第13章 最优控制系统
合集下载
最优控制内容要点
④ 性能指标
反映和评价系统性能优劣的指标。
tf t0
J [[ x (t f ), t f ] f [ x (t ), u (t ), t ]dt
性能指标值的大小依赖于控制作用的整体u(· )的选择， 而不是取决于控制u(t)在t时刻的值；因此J[u(· )]是控制函 数u(· )的函数（称为u(· )的泛函）。
5
习题
1.求使 min f ( X ) 4x12 5x2 2 , 且 g ( X ) 2x1 3x2 6 0
2.求原点到曲线 y 2 ( x 1) 3 0 的距离为最小。 3.求函数极值 f ( X ) x1 2 x2 2 x3 2，若 ( x1 x2 )2 x32 1
t* f
2．tf和x(tf)受c(tf)曲线约束 x(t0)=x0
* x(t * ) c ( t f f ) L c(t ) x(t ) L 0, x
3． tf自由，x(tf)固定 x(t0)=x0和x(tf*)=xf
L (t ) Lx 0, x t t* f
( x , x , t ) m
引入矢量拉格郎日乘子λ(t)=[λ1(t) λ2(t) …λm(t)]T将微 分方程约束条件结合到性能泛函中构成一个新泛函，即
15
, t ] λ TΛ[x, x , t ] dt J' L[x, x
t0
tf
于是，在微分方程组约束下求泛函的条件极值问题，只 需用拉格朗日乘子法将有约束条件问题转化为无约束条件问 题来解决。假设函数x1(t)，x2(t)，…，xn(t) ，λ1(t)， λ2(t)， …， λm(t)使泛函J'取极值，那么这n+m个函数必须满足下面 n+m个欧拉方程：
现代控制理论最优控制课件
04 离散时间系统的最优控制
CHAPTER
离散时间系统的最优控制问题的描述
定义系统
离散时间系统通常由差分方程描述，包括状 态转移方程和输出方程。
确定初始状态
最优控制问题通常从一个给定的初始状态开 始，我们需要确定这个初始状态。
确定控制输入
在离散时间系统中，控制输入是离散的，我 们需要确定哪些控制输入是可行的。
工业生产领域
02 现代控制理论在工业生产领域中也得到了广泛的应用
，如过程控制、柔性制造等。
社会经济领域
03
现代控制理论在社会经济领域中也得到了广泛的应用
，如金融风险管理、能源调度等。
02 最优控制基本概念
CHAPTER
最优控制问题的描述
确定受控系统的状态和输入，以便在 给定条件下使系统的性能指标达到最 优。
LQR方法
利用LQR（线性二次调节器）设计最优控制 器。
线性二次最优控制的应用实例
经济巡航控制
在航空航天领域，通过线性二次最优控制实现燃料消 耗最小化。
电力系统控制
在电力系统中，利用线性二次最优控制实现稳定运行 和最小化损耗。
机器人控制
在机器人领域，通过线性二次最优控制实现轨迹跟踪 和避障等任务。
03
02
时变控制系统
04
非线性控制系统
如果系统的输出与输入之间存在 非线性关系，那么该系统就被称 为非线性控制系统。
这类系统的特点是系统的参数随 时间而变化。
静态控制系统
这类系统的特点是系统的输出与 输入之间没有时间上的依赖关系 。
发展历程
古典控制理论
这是最优控制理论的初级阶段，其研究的主 要对象是单输入单输出系统，主要方法是频 率分析法和根轨迹法。
最优控制全部PPT课件
J
（x(t f ),t f）
tf t0
F（x(t),u(t),t)dt
为最小。
这就是最优控制问题。
如果问题有解，记为u*(t), t∈ [t0,tf],则u*(t)叫做最优控制（极值控制），相应的轨 线X*(t)称为最优轨线（极值轨线），而性能指标J*=J（u*(·)）则称为最优性能指标。
第11页/共184页
目标质心的位置矢量和速度矢量为： xM xM
F(t)为拦截器的推力
x xL xM v xL xM
则拦截器与目标的相对运动方程为：
x v v a(t) F (t)
m(t)
m F (t) c
其中a(t)是除控制加速度外的固有相对加速度，是已知的。
初始条件为： x(t0 ) x0 v(t0 ) v0 m(t0 ) m0 终端条件为： x(t f ) 0 v(t f )任意 m(t f ) me
至于末态时刻，可以事先规定，也可以是未知的。 有时初态也没有完全给定，这时，初态集合可以类似地用初态约束来表示。
第9页/共184页
3：容许控制 在实际控制问题中，大多数控制量受客观条件的限制，只能在一定范围内取 值，这种限制通常可以用如下不等式约束来表示：
