自动化专业课现代控制理论课件第一章

自动化专业课现代控制理论课件第一章1第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期一课程简介本课程是自动化专业的一门专业基础课，通过本课程的学习，使学生掌握现代控制理论中最基本的内容，它不仅是控制理论的基础，而且是现代网络分析和线性系统理论的基础，进一步学习有关专业知识及进行工程实践打好必要的基础。2第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期一教材及参考书教材:赵明旺,王杰.现代控制理论,华中科技大学出版社参考书:刘豹主编.现代控制理论（第三版），机械工业出版社WilliamL.Brogan.Moderncontroltheory,PRENTICE-HALL,INC.EnglewoodCliffs,NewJersey于长官.现代控制理论，哈尔滨工业大学出版社3第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期一课程目录Ch.1现代控制理论概论Ch.2控制系统的状态空间模型Ch.3线性系统的时域分析Ch.4线性系统的能控性和能观性Ch.5李雅普诺夫稳定性分析Ch.6线性系统综合Ch.7最优控制原理4第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期一课程内容主要讨论对象:线性定常连续系统兼顾:线性定常离散系统研究内容:状态空间分析方法系统分析系统结构性理论稳定性理论状态反馈理论观测器理论5第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期一Ch.1现代控制理论概论6第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本章主要内容1.1自动化简介1.2学习现代控制理论的意义1.3控制理论的发展历程1.4现代控制理论研究内容1.5现代控制理论与经典控制理论的比较1.6现代控制理论的应用1.7本课程的主要内容和学习方法Ch.2控制系统的状态空间模型7第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.1自动化简介

BriefIntroductiontoAutomation定义所谓自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活动。DefinitionTheartofmakingprocessesormachinesself-actingorself-moving.Alsopertainstothetechniqueofmakingadevice,machine,processorproceduremorefullyautomatic.Ch.1现代控制理论概论8第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.1自动化简介

BriefIntroductiontoAutomation自动化的理论基础自动化技术是一门新兴的科学技术，它以控制论、信息论和系统论为理论基础，以哲学的方法论为研究方法。

FundamentalknowledgeofautomationCyberneticsInformationTheorySystemismCh.1现代控制理论概论9第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.1自动化简介

BriefIntroductiontoAutomation狭义自动化和广义自动化狭义自动化是指工业自动化，自动化也是最早应用于工业生产领域的。广义的自动化包括工业自动化、生活自动化、办公自动化和商务自动化。

Ch.1现代控制理论概论10第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.2学习现代控制理论的意义科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在20世纪50年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。Ch.1现代控制理论概论11第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.2学习现代控制理论的意义是自动化专业的理论基础是提高学生专业理论水平的重要环节是许多专业报考研究生的必考课Ch.1现代控制理论概论12第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.3控制理论的发展历程

