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1、现代控制理论现代控制理论隋立明隋立明研究生学位课研究生学位课1课程简介课程简介经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论2教材及参考书教材及参考书3参考书参考书45其他参考书现代控制工程现代控制工程 Ogata (适用初学者适用初学者）自动控制原理自动控制原理 吴麒吴麒 (适用深入学习适用深入学习）控制系统设计控制系统设计 王广雄王广雄 （适用于应用适用于应用）Control system design Goodwin 6研究生课程的学习研究生课程的学习基本内容的介绍，抓重点基本内容的介绍，抓重点新的内容和观点，拓展思维新的内容和观点，拓展思维思考和讨论，锻炼能力思考和讨论，锻炼能力课堂
2、课堂课下课下自学没讲的基本内容自学没讲的基本内容扩展阅读新的内容扩展阅读新的内容积极思考积极思考问题问题？7第第 1 讲讲 绪论及系统模型建立绪论及系统模型建立课程要求课程要求掌握控制系统的基本概念掌握控制系统的基本概念掌握控制系统的基本组成掌握控制系统的基本组成掌握机械系统的模型建立掌握机械系统的模型建立了解控制理论的发展简史了解控制理论的发展简史81.1 基本概念基本概念手动控制手动控制自动控制自动控制由人来操纵机器由人来操纵机器没有人参与的系统没有人参与的系统人驾驶汽车人驾驶汽车无人驾驶汽车无人驾驶汽车研究研究对象对象9控制系统的例子控制系统的例子速度控制系统速度控制系统速度控制系统速度
3、速度设定设定增加增加转速转速下降下降增加增加10系统框图给定速度比较机构阀控缸阀门燃料系统发动机离心机构偏差偏差11飞机自动驾驶系统飞机自动驾驶系统俯仰飞行时，以垂直陀俯仰飞行时，以垂直陀螺仪为参考角度，由舵螺仪为参考角度，由舵机带动舵面偏转。在大机带动舵面偏转。在大气流等的扰动下，保持气流等的扰动下，保持俯仰角不变俯仰角不变. .保持飞机姿态保持飞机姿态辅助操纵飞机辅助操纵飞机12给定角度给定装置放大器舵机飞机垂直陀螺仪反馈电位器扰扰动动13防空导弹制导防空导弹制导目标跟踪雷达目标跟踪雷达跟随目标跟随目标导弹导引雷达导弹导引雷达跟随跟随目标目标 跟踪雷达跟踪雷达（提前量）（提前量）导弹跟随导
4、弹跟随导引雷达导引雷达14控制系统的组成控制系统的组成参考参考输入输入控制控制信号信号输出输出信号信号干扰干扰噪声噪声测量测量决策决策执行执行滤波器滤波器控制器控制器对象对象传感器传感器15控制系统的重要性（必要性）控制系统的重要性（必要性）空间飞行器的导航和控制：飞机、导弹、卫星空间飞行器的导航和控制：飞机、导弹、卫星巨大的环境干扰巨大的环境干扰和不确定性和不确定性16制造业（汽车、集成电路）制造业（汽车、集成电路）高精度定位高精度定位 高质量高质量 高产量高产量 17工业过程控制工业过程控制对上千个信号进行监测，相应对上千个信号进行监测，相应控制上百个阀、泵等执行器。控制上百个阀、泵等执行
5、器。18通讯系统（电话、手机、互联网）通讯系统（电话、手机、互联网）控制信号的传递、进行噪声的消除控制信号的传递、进行噪声的消除19 极端环境和条件下，控制系统起着关键的作用。复杂20极微1986年度年度Nobel 物理奖物理奖Binning&Rohrer,扫描扫描隧道显微镜隧道显微镜21极险221.2 控制系统的研究内容控制系统的研究内容控制系统的性能分析控制系统的性能分析控制系统的设计控制系统的设计23控制系统的性能指标控制系统的性能指标稳定性稳定性快速性快速性准确性准确性鲁棒性鲁棒性系统在模型参数变动及扰动系统在模型参数变动及扰动作用下作用下, ,保持系统性能的能力保持系统性能的能力24
6、采用反馈控制的原因采用反馈控制的原因提高稳定性提高稳定性提高系统的响应速度提高系统的响应速度提高系统的准确度提高系统的准确度25采用闭环反馈控制的根本原因采用闭环反馈控制的根本原因反馈反馈特性特性26反馈特性反馈特性是指系统的稳定性、是指系统的稳定性、灵敏度和对扰动的抑制性能灵敏度和对扰动的抑制性能等。等。这些特性只有通过反馈才能对其这些特性只有通过反馈才能对其进行改动和改善。进行改动和改善。27反馈的一个主要目的反馈的一个主要目的：为具有不确定的系统提供鲁棒性为具有不确定的系统提供鲁棒性反馈放大器反馈放大器28反馈的另一个主要目的反馈的另一个主要目的：改变系统的动态特性改变系统的动态特性稳定
7、性稳定性响应特性响应特性29现代控制理论需要解决的问题现代控制理论需要解决的问题保证系统的稳定性保证系统的稳定性如何抗干扰如何抗干扰如何解决参数的摄动问题如何解决参数的摄动问题如何达到性能指标的最优如何达到性能指标的最优30控制理论的基本内容控制理论的基本内容建模建模动态特性分析动态特性分析系统的联接结构分析系统的联接结构分析不确定性分析不确定性分析系统的综合系统的综合31输入输入- -输出输出状态空间状态空间系统辨识系统辨识32控制理论有一套成熟的方法对系控制理论有一套成熟的方法对系统进行稳定性和动态性能的分析统进行稳定性和动态性能的分析33控制理论属于系统科学，控制系统控制理论属于系统科学