0 u(t) umax 或ui i 1,2p
给定一个线性系统，其平衡状态X(0)=0，设计的目的是保持系统处于平衡状态，即 这个系统应能从任何初始状态返回平衡状态。这种系统称为线性调节器。
线性调节器的性能指标为：
J
tf t0
n
xi 2 (t)dt
i 1
加权后的性能指标为：
J
tf t0
n
qi xi 2 (t)dt
i1
对u(t)有约束的性能指标为： J t f 1 [ X T (t)QX (t) uT (t)Ru(t)]dt
机械工程控制基础_东北大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
机械工程控制基础_东北大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.正半次穿越是对数相频特性曲线始于-180o向下。
（）答案:错误2.关于系统稳定的说法正确的是（）答案:线性系统稳定性与系统初始状态无关_非线性系统稳定性与系统初始状态有关_线性系统稳定性与输入无关3.对于一阶系统，又称为惯性系统，时间常数T越大，惯性越大。
答案:正确4.系统的时间响应过程仅取决于系统本身的特性。
答案:错误5.对于一阶系统，又称为惯性系统，时间常数T越大，惯性越大。
（）答案:正确6.系统的时间响应过程仅取决于系统本身的特性。
（）答案:错误7.为提高二阶欠阻尼系统相对稳定性，可（）。
答案:加大ξ8.线性定常二阶系统的闭环增益加大：答案:对系统的动态性能没有影响9.反馈信号与给定信号比较后产生的偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈。
答案:正确10.奈奎斯特判据属于代数稳定性判据。
答案:错误11.是评价系统稳定程度的指标。
（）答案:稳定裕度12.关于劳斯—胡尔维茨稳定性判据和奈奎斯特稳定性判据，以下叙述中正确的是（）答案:奈奎斯特判据属与几何判据，是用来判断闭环系统稳定性的13.控制系统的稳定性与有关（）答案:系统的结构参数14.利用赫尔维茨判据，则系统稳定的充要条件不正确为：特征方程的各项系数均为( )；各阶子行列式都。
（）答案:负、大于0_负、小于0_正、小于015.下列哪项是不正确（）答案:赫尔维茨判据、奈奎斯特代数稳定性判据_奈奎斯特判据、劳斯判据又称为代数稳定性判据_赫尔维茨判据、奈奎斯特代数稳定几何性判据16.关于传递函数正确的说法有（）答案:传递函数的分母与系统的输入无关_实际系统的传递函数分母中s的阶次不小于分子中s的阶次_在零初始条件下，系统输出的拉氏变换取决于输入和其传递函数_不同物理类型的系统，可以具有相同形式的传递函数17.对于一个线性定常系统（）答案:如有多个输入，则输出是多个输入共同作用的结果_可用线性微分方程式来描述_可用拉氏变换方法得出输入与输出之间的传递函数18.在下列这些运动中都存在信息的传输，其中（）运动是利用反馈来进行控制的。
中华人民共和国国家标准电气传动及其自动控制
1.3.8 比例作用 P-作用 Proportional action P-action 输出量变化与相应输入量变化成比例的一种连续作用。 1.3.9 比例作用系数 proportional-action coefficient 在比例作用元件中，输出量变化与相应输入量变化之比。 1.3.10 浮动作用 floating action 输出量变化率是输入量（在控制器中即为系统偏差）的一个预定函数后种连续作 用。 1.3.11 积分作用 I-作用 Integral action I-action 输出量变化率（时间导数）与相应输入量之值（在控制器中即为系统偏差）成比 例 的一种连续（浮动）作用。 1.3.12 积分作用系数 integral-action coefficient 在纯积分作用的元件中，输出量变化率（时间导数）与相应输入量数值之比。 1.3.13 积分作用时间常数 integral-action time constant
sampling (of electric drive) 在有限的时间间隔内（通常是相等的时间间隔）测量一个物理量的过程。 1.1.27 采样控制系统 sampling control system 系统中一个或多个主令，偏差和监视反馈信号是采样型式的一种控制系统。 1.2 自动控制 1.2.1 自动 automatic 在一个限定的任务内自行动作（无需操作人员）。 1.2.2 自动化 automate 采用自动装置改进设备以减少人的干预。 1.2.3 过程 process 完成一种或一系列物理或化学变化的一组操作。 1.2.4 控制 control 为达到规定目标，作用于系统的有目的的动作。 注：除控制作用本身外，控制还包括监视和保护作用。 1.2.5 执行装置；末级施控元件 final controlling element 正向通道中直接改变操纵量的元件。 1.2.6 自动控制 automatic control
