现代控制工程绪论-试讲1

干扰 输入 控制器 控制对象 输出
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1.1 控制理论及工程的发展
传递函数只描述了系统的输入输出间关系,没 传递函数只描述了系统的输入输出间关系 没 有内部变量的表示。 有内部变量的表示。 经典控制理论的特点是以传递函数为数学工 本质上是频域方法,主要研究 具,本质上是频域方法 主要研究“单输入单 本质上是频域方法 主要研究“ 输出” 输出”(Single-Input Single-output, SISO)线性定常控制系统的分析与设计 对 线性定常控制系统的分析与设计,对 线性定常控制系统的分析与设计 线性定常系统已经形成相当成熟的理论。 线性定常系统已经形成相当成熟的理论。 典型的经典控制理论包括PID控制、 控制、 典型的经典控制理论包括 控制 Smith控制、解耦控制、Dalin控制、串级 控制、 控制、 控制 解耦控制、 控制 控制等。 控制等。
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前言——课程主要章节的计划学时分配 课程主要章节的计划学时分配 前言
第一章 绪论 第二章 控制系统的状态空间描述 第三章 控制系统的状态空间分析 第五章 控制系统的可控性与可测性 第六章 系统的状态反馈与观测器 2学时 学时 6学时 学时 8学时 学时
第四章 状控制系统的李亚普洛夫稳定性分析 4学时 学时 6学时 学时 6学时 学时
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1.1 控制理论及工程的发展
现代控制理论 20世纪50年代中期 特别是空间技术的发展, 世纪50年代中期, 20世纪50年代中期, 特别是空间技术的发展,迫 切要求解决更复杂的多变量系统、 切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的 最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、 最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、跟踪 和着陆过程中的高精度、低消耗控制, 和着陆过程中的高精度、低消耗控制,到达目标 的控制时间最小等) 的控制时间最小等)。 实践的需求推动了控制理论的进步,同时, 实践的需求推动了控制理论的进步,同时,计算机 技术的发展也从计算手段上为控制理论的发展提 供了条件,适合于描述航天器的运动规律, 供了条件,适合于描述航天器的运动规律,又便于 计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。 计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。
1.1 控制理论及工程的发展
以传递函数作为描述系统的数学模型,以 以传递函数作为描述系统的数学模型 以时域分析 根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具 为主要分析设计工具, 法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具 构成了经典控制理论的基本框架。 构成了经典控制理论的基本框架。 经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制 器的分析与设计的问题。 器的分析与设计的问题。 如图所示为反馈控制系统的简化原理框图。 如图所示为反馈控制系统的简化原理框图。
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1.2 现代复杂机电控制系统
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1.3 经典控制理论与现代控制理论的特点
经典(频域法 经典 频域法) 频域法 建立在以 1. 常微分方程稳定性理论 理论 2. Fourier变换 变换 基础 为基础的根轨迹和奈奎斯特 判据理论之上 传递函数 数学 (研究系统外部特性 属于外部 研究系统外部特性,属于外部 研究系统外部特性 模型 描述,不完全描述 不完全描述。 描述 不完全描述。) 仅适用于: 仅适用于 单输入单输出 线性 适用 对象 定常 集中参数 现代( 现代 时域法) 1. 常微分方程稳定性理论 2Байду номын сангаас 状态空间分析 3. 泛函分析、微分几何等现 泛函分析、 代数学分支 状态空间表达式 (深入系统内部 是内部描述 深入系统内部,是内部描述 深入系统内部 是内部描述, 完全描述。 完全描述。) 可推广至: 可推广至 多输入多输出 非线性 时变 分布参数
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1.1 控制理论及工程的发展
现代控制理论 俄国数学家李雅普诺夫1892年创立的稳定 俄国数学家李雅普诺夫 年创立的稳定 性理论被引入到控制中。 性理论被引入到控制中。 1956年,美国数学家贝尔曼 美国数学家贝尔曼(R. Bellman) 年 美国数学家贝尔曼 提出了离散多阶段决策的最优性原理,创立 提出了离散多阶段决策的最优性原理 创立 了动态规划。 了动态规划。 1956年,前苏联科学家庞特里亚金 前苏联科学家庞特里亚金(L.S. 年 前苏联科学家庞特里亚金 Pontryagin)提出极大值原理。 提出极大值原理。 提出极大值原理 美国数学家卡尔曼(R. Kalman)等人于 美国数学家卡尔曼 等人于 1959年提出了著名的卡尔曼滤波器。 年提出了著名的卡尔曼滤波器。 年提出了著名的卡尔曼滤波器 20
考核方式: 考核方式
闭卷笔试。 闭卷笔试
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前言——参考书 参考书： 前言 参考书