ProgressofControlTheory一、经典控制理论(ClassicalControlTheory)二、现代控制理论 (ModernControlTheory)Ch.1现代控制理论概论13第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期一一、经典控制理论1.形成和发展Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程14第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期一一、经典控制理论（1）萌芽阶段随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。1788年,英国人瓦特(J.Watt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制问题,引起了人们对控制技术的重视。自动控制技术的逐步应用,加速了第一次工业革命的步伐。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程瓦特15第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期一Watt’sfly-ballgovernorCh.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程16第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期一一、经典控制理论（2）发展阶段1868年,英国物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell)通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析,解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题,提出了简单的稳定性代数判据。开辟了用数学方法研究控制系统的途径。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程麦克斯韦17第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期一一、经典控制理论（3）形成体系阶段1947年控制论的奠基人美国数学家维纳(N.Weiner)把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来,并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》。书中论述了控制理论的一般方法,推广了反馈的概念,为控制理论这门学科奠定了基础。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程控制论之父——维纳18第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期一一、经典控制理论2.特点和局限性（1）特点以SISO线性定常系统为研究对象。以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在频率域中分析与设计。（2）局限性难以有效地应用于时变系统、多变量系统难以有效地应用于非线性系统。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程19第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论1.形成和发展Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程20第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论（1）俄国数学家李雅普诺夫1892年创立的稳定性理论被引入到控制中。博士论文《运动稳定性的一般问题》是经典名著，在其中开创性地提出求解非线性常微分方程的李雅普诺夫函数法。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程李雅普诺夫21第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论（2）1956年,美国数学家贝尔曼(R.Bellman)提出了离散多阶段决策的最优性原理,创立了动态规划。1964年将离散多阶段决策的动态规划法解决了连续动态系统的最优控制问题。（3）美国数学家卡尔曼(R.Kalman)等人于1959年提出了著名的卡尔曼滤波器,1960年又在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法,提出系统的能控性和能观测性问题。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程卡尔曼22第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论（4）1956年,前苏联科学家庞特里亚金(L.S.Pontryagin)提出极大值原理,并于1961年证明并发表了极大值原理。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程庞特里亚金23第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论（5）20世纪60年代,英国控制理论学者罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)、欧文斯(D.H.Owens)和麦克法轮(G.J.MacFarlane)研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论,将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统,并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系,为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。（6）20世纪70年代瑞典控制理论学者奥斯特隆姆(K.J.Astrom)和法国控制理论学者朗道(L.D.Landau)在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程24第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论（7）由于现代数学的发展，结合着H2和H∞等范数而出现了H2和H∞控制，还有逆系统控制等方法。（8）20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：大系统理论：研究各种大系的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律的理论。复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程25第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期一二、现代控制理论2.特点对象:以MIMO线性、非线性、时变与非时变系统为主要研究对象；工具：以线性代数和微分方程为工具，以状态空间法为基础。Ch.1现代控制理论概论1.3控制理论的发展历程26第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.4现代控制理论研究内容线性系统理论(TheoryofLinearSystems)非线性系统理论(TheoryofNonlinearSystems)最优控制(OptimalControl)系统辨识(SystemIdentification)自适应控制(AdaptiveControl)智能控制(IntelligentControl)……Ch.1现代控制理论概论27第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.5现代控制理论与经典控制理论比较理论基础建立在以1.常微分方程稳定性理论2.Fourier变换为基础的根轨迹和奈奎斯特判据理论之上1.常微分方程稳定性理论2.状态空间分析3.泛函分析、微分几何等现代数学分支数学模型传递函数(研究系统外部特性,属于外部描述,不完全描述。)状态空间表达式(深入系统内部,是内部描述,完全描述。)适用对象仅适用于:单输入单输出线性定常集中参数可推广至:多输入多输出非线性时变分布参数经典(频域法)现代(时域法)Ch.1现代控制理论概论28第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.5现代控制理论与经典控制理论比较性能指标幅值裕度、相位裕度、超调量、调节时间、阻尼比等频域指标;性能指标不直观,难于接受满足单个性能指标为目的,无法设计出最优、综合性的系统；时间最短、能量最少、综合性能指标最优等时间域指标性能指标直观,易于接受可以达到性能指标最优、多个性能指标综合最优初始条件处理初始条件处理困难对高精度的位置、速度等性能指标难于达到要求易于处理初始条件更易达到高精度的位置、速度等性能指标经典现代Ch.1现代控制理论概论29第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.5现代控制理论与经典控制理论比较设计与综合是分析方法而不是最佳的综合方法针对某个性能指标,设计方案多样分析与设计需要丰富的经验及试凑设计和实时控制难于计算机实现是分析综合方法分析与设计多为解析和优化计算设计和实时控制易于计算机实现经典现代Ch.1现代控制理论概论30第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.5现代控制理论与经典控制理论比较值得指出的是现代控制理论与经典控制理论：并不是截然对立相辅相成、互为补充两者各自的长处和不足分别为:经典控制理论对数学模型和数学方法的要求相对较低,更依赖于控制领域设计和应用的经验。现代控制理论对描述系统动态特性的数学模型要求较高,需要用到更多的数学知识,利于计算机实现,在控制系统的设计与实现时对控制设备和系统所处的环境要求也高一些。在进行控制系统设计和实现时,要根据具体的要求、目标和环境条件,选择适宜的控制理论和方法,也可以将经典控制理论和现代控制理论两者结合起来Ch.1现代控制理论概论31第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.6现代控制理论的应用与经典控制理论想比,现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。Ch.1现代控制理论概论32第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期一倒立摆稳定控制单级倒立摆稳定控制二级倒立摆稳定控制Ch.1现代控制理论概论1.6现代控制理论的应用33第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期一导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制Ch.1现代控制理论概论1.6现代控制理论的应用34第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期一航天器控制月球车控制卫星控制Ch.1现代控制理论概论1.6现代控制理论的应用35第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期一机器人控制空间机器人控制足球机器人控制Ch.1现代控制理论概论1.6现代控制理论的应用36第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期一1.7本课程主要内容和学习方法尽管现代控制理论的内容及其丰富,但是作为控制类专业的本科生的基础课程,目的是使学生掌握现代控制理论的基础知识和基本方法,为进一步学习和提高打下基础。为此,本课程主要介绍线性系统理论,打下进行线性多变量系统的分析、综合和设计的基础。共分7章,着重讲授线性系统理论的状态空间分析方法,目的是让学生结合线性系统理论的学习,掌握状态空间分析和综合方法,学会运用状态空间分析这一现代控制理论中的基本工具。Ch.1现代控制理论概论37第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本课程主要内容除第1章外,各章的主要内容包括:第2章讨论动态系统的状态空间描述。主要讲授状态空间分析的数学模型--状态空间表达式的建立;状态空间的线性变换;多输出多输出系统的传递函数阵；组合系统的状态空间模型；以及离散时间动态系统的状态空间描述。第3章讨论线性系统的运动分析。主要介绍连续系统状态空间表达式的求解;状态转移矩阵的性质和计算;连续系统状态方程的离散化;以及离散系统的状态空间表达式的求解。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法38第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本课程主要内容第4章讨论线性系统的结构性问题以及系统综合。