sampling (of electric drive) 在有限的时间间隔内（通常是相等的时间间隔）测量一个物理量的过程。 1.1.27 采样控制系统 sampling control system 系统中一个或多个主令，偏差和监视反馈信号是采样型式的一种控制系统。 1.2 自动控制 1.2.1 自动 automatic 在一个限定的任务内自行动作（无需操作人员）。 1.2.2 自动化 automate 采用自动装置改进设备以减少人的干预。 1.2.3 过程 process 完成一种或一系列物理或化学变化的一组操作。 1.2.4 控制 control 为达到规定目标，作用于系统的有目的的动作。 注：除控制作用本身外，控制还包括监视和保护作用。 1.2.5 执行装置；末级施控元件 final controlling element 正向通道中直接改变操纵量的元件。 1.2.6 自动控制 automatic control
现代控制理论第13章线性系统的经典辨识方法
2
第一节 脉冲响应的确定方法――相关法
1
伪随机测试信号是六十年代发展起来的一种用于系统辨识的测试信号，这咱信号的抗干扰性能强；为获得同样的信号量，对系统正常运行的干扰程度比其他测试信号低。目前已有用来做这种试验的专用设备。如果系统设备有数字计算机在线工作，伪随机测试信号可用计算机产生。实践证明，这是一种很有效的方法，特别对过渡过程时间长的系统，优点更为突出。
1
(13-2)
2
设 ，则
或
(13-3)
根据维纳－霍夫方程可得 如果输入 是白噪声，则可很容易求脉冲响应函数 。这时 的自相关函数为
01
03
02
这说明，对于白噪声输入， 与 只差一个常数倍。这样，只要记录 与 之值，并计算它们的互相关函数 ，可立即求得脉冲响应函数 。用白噪声辨识系统的模型方块图如图13-2所示。
概率性质2：在序列中总的游程个数平均为 个，1的游程与-1的游程大约各占一半。即大约为个 （N为奇数，表示序列的个数）。
概率性质1：在序列中1出现的次数与-1出现的次数几乎相等。
概率性质3：对于离散二位式无穷随机序列 ，它的相关函数为
01
被辨识系统的数学模型，可以分成参数和非参数模型两类。
02
参数模型 是由传递函数、微分方程或差分方程表示的数学模型。如果这些模型的阶和系数都是已知的，则数学模型是确定的。采用理论推导的方法得到的数学模型一定是参数模型。建立系统模型的工作，就是在一定的模型结构条件下，确定它的各个参数。因此，系统辨识的任务就是选定一个与实际系统相接近的数学模型，选定模型的阶，然后根据输入和输出数据，用最好的估计方法确定模型中的参数。
3
1
(13-8)
3
2
清华大学最优控制--课程概述
3/4
1. 2. 3. 4. 5. 6.
因材施教：个别讨论、email答疑等
4/4
1
2/4
教学安排
教学安排
教材：最优控制，清华大学出版社
教学管理：作业30% + 开卷笔试70% （课程论文可代替部分或全部笔试） 提交作业要求： 1周内提交
参考书
解学书：最优控制—理论与应用，清华大学出版社 胡中楫等：最优控制原理及应用，浙大出版社 吴受章等：应用最优控制，西交大出版社 王朝珠等：最优控制原理，科学出版社 B.D.O.Anderson and J.B. Moore: Linear Optimal Control, Prentice-Hall F.L. Lewis and V.L. Syrmos: Optimal Control, John Wiley & Sons, INC.
教 学 安 排
最优控制
授课教师：钟宜生
总ห้องสมุดไป่ตู้时 32学时 主要教学内容
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 最优控制问题的提出和数学描述 函数极值的基本理论 最优控制中的变分法 极大值原理 动态规划 时间最短和燃料最省控制 线性二次型最优调节系统设计 最优状态调节系统的鲁棒稳定性 最优控制系统的渐近特性和加权矩阵的选择
1. 2. 3. 4. 5. 6.
