现代控制理论

自动控制原理AutomaticControlPrinciple华北科技学院绪论电子信息工程学院一、课程简介《自动控制原理》是自动化专业的核心课程。①自动控制②自动控制理论③自动控制系统1.在自动化专业中的作用基础课——专业基础——专业课专业课：自动控制系统计算机控制系统自动控制原理专业基础课：电力电子技术电机拖动3.特点（对数学有重要贡献）①理论性②系统性③工程实践性2.课程内容一个模型，三个方法（方法论）①时域法②根轨迹法③频域法二、自动控制理论的发展华北科技学院1、自动控制技术的起源自动控制技术的应用可以追溯到18世纪(1788年)瓦特利用小球离心调速器使蒸汽机转速保持恒定的开创性突破。公认的第一篇理论论文,是麦克斯韦在1868年发表的“论调节器”。自动控制技术的真正发展是在20世纪。离心调速器蒸汽机|瓦特指南车（公元235年）（三国时期）指南车相传是在古代用來辨认行军方向的工具。指南车事实上是一种机械的裝置，指南车在行进时，车上人的手始终指向同一方向。指南车是最早出现的自动控制设备。指南车的制作原理和指南针利用磁力指示方向不同。在战国的时候，才出现真正利用磁铁的磁力指示方向的仪器司南。2、自动控制技术的应用领域•工业控制航海•航空航天国防、军事•机器人控制医学、生物•交通运输经济与社会--------例:水箱水位控制系统倒立摆模型倒立摆设备增速链式流水线现场总线在楼宇中的应用自动化技术的三次飞跃①20世纪50—60年代微电子技术②20世纪70—80年代DCS系统③90年代——21世纪现场总线技术PROFIBUS在炼油厂的应用飞机姿态控制飞机驾驶系统驾驶员同时控制飞机的垂直高度、水平位置、俯仰角，需通过三个机翼的偏转实现控制。但三个量相互耦合，利用现代控制中解耦方法——实现解耦，于是变成三个独立的子系统，驾驶员再控制就容易了。工业机器人舰船导航与控制系统仿真陀螺仪模型陀螺仪：在高速旋转时，具有自旋不倒的特性，能够抗拒任何外力和干扰的影响，保持其自转轴相对于惯性空间方向上稳定不变，如卫星上的陀螺仪始终是指向空间某一预定的方向。飞行器最小的陀螺仪只有几十克重，而核潜艇陀螺仪重达55吨。实用陀螺仪飞行器控制F14战斗机控制系统仿真模型发现者号航天飞机航天飞机是一种可重复使用的由运载火箭发射的飞行器，用于进入地球轨道，在地球与轨道航天器之间运送人员和物资，并滑翔降落回地面。它由3部分组成：带机翼的轨道器，用于运载航天员和物资；外部推进剂箱；一对大型固体推进剂捆绑式助推火箭。整个系统的起飞重量达2000吨，高56米。发射时，助推器和轨道器主发动机同时点火，推力达3100万牛顿。起飞后约两分钟，助推火箭被抛弃并用降落伞降落，回收后再次使用。控制理论的发展阶段1.经典控制理论40—50年代形成：单输入单输出系统-SISO目标：反馈控制系统的镇定。基本方法：传递函数、频率法、PID调节器。2.现代控制理论60—70年代形成：多输入多输出系统-MIMO基于：战后的空间技术，计算机技术目标：最优控制基本方法：状态方程（时域）3.智能控制技术智能控制是近二十年来发展起来的一门新兴学科。智能控制系统是在控制论、信息论、人工智能、仿生学、神经生理学及计算机科学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制系统。专家系统、模糊控制理论、神经网络、遗传算法、混沌算法、博奕论及小波理论。智能控制系统广泛应用于工业生产过程自动化、电力系统、CAD/CAM、机器人、仪器仪表、机电工程等。（1）经典控制理论经典控制理论产生并发展于20世纪40～60年代。（2）现代控制理论现代控制理论于20世纪60年代中期。（3）智能控制理论智能控制理论是20世纪70年代后期，是控制理论向广度和深度发展的结果。自动控制理论的内容三论产生及背景（1948年）——三、控制理论发展史上三个重要标志——信息论、控制论、系统论1、信息论：美国贝尔实验室的神农博士于1948年发表了《通信的数学理论》，奠定了现代信息论的基础，宣告信息论的诞生。《通信的数学理论》在解决通信的两个基本问题：提高传送消息的效能——有效性保证传送消息的完整——可靠性2、控制论：美国控制论专家维纳于1948出版了《控制论》(Cybernetics)，标志着控制论学科的诞生。维纳在讲解《控制论》（上图）维纳在讲解控制论——根据这一理论，一个机械系统完全能进行运算和记忆。《控制论》创始人——维纳简介维纳于1894年生在美国密苏里州哥伦比亚市的一个犹太人家中。18岁时就获得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，随后他因提出了著名的“控制论”而闻名于世。1940年，维纳开始考虑计算机如何能像大脑一样工作。他发现了二者的相似性。维纳认为计算机是一个进行信息处理和信息转换的系统，只要这个系统能得到数据，机器本身就应该能做几乎任何事情。而且计算机本身并不一定要用齿轮、导线、轴、电机等部件制成。3、系统论：1948年，奥地利出生的美国生物学家贝塔郎菲出版了《生命问题》一书，描述了系统思想在哲学史上的发展，确立了适用于系统的一般原则，标志着系统论这门新型的逻辑和数学领域科学的诞生。工程控制论（EngineeringCybernetics.1954）——钱学森(TsienHS,1991-)信息论、系统论、控制论“三论”于1948年同时诞生，相互渗透，相互促进，对人类社会的各方面影响极为深刻。四、21世纪自动化技术的新发展自动化技术与信息技术AutomationTechnologyandInformationTechnology人类进入信息时代——信息技术的三大支柱信息采集技术———传感器技术信息传递技术———通信技术信息处理技术———计算机技术MATLAB仿真技术SimulinkTechnologyofMATLABMATLAB简介MATLAB是1984年由美国Mathworks公司推出的用于数值计算、图形处理的科学计算环境。MATLAB是英文MATrixLABoratory(矩阵实验室)的缩写。MATLAB软件自问世以来以其强大功能广泛应用于信号处理、生物医学、雷达工程、图象处理等领域，引起了众多学者特别是控制界人士的普遍关注。五、教学参考书1、[美]现代控制系统.RichardC.Dorf等著.谢红卫等译.高教出版社.2015.22、[美]现代控制工程，绪方胜彦,卢伯英等译电子工业出版社.2007.83、自动控制原理.李友善.国防工业出版社，2005.1六、结语现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展。2017.7制作修改