1. 王军平等：《现代控制工程》 西安交通大学出 王军平等： 现代控制工程》 版社， 版社，2010。 。 2. 何钺：《现代控制理论基础（机械类）》机械工 何钺： 现代控制理论基础（机械类） 业出版社， 业出版社，1988。 。 3. 郑大钟：《线性系统理论》 清华大学出版社， 郑大钟： 线性系统理论》 清华大学出版社， 1992。 。 4. 刘豹：《现代控制理论》（第三版） 机械工业 刘豹： 现代控制理论》 第三版） 出版社。 出版社。 5.韩京清、 何关钰： 5.韩京清、许可康 、何关钰：《线性系统理论的代 韩京清 数基础》 辽宁科技出版社,1987 数基础》，辽宁科技出版社,1987
劳斯
胡尔维茨
奈奎斯特
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1.1 控制理论及工程的发展
经典控制理论— 经典控制理论 标志阶段
1947年控制论的奠基人美国 年控制论的奠基人美国 数学家维纳(N. Weiner) 出版 数学家维纳 控制论—关于在动物和机器 了《控制论 关于在动物和机器 中控制与通讯的科学》 中控制与通讯的科学》。 1948年,美国科学家伊万斯 年 美国科学家伊万斯 (W.R. Evans)创立了根轨迹 创立了根轨迹 分析方法。 分析方法。 我国著名科学家钱学森1954 我国著名科学家钱学森 年出版了《工程控制论》 年出版了《工程控制论》。 15
现代控制工程
2011年 2011年9月
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前言
课程名称： 课程名称：现代控制工程 学 学 时：32 分： 2
开课教师： 开课教师：王孙安教授 李小虎讲师 开课单位： 开课单位：机械电子工程研究所
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前言——课程的目的与地位 课程的目的与地位 前言
本课程是机械类工科硕士研究生的公共学位课， 本课程是机械类工科硕士研究生的公共学位课， 属于机械学科的专业基础课。 属于机械学科的专业基础课。 通过本课程学习， 通过本课程学习 ， 要求学生掌握线性系统的一 般概念和分析研究线性系统的一般方法， 般概念和分析研究线性系统的一般方法，注重控制 理论和机械工程背景的结合， 理论和机械工程背景的结合，为进一步学习其它控 制理论奠定坚实的基础。 制理论奠定坚实的基础。 本课程理论性强， 用到较多的数学工具， 本课程理论性强 ， 用到较多的数学工具 ， 因此 本课程对培养学生的抽象思维、逻辑思维， 本课程对培养学生的抽象思维、逻辑思维，提高学 生运用数学知识耒处理控制问题的能力起到重要的 作用。 作用。
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1.1 控制理论及工程的发展
经典控制理论— 经典控制理论 起步阶段
1788年,英国人瓦特 年 英国人瓦特 英国人瓦特(J. Watt)在他发明的蒸汽机 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 解决了蒸汽机的速度控制问题, 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。 引起了人们对控制技术的重视。
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1.1 控制理论及工程的发展
经典控制理论虽然具有很大的实用价值,但也 经典控制理论虽然具有很大的实用价值 但也 有着明显的局限性,主要表现在 主要表现在： 有着明显的局限性 主要表现在：
经典控制理论只适用于SISO线性定常系统 推 线性定常系统,推 经典控制理论只适用于 线性定常系统 广到多输入多输出(Multi-Input Multi广到多输入多输出 Output, MIMO)线性定常系统非常困难 对时 线性定常系统非常困难,对时 线性定常系统非常困难 变系统和非线性系统则更无能为力; 变系统和非线性系统则更无能为力 用经典控制理论设计控制系统一般根据幅值裕 相位裕度、超调量、 度、相位裕度、超调量、调节时间等频率域里 讨论的指标来进行设计和分析。 讨论的指标来进行设计和分析。对于被控系统 很复杂，控制精度要求高的要求， 很复杂，控制精度要求高的要求，不能得到满 意的效果。 意的效果。
1.1 控制理论及工程的发展
现代控制理论主要利用计算机作为系统建模 分析、设计乃至控制的手段,适用于多变量 适用于多变量、 分析、设计乃至控制的手段 适用于多变量、 非线性、时变系统。 非线性、时变系统。
它在本质上是一种“时域法”,即状态空间法。 即状态空间法。 它在本质上是一种“时域法” 即状态空间法 现代控制理论从理论上解决了系统的能控性、 现代控制理论从理论上解决了系统的能控性、 能观测性、 能观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问 题。
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1.1 控制理论及工程的发展
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控制理论的发展已经走过近百年的历程, 控制理论的发展已经走过近百年的历程,并在控制 系统设计这一工程领域发挥着巨大的作用。 系统设计这一工程领域发挥着巨大的作用。 现代社会的工业化进程 科学探索(如卫星等太空器升空、远洋船探索) 科学探索(如卫星等太空器升空、远洋船探索) 国防军备的现代化(高精度导弹的精确制导) 国防军备的现代化(高精度导弹的精确制导) 人们的生活(如便捷、高速的航空器) 人们的生活(如便捷、高速的航空器)
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前言——参考书 参考书： 前言 参考书
6．王积伟，现代控制理论基础，高等教育出版 ．王积伟，现代控制理论基础， 社
7．欧阳黎明，ＭＡＴＬＡＢ控制系统设计，国 ．欧阳黎明，ＭＡＴＬＡＢ控制系统设计， ，ＭＡＴＬＡＢ控制系统设计 防工业出版社出版
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1. 绪论