因材施教：个别讨论、email答疑等
4/4
1
2/4
教学安排
教学安排
教材：最优控制，清华大学出版社
教学管理：作业30% + 开卷笔试70% （课程论文可代替部分或全部笔试） 提交作业要求： 1周内提交
参考书
解学书：最优控制—理论与应用，清华大学出版社 胡中楫等：最优控制原理及应用，浙大出版社 吴受章等：应用最优控制，西交大出版社 王朝珠等：最优控制原理，科学出版社 B.D.O.Anderson and J.B. Moore: Linear Optimal Control, Prentice-Hall F.L. Lewis and V.L. Syrmos: Optimal Control, John Wiley & Sons, INC.
教 学 安 排
最优控制
授课教师：钟宜生
总ห้องสมุดไป่ตู้时 32学时 主要教学内容
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 最优控制问题的提出和数学描述 函数极值的基本理论 最优控制中的变分法 极大值原理 动态规划 时间最短和燃料最省控制 线性二次型最优调节系统设计 最优状态调节系统的鲁棒稳定性 最优控制系统的渐近特性和加权矩阵的选择
2016-2017年北京理工大学自动化自动控制原考研参考书目-历年真题答案-新祥旭考研辅导班
新祥旭北京理工大学 2013年考研导学 ——自动控制原理
新祥旭——唯一专注北京理工大学的考研辅导机构
一、专业信息介绍
控制科学与工程、检测技术、模式识别、导航、系 统工程、电气工程。
北理的自动化分为自动化和电气工程，在填报时， 会让你选定方向，其中自动化：控制理论与控制工程 （较好，录取比例较高，但2012相对来说难度有些增 加），检测技术与自动化装置（较难，复试时会刷些高 分考生，2011年刷了一个374的，2012又刷了许多高 分），模式识别技术（与双控差不多，但招生人数少 些，录取难度适中），系统工程（几乎都是调剂过去 的，难度较小），导航（慎报，很排外，2011年400+外 校才能考上，2102有些意外，325就能进复试）。电气 方面：分为电力系统及其自动化，电机与电器，电工理 论及新技术，近年发展势头很猛，估计以后越来越难考。 还有专业硕士，当你考的分数上了自动化大线，但 复试 没过时，可以调剂过去。
这个阶段应该视野向外扩展，在巩固习题集的基础上，多看些图书馆的其他参 考资料，对习题集进行补充，同时每隔几天做一套历年真题，虽然 09以前的真 题与现在变化很大，但不意味着可以不做，因为每年真题中都有基本方法 ，融 入在其中，对解题思路的形成有很大帮助。 我们也会提供仿真模拟题大家可以 穿插进行，即今天一套明天一套模拟，第三天认真查漏补缺。 4、冲刺阶段（12月－1月） 总结所有重点知识点，包括重点概念、理论和模型等，查漏补缺，回归教材。 温习专业课笔记和历年真题，这时可以相应的做专业课模拟试题。到 1月要调整 心态，保持状态，积极应考。
1.1.4 频率响应方法 掌握：频率响应的基本概念；典型环节的频率响应；开环系统的的频率响应；频 率响应的图示法；最小相位系统；由频率响应求传递函数；基于开环频率响应的 稳定性判据；稳定性裕量。 理解：闭环频率特性；基于频率响应的控制系统的串联校正。 题型及分值：选择填空题和解答题, 占总成绩的 15% 1.1.4 状态空间方法 掌握：状态转移矩阵的求取及其性质；状态方程的解；可控性和可观测性的基本 概念及其判据；状态空间表达式的规范型；状态空间的分解；可镇定性和可检测 性；状态反馈与极点配置；状态观测器的设计；带状态观测器的状态反馈。 题型及分值：解答题，占总成绩的 15%
新祥旭——唯一专注北京理工大学的考研辅导机构
一、专业信息介绍
控制科学与工程、检测技术、模式识别、导航、系 统工程、电气工程。
北理的自动化分为自动化和电气工程，在填报时， 会让你选定方向，其中自动化：控制理论与控制工程 （较好，录取比例较高，但2012相对来说难度有些增 加），检测技术与自动化装置（较难，复试时会刷些高 分考生，2011年刷了一个374的，2012又刷了许多高 分），模式识别技术（与双控差不多，但招生人数少 些，录取难度适中），系统工程（几乎都是调剂过去 的，难度较小），导航（慎报，很排外，2011年400+外 校才能考上，2102有些意外，325就能进复试）。电气 方面：分为电力系统及其自动化，电机与电器，电工理 论及新技术，近年发展势头很猛，估计以后越来越难考。 还有专业硕士，当你考的分数上了自动化大线，但 复试 没过时，可以调剂过去。
这个阶段应该视野向外扩展，在巩固习题集的基础上，多看些图书馆的其他参 考资料，对习题集进行补充，同时每隔几天做一套历年真题，虽然 09以前的真 题与现在变化很大，但不意味着可以不做，因为每年真题中都有基本方法 ，融 入在其中，对解题思路的形成有很大帮助。 我们也会提供仿真模拟题大家可以 穿插进行，即今天一套明天一套模拟，第三天认真查漏补缺。 4、冲刺阶段（12月－1月） 总结所有重点知识点，包括重点概念、理论和模型等，查漏补缺，回归教材。 温习专业课笔记和历年真题，这时可以相应的做专业课模拟试题。到 1月要调整 心态，保持状态，积极应考。