主要介绍动态系统的两个基本结构性质状态能控性和能观性,状态能控性/能观性在状态空间结构分解和线性变换中的应用；能控/能观规范形；实现问题与最小实现。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法39第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本课程主要内容第5章讨论李雅普诺夫稳定性分析。主要介绍李雅普诺夫稳定性的定义,以及分析状态稳定性的李雅普诺夫理论和方法;着重讨论李雅普诺夫第二法以及在线性系统中的应用和几类非线性系统的应用,李雅普诺夫函数的构造等。第6章讨论线性系统的系统综合问题。主要介绍状态空间分析方法在系统控制与综合中的应用,内容为状态反馈与极点配置、系统镇定、系统解耦、状态观测器。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法40第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本课程主要内容在现代控制理论课程学习中,将会遇到许多数学基本概念和方法,如线性代数及矩阵分析、常微分方程理论、实变函数及泛函分析、以及最优化方法等。有些数学概念和方法,作为控制类专业本科生必须掌握。对在本科阶段未单独设课讲授的数学概念和方法,加以简略介绍。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法41第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期一学习本课程的方法1.认真复习和巩固提高数学基础知识及相关知识，如线性代数。矩阵的引入，是现代控制理论能处理MIMO系统，能处理状态空间/状态变量问题的关键相关概念、方法和计算常微分方程。如定系数线性常微分方程求解积分变换。拉氏变换（连续系统）和Z变换（离散系统）自动化专业需具备的物理学、电路、力学与机械等学科的基本知识。经典控制理论知识。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法42第四十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期一学习本课程的方法2.认真复习和巩固提高相关的控制概念和知识。要善于将抽象的概念和理论知识跟工程实际结合,要建立好空间概念.3.认真听好每一堂课,独立完成老师布置的每一项教学任务。4.多思、多想、多读、多练。Ch.1现代控制理论概论1.7本课程主要内容和学习方法43第四十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期一本章小结自动化简介学习现代控制理论的意义控制理论的发展历程现代控制理论研究内容现代控制理论与经典控制理论的比较现代控制理论的应用本课程的主要内容和学习方法Ch.1现代控制理论概论44第四十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期一指南车指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。

指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。45第四十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期一水运仪象台整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着1台浑仪，屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。46第四十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期一瓦特JamesWatt（1736～1819）JamesWatt,1736～1819，英国发明家、工程师。1736年1月19日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1753年他在家钟表店学手艺。15岁学完了《物理学原理