研究生现代控制工程绪论

现代控制工程王军平

西安交通大学机械学院西二楼东221wangjunping@2/2/20231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2/2/20232控制理论及工程的发展

前期控制(1400BC-1900)经典控制(1935-1950)现代控制(1950-Now)智能控制(1970-）2/2/20233人类生产方式的进步2/2/20234自动化科学与技术的历史沿革中国古代的自动化装置指南车52/2/20235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齿轮系车身木人方向车辆转弯2/2/20236 铜壶滴漏2/2/20237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。2/2/20238

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)进汽阀转速测量1788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。2/2/20239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2/2/202310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2/2/202311经典控制理论的发展和集大成者诺伯特·维纳(NorbertWiener)

1894-1964控制论,或动物和机器的控制和通信,1948(Cybernetics,orcontrolandcommunicationintheanimalandmachine,1948)2/2/202312钱学森(TsueShenTsian)工程控制论，1954(EngineeringCybernetics)2/2/202313经典控制理论稳定判据传递函数、依据频率响应的频率法判据和分析米诺尔斯基:《关于船舶自动操舵的稳定性》黑曾（Hazen）:《关于伺服机构理论》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。

2/2/202314现代控制理论复杂工业过程和航天技术的自动控制，涉及多变量控制系统的分析和综合，迫切需要加以解决1956年苏联数学家庞特里亚金提出极大值原理同年美国数学家贝尔曼(Bellman)创立动态规划1960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20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152/2/2023152/2/202316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2/2/202317现代系统与控制理论形成多个重要分支自动检测、遥测、遥控和遥感

系统辩识、建模与仿真模式识别和人工智能

系统工程随机系统与控制、模糊集与控制自适应控制和自校正控制

最优控制智能控制鲁棒控制离散时间动态系统、混合系统

2/2/202318自动化科学与技术的研究范畴过程自动化与控制综合自动化与计算机集成制造机器人及应用智能交通系统巡航导弹和预警飞机太空飞行网络化系统小世界网络拓扑网络信息安全传感器网络2/2/202319综合自动化与计算机集成制造机械自动化－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（简称数控）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2/2/202320柔性制造系统（FMS）2/2/202321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2/2/202322机器人理论与应用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、智能控制等涉及机器视觉、模式识别、信息融合等2/2/2023232/2/202324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4—5日，西安浐灞生态区

2/2/202325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。2/2/202326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2/2/202327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

2/2/202328太空飞行人造飞船人造卫星登月国际空间站2/2/202329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2/2/202330神舟号载人飞船2/2/202331网络化系统小世界网络拓扑（参考哈佛大学DavidPepyne博士讲稿）网络信息安全传感器网络2/2/202332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Console1Console2Console3主机检测控制台XJTUNetSensor(LINUX版)XJTUNetSensor(WIN版)XJTUHostSensorSnortNetworkSensorWWW服务器应用主机1应用主机2黑客路由器PIX防火墙CheckPoint防火墙WWW服务器黑客22/2/202333传感器网络

以无线通信功能的微型传感器组成的传感器网络（SensorNetwork）为基础的泛计算（PervasiveComputing）、泛监控（PervasiveSupervision）信息网络国防和军事用途传感器网络与RFID（RadioFrequencyID）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342/2/202334传感器网络应用2/2/202335RFID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。

2/2/202336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,

2/2/202337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“InternetofThings”。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。2/2/202338物联网：上海浦东国际机场防入侵系统

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

2/2/202339

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。

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2/2/202340自动化科学与技术的新发展自动化科学与技术正面临第三次突破复杂性智能化网络化期待大家的参与2/2/202341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

2/2/202342由于热、力、磨损、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2/2/202343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、润滑综合确定厚差、板型的变化——时变系统发散、自激、复合强迫振动现象——非线性复杂耦合复杂机电系统是一个非线性耦合系统图8热轧装备2/2/202344复杂机电系统基础研究的思考混合动力汽车能量管理第一个层次：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。

2/2/202345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2/2/202346复杂机电系统基础研究的思考2/2/202347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+-摄像机机器人2/2/202348三、古典控制理论与现代控制理论的比较：1、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）传递函数为基础，研究系统外部特性，属于外部描述，不完全描述；3）主要采用频域法，建立在根轨迹和奈奎斯特判据等基础之上的；4）局限性：局限于线性定常系统，不适合非线性和时变系统G(s)Y(s)U(s)是分析方法而不是最佳的综合方法，试凑法为主，满足性能指标为目的，无法设计出最优的系统，针对某个性能指标，设计方案多样局限于单输入单输出系统（SISO系统）无法考虑系统的初始条件（传递函数的定义）只能研究确定性的系统，不适合随机系统2/2/202349既适合线性定常系统，也适合非线性及系统2、现代控制理论：不断发展中1）越来越复杂的系统，古典控制理论不能胜任，于50年代末60年代初出现了现代控制理论，建立在古典控制理论基础上。2）时域法，状态空间为基础，深入系统内部，是内部描述，完全描述；3）分段描述：将输入输出间关系分成两段来描述第一段：输入引起系统内部状态的变化－－－状态方程第二段：内部状态引起系统输出的变化－－－输出方程4）优点（相对于古典控制）：状态变量，内部变量外部变量外部变量分析综合方法，可实现最优控制考虑了初始条件，系统状态可以由初始条件和输入来刻划既适合确定性的系统，也适合随机系统既适合SISO系统，也适合MIMO系统2/2/202350控制系统分类按照输入输出关系线性系统：同时满足叠加原理和齐次性条件

非线性系统：不同时满足叠加原理和齐次性条件按照系统参数和时间关系：定常系统：系统参数不随时间变化，如A。

常系数微分/差分方程描述

时变系统：系统参数随时间变化，如A(t)。

时变系数微分/差分方程描述2/2/2023511）系统的描述：解决系统的建模、各种数学模型(时域、频域、内部、外部描述)之间的相互转换。2）系统的分析：研究系统的以下特性：定量变化规律：如状态方程的解，即系统的运动分析等；定性行为：如能控性、能观测性、稳定性等。1、系统的描述与分析：控制系统分析和综合问题按控制作用和控制时间分分为连续控制系统和离散控制系统2/2/2023523）古典控制：附加微分、积分等环节校正系统，通过根轨迹法等对系统极点进行配置。现代控制：状态反馈对系统极点进行任意配置。2）系统品质在很大程度上取决于系统极点的配置。通过将极点置于特定的位置，使系统品质达到满意的程度。3、系统品质：1）系统品质不能令人满意，需要对系统参数进行调整。已知系统结构和参数(被控系统数学模型)的基础上，寻求控制规律，以使系统具有某种期望的性能指标，即系统品质。2、系统的综合与设计：2/2/2023531）以渐近稳定为性能指标，相应的综合问题称为镇定问题；3）使一个MIMO系统实现一个输入只控制一个输出作为性能指标，相应的综合问题称为解耦问题。4）将系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号的能力，作为性能指标，相应的综合问题称为跟踪问题。4、