1.1.4 频率响应方法 掌握：频率响应的基本概念；典型环节的频率响应；开环系统的的频率响应；频 率响应的图示法；最小相位系统；由频率响应求传递函数；基于开环频率响应的 稳定性判据；稳定性裕量。 理解：闭环频率特性；基于频率响应的控制系统的串联校正。 题型及分值：选择填空题和解答题, 占总成绩的 15% 1.1.4 状态空间方法 掌握：状态转移矩阵的求取及其性质；状态方程的解；可控性和可观测性的基本 概念及其判据；状态空间表达式的规范型；状态空间的分解；可镇定性和可检测 性；状态反馈与极点配置；状态观测器的设计；带状态观测器的状态反馈。 题型及分值：解答题，占总成绩的 15%
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第13章 最优控制系统
13.1 引言 13.2 最优控制问题的描述 13.3 线性二次型最优控制问题 13.4 MATLAB/SIMULINK在线性二次型最优控 制中的应用 13.5 综合实例及MATLAB/SIMULINK应用 习题
上看，最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制 范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数 （称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。解决最优控制问题 的主要方法有古典变分法（对泛函求极值的一种数学方法）、极 大值原理和动态规划。最优控制已被应用于综合和设计最速控制 系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。 其中，线性二次型最优控制是一种普遍采用的最优控制系统设计 方法。 考虑到教学的基本要求，本章简单介绍了最优控制问题的描述方 式，重点讲解线性二次型最优控制问题的MATLAB实现方法，力 求使读者对最优控制问题有一个初步的了解。
对于离散系统线性二次型最优控制问题，MATLAB提供了完全相 似的函数dlqr和dlqry，常见的调用格式为 [K,P,E] = dlqr(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = dlqry(A,B,C,D,Q,R,N)
13.2 最优控制问题的描述
13.4 MATLAB/Simulink在线性二 次型最优控制中的应用
在MATLAB中，有专门求解连续系统线性二次型最优控制问题的 函数lqr()、lqr2()及lqry()，常见的调用格式为： [K,P,E] = lqr(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = lqr2(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = lqry(sys,Q,R,N) 其中，输入的参数中，A为系统的状态转移矩阵，B为输入矩阵， Q为给定的半正定矩阵，R为给定的正的实对称矩阵，N为性能指 标中交叉乘积项的加权系数矩阵。
13.1 引言 13.2 最优控制问题的描述 13.3 线性二次型最优控制问题 13.4 MATLAB/SIMULINK在线性二次型最优控 制中的应用 13.5 综合实例及MATLAB/SIMULINK应用 习题
上看，最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制 范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数 （称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。解决最优控制问题 的主要方法有古典变分法（对泛函求极值的一种数学方法）、极 大值原理和动态规划。最优控制已被应用于综合和设计最速控制 系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。 其中，线性二次型最优控制是一种普遍采用的最优控制系统设计 方法。 考虑到教学的基本要求，本章简单介绍了最优控制问题的描述方 式，重点讲解线性二次型最优控制问题的MATLAB实现方法，力 求使读者对最优控制问题有一个初步的了解。
对于离散系统线性二次型最优控制问题，MATLAB提供了完全相 似的函数dlqr和dlqry，常见的调用格式为 [K,P,E] = dlqr(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = dlqry(A,B,C,D,Q,R,N)
13.2 最优控制问题的描述
13.4 MATLAB/Simulink在线性二 次型最优控制中的应用
在MATLAB中，有专门求解连续系统线性二次型最优控制问题的 函数lqr()、lqr2()及lqry()，常见的调用格式为： [K,P,E] = lqr(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = lqr2(A,B,Q,R,N) [K,P,E] = lqry(sys,Q,R,N) 其中，输入的参数中，A为系统的状态转移矩阵，B为输入矩阵， Q为给定的半正定矩阵，R为给定的正的实对称矩阵，N为性能指 标中交叉乘积项的加权系数矩阵。