8、，控制系统通过不同子系统的联接来实现系统通过不同子系统的联接来实现系统的稳定性、鲁棒性和期望的性能的稳定性、鲁棒性和期望的性能。34现代控制理论提供了对于系统不现代控制理论提供了对于系统不确定性的表示，并有许多工具用确定性的表示，并有许多工具用来对付不确定性来对付不确定性。35系统分析的反过程。系统分析的反过程。361.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类物理性质物理性质数学模型数学模型电气控制电气控制机械控制机械控制流体控制流体控制线性控制线性控制非线性控制非线性控制37变化规律变化规律信号形式信号形式恒值控制恒值控制程序控制程序控制随动控制随动控制连续控制连续控制离散控制离散控制38数
9、学模型是描述系统内部物理量之间关系的数学表达式数学模型是研究的第一步建立数学模型的方法：分析法、实验法1.4 系统微分方程模型建立系统微分方程模型建立39实际物理实际物理系统系统理想物理理想物理模型模型理想数学理想数学模型模型简化数学简化数学模型模型40建模注意问题建模注意问题精确性与简化性精确性与简化性集中参数与分布参数集中参数与分布参数线性与非线性线性与非线性41微分方程模型微分方程模型传递函数传递函数状态空间状态空间42微分方程的列写微分方程的列写（1）机械系统）机械系统弹性元件弹性元件x1x2FFF=k(x1-x2)43阻尼元件阻尼元件Fx1x2F44惯性负载惯性负载mx相对于大地相对
10、于大地坐标系坐标系45例题例题xixoxB2k2B1k146(2) 电路系统电路系统电感元件电感元件电容元件电容元件47例题CR1R2uiuoi1i2i(1)(2)(3)(4)48磁场控制式直流电机磁场控制式直流电机49电枢控制式直流电机电枢控制式直流电机501.5 控制论简史控制论简史机械控制装置机械控制装置经典控制理论经典控制理论现代控制理论现代控制理论鲁棒控制理论鲁棒控制理论51古代控制装置古代控制装置闭环控制思想闭环控制思想的雏形的雏形52 亚历山大的亚历山大的希罗希罗发明开闭庙门和分发圣水等自发明开闭庙门和分发圣水等自动装置动装置(100年年)53中国中国张衡张衡研制出自动测量地震的
11、候研制出自动测量地震的候风地动仪风地动仪(132年年)54n中国中国马钧马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车指南车(235年年)55现代控制装置与理论研究的出现现代控制装置与理论研究的出现应用的广泛性应用的广泛性影响的深远性影响的深远性微分方程研究方法微分方程研究方法56u英国英国J. WattJ. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788(1788年年)57l英国英国 G.B. Airy（1801-1892) 系统的研系统的研究了天文望远镜的速度控制，首次提出反究了天文望远镜的速度控制，首次提出反馈系统的稳定性问题研
12、究。馈系统的稳定性问题研究。58nJ.C. Maxwell (1831- 1879), 于于1868年发表文章年发表文章“On Governors”, 成功解决了二阶及三阶系统的稳成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的定性。随后，剑桥大学的E.J.Routh与瑞典的与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断。解决了多阶系统的稳定性判断。59u俄国俄国A.M. Lyapunov博士论文博士论文“论运论运动稳定性的动稳定性的 一般问题一般问题” (1892年年)60u美国美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出的伺服结构，提出PID控制方法控
13、制方法(1922)61p美国美国H.S. Black提出放大器性能的负提出放大器性能的负反馈方法反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927)62l美国美国E. Sperry以及以及C. Mason研制出火研制出火炮控制器炮控制器(1925)，气压反馈控制器，气压反馈控制器(1929)63Elmer Sperry 制造两自由度陀螺仪制造两自由度陀螺仪641914年巴黎航展惊险一幕年巴黎航展惊险一幕65从微分方程到频率方法的转变从微分方程到频率方法的转变电子通讯系统的发展电子通讯系统的发展Bell实验室实验室66u美国贝尔实验室的美国贝尔实验室的H. Bode(
