date23 Date24 智能汽车 视听觉信息的认知 计算验证平台，提 供新的基于人车 路状态综合分析 的智能辅助安全驾 驶关键技术 2009年6月45日，西安浐灞生态区 Date25

9、高速列车 采用交流传动技术，控 制系统采用分布式微机 控制装置等进行智能控 制 我国高速“子弹头”列车 ，时速达300多km/Hr 。 磁悬浮高速列车已在上海运行，最高速430km/Hr。 Date26 巡航导弹和预警飞机 巡航导弹及其 测控系统 在翼式导弹和无人驾 驶遥控飞机的基础上 ，利用红外成像技术 、GPS、精密制导和 控制技术、隐形技术 制造出精度高、成本低的低空突防武器巡航导弹，在现代 战争特别是局部战争中发挥着重要作用 Date27 预警飞机 机载预警系统中的自 动化技术 空中预警飞机是用于搜 索、监视和跟踪空中和 海上目标，达到快捷准 确发现敌人目标、有效 跟踪目标，并指挥拦截

10、 或阻击敌人目标。 美制E-3“望楼”空中预警飞机 有源相控阵雷达技术、阵列信号、空时二维信号处理技术、机 载环境下光学探测及图像处理技术、多目标跟踪与多传感信息 融合技术、敌我识别技术 、机载并行计算机技术、态势评估、 威胁评估和战斗辅助决策指挥技术 、导航技术 Date28 太空飞行 p 人造飞船 p 人造卫星 p 登月 p 国际空间站 Date29 国际空间站 一座有两个足球场大小的空 间站，将成为人类历史上第 一个完备的太空实验室。 嫦娥一号 Date30 神舟号载人飞船 Date31 网络化系统 p 小世界网络拓扑（参考哈佛大学David Pepyne博士讲稿） p 网络信息安全 p

11、 传感器网络 Date32 集成化网络安全防卫系统演示配置图 NSMS 通信 服务器数据中心 Console 1Console 2Console 3 主机检测 控制台 192.168.4.9 XJTU Net Sensor (LINUX版) 192.168.4.3 XJTU Net Sensor (WIN版) 192.168.4.4 XJTU Host Sensor Snort Network Sensor WWW服务器 应用主机 1应用主机 2 黑客 192.168.6.2 路由器 PIX 防火墙 Check Point 防火墙 192.168.4.2 WWW服务器 黑客2 192.168.

12、8.3 Date33 传感器网络 n 以无线通信功能的微型传感器组成的传感器网络（ Sensor Network）为基础的泛计算（Pervasive Computing）、泛监控（Pervasive Supervision ）信息网络 n 国防和军事用途 n 传感器网络与RFID（Radio Frequency ID）技术 相结合有可能全程监控物流和生产制造设备，彻底改 变现有生产制造过程的控制与优化方法 34 Date34 传感器网络应用 Date35 RFID应用 RFID射频识别是一种非接触式的自 动识别技术，它通过射频信号自动 识别目标对象并获取相关数据，识 别工作无须人工干预，可工作

13、于各 种恶劣环境。RFID技术可识别高速 运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 Date36 智能织物 智能灰尘 能够探测疾病、监测心 律和其他生命体征的电 子纺织品 智能灰尘”并不是真正意 义上的灰尘,实际上它是 由无数超微型传感器组成 的监测系统, Date37 物联网 物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信 等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things” 。无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通 过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享 。 Date38 物联网：上海浦东国际机场防入侵系统

14、3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和 低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡 、恐怖袭击等攻击性入侵 Date39 智能交通系统 智能交通系统: 利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、 计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指 挥管理。 p提高公路交通的安全性; 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的 影响;提高公路网络的通行能力;提高汽车运输生产率和经济效益 Date40 自动化科学与技术的新发展 n自动化科学与技术正面临第三次突破 p复杂性 p智能化 p网络化 n期待大家的参与 Date41 现代复杂机电控制系统分析 图1-14 数控机床工作台驱动系统 Date42 由于热、力、磨

15、损、间隙造成的闭环控制失稳 秦川VTM180机床X-Y轴圆插补误差实测结果C轴(旋转)误差测试结果 秦川Y7332A磨齿机温度-丝杠伸长以及运动误差试验结果 50分钟 Date43 复杂机电系统基础研究的思考 轧制板材厚度由压力、张力、速度、润滑综合确定轧制板材厚度由压力、张力、速度、润滑综合确定 厚差、板型的变化厚差、板型的变化时变系统时变系统 发散、自激、复合强迫振动现象发散、自激、复合强迫振动现象非线性复杂耦合非线性复杂耦合 复杂机电系统是一个非线性耦合系统复杂机电系统是一个非线性耦合系统 图8 热轧装备 Date44 复杂机电系统基础研究的思考 混合动力汽车能量管理混合动力汽车能量管理

16、 第一个层次：工作模式的切换规则，属于离散事件动态系统， 第二个层次：能量流的优化分配问题。多目标（燃料经济性，排 放，成本等等）多变量（既包括连续变量又包括离散变量）的非 线性动态优化问题。同时能量需求时变性与传动系统动力及运动 传递的不确定性也增加了优化与控制的难度。 Date45 复杂机电系统基础研究的思考 整车控制系统：多输入多输出耦合系统整车控制系统：多输入多输出耦合系统 Date46 复杂机电系统基础研究的思考 Date47 基于视觉的微装配与操作: 宏观和微观的结合！ 宏观世界 微观世界 运动控制器放大器 视觉 控制器 图像特征提取 传感器 + - 摄摄像机 机器人 Date48 三、古典控制理论与现代控制理论的比较：三、古典控制理论与现代控制理论的比较： 1 1、古典控制理论：古典控制理论： 五十年代末形成了完整的体系 1）把系统当作 “黑箱”，不反映黑箱内 系统内部结构和内部变量，只反映 外部变量，即输入输出间的因果关系； 2）传递函数为基