控制系统计算机辅助设计概述

2020/2/7控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用东北大学信息学院1国家级精品课程控制系统仿真与CAD薛定宇东北大学信息学院2020/2/72控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用本课程教材薛定宇著控制系统计算机辅助设计---MATLAB语言与应用，北京：清华大学出版社，2006国家级精品课程教材国家级精品教材国家级十一五规划教材教育部自动化专业教指委规划教材英文版：SIAM出版社，LinearFeedbackControl,AnalysisandDesignwithMATLAB，2007，TWMResearch2008控制学科推荐参考书2020/2/73控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用课程内容第一章控制系统计算机辅助设计概述第二章MATLAB语言程序设计基础第三章线性控制系统的数学模型第四章线性控制系统的计算机辅助分析第五章Simulink在系统仿真中的应用第六章控制系统计算机辅助设计第七章鲁棒控制与鲁棒控制器设计第八章自适应与智能控制系统设计第九章半实物仿真与实时控制2020/2/7控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用东北大学信息学院4第1章控制系统计算机辅助设计概述薛定宇著.控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用（第二版）.清华大学出版社，2006.CAI课件开发:解志斌、薛定宇2020/2/75控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用本章主要内容控制系统理论概述控制系统计算机辅助设计技术的发展综述控制系统计算机辅助设计语言环境综述仿真软件的发展概况MATLAB/Simulink与CACSD工具箱控制系统计算机辅助设计领域的新方法2020/2/76控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用控制学科的前景控制将是21世纪的物理学(Controlwillbethephysicsofthe21stcentury)国际著名学者、哈佛大学的何毓琦(LarryYu-ChiHo)教授JohnDoyle教授，在第40届IEEE决策与控制年会(CDC)全会开篇报告2020/2/77控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用控制学科的发展“控制”一词应用广泛，本课：工业控制、反馈控制自动控制系统的早期应用可以追溯到两千多年前古埃及水钟控制与中国汉代指南车控制1788年英国科学家JamesWatt为内燃机设计的飞锤调速器（flyballgovernor）可以认为是最早的反馈控制系统的工程应用由于调速器出现振荡现象，所以出现了Maxwell对微分方程系统稳定性的理论研究(1868)2020/2/78控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用Routh(1874)和Hurwitz(1895)等人的稳定性研究成果控制器的设计问题是由Minorsky在1922开始研究的，其研究成果可以看成是现在广泛应用的PID控制器的前身。1942年，Ziegler与Nichols提出了调节PID控制器参数的方法，其方法对当今的PID控制器整定仍有影响。要求的提高：鲁棒控制器设计、智能控制器设计，……等2020/2/79控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用控制理论的发展简述基于微分方程及其稳定性的理论研究Harris于1942年提出的传递函数的概念首先将通信学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域法理论研究的基础系统的频域分析技术是在Nyquist(1932年)、Bode(1945年)等早期的关于通信学科的频域研究工作的基础上建立起来的Evens在1946年提出的线性反馈系统的根轨迹分析技术是那个时代的另一个里程碑2020/2/710控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用“现代”控制理论的三个代表前苏联学者Pontryagin(1956)极大值原理美国学者Bellman的动态规划(1957年)美国学者Kalman的状态空间分析技术(1960年)线性二次型最优调节器(Kalman1959)、最优状态观测器(Kalman1960)及LQG控制器2020/2/711控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用现代控制理论的发展状态控制理论状态空间理论（1960’s-1980’s）自适应控制多变量系统频域分析鲁棒控制智能控制。。。。。。众多其他分支状态空间理论现在不宜称为“现代控制理论”2020/2/712控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用美国MIT模型参考自适应系统模型辨识瑞典学者KarlAstrom的自校正控制器英国学者PeterGauthroup英国学者Wellstead英国学者DavidClarke的广义预测控制器自适应控制2020/2/713控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用多变量控制英国学派HHRosenbrock的逆Nyquist阵列UMISTALGMacFarlane特征轨迹法CambridgeDavidMayne，序贯回路闭合方法，ImperialDavidOwens，并矢方法Sheffield以色列学者Horowitz的QFT（QuatitativeFeedbackTheory）2020/2/714控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用鲁棒控制LQG/LTR基于范数的鲁棒控制（Zames,1980,Doyleetal,1992）H2鲁棒控制Hinf鲁棒控制、最优控制线性矩阵不等式（LMI）最优化方法分数阶控制(fractionalordercontrol)区