14、1938)，以及以及Nyquist(1940)提出频率响应法提出频率响应法.67n美国美国Taylor仪器公司的仪器公司的J. G. Ziegler和和N. B. Nichols提出提出PID参数的最佳调整法参数的最佳调整法(1942)68n美国美国MIT的的N. Wiener研究随机过程的预测，提出研究随机过程的预测，提出Wiener滤波理论滤波理论(1942)，发表控制论，发表控制论(Cybernetics)(1948)，标志着控制论的诞生。，标志着控制论的诞生。69李郁荣（李郁荣（Y.W. Lee, 1904-1989), 麻省理工学院麻省理工学院N. Wiener的首位博士生的首位博士
15、生(1930年年)，曾任职于清华大学电，曾任职于清华大学电机系（机系（1931-1937），早期），早期为为Wiener理论的工程应用与理论的工程应用与推广作了大量的工作。推广作了大量的工作。1946年回到年回到MIT电机系（电机系（1946-1969），与），与Shannon一起成一起成为该系最知名的两个学科带为该系最知名的两个学科带头人。被誉为头人。被誉为MIT的最伟大的最伟大的教育家之一。的教育家之一。70n美国的美国的H. HazenH. Hazen发表发表“伺服机构理论伺服机构理论” ( (Theory Theory of Servomechanism) (1934)of Servo
16、mechanism) (1934)，并在并在MITMIT建立伺服机建立伺服机构实验室构实验室 (1939)(1939)“伺服机构是一个伺服机构是一个功率放大装置功率放大装置, ,其其放大部件是根据系放大部件是根据系统的输入与输出的统的输入与输出的差来驱动输出的差来驱动输出的. .”71u美国美国W. EvansW. Evans提出根轨迹法提出根轨迹法( (Root Locus Root Locus Method) (1948)Method) (1948)，标志以单输入线性系统为对象标志以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。的经典控制研究工作完成。72现代控制理论的出现现代控制理论的出现
17、多输入多输入-多输出多输出随机干扰随机干扰最优控制最优控制73n二次大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的二次大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹卫星，航天器和星球大战，以及计算机技如导弹卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现。术的出现。74n美国美国R. BellmanR. Bellman发表著名的发表著名的Dynamic Dynamic ProgrammingProgramming，建立最优控制的基础建立最优控制的
18、基础(1957)(1957)n苏联苏联L.S. PontryaginL.S. Pontryagin发表发表“最优过程数学理论最优过程数学理论”，提出极，提出极大值原理大值原理( (Maximum Maximum Principle)(1956)Principle)(1956)75n国际自动控制联合会国际自动控制联合会( (IFAC)IFAC)成立成立(1957)(1957)，中国，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960)(1960)76u美籍匈牙利人美籍匈牙利人R. E. KalmanR. E. Kalman发表发表“On the On
19、the General Theory of Control SystemsGeneral Theory of Control Systems”等论文，等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性引入状态空间法分析系统，提出能控性 , ,能观测性，能观测性，最佳调节器和最佳调节器和kalman kalman 滤波等概念，奠定了现代控滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础制理论的基础(1960)(1960)77鲁棒控制鲁棒控制模糊理论模糊理论神经控制神经控制自适应控制自适应控制变结构控制变结构控制78下次课需要掌握的预备知识下次课需要掌握的预备知识拉普拉斯变换拉普拉斯变换频率特性频率特性下次课内容典型环节及其响应典型环节及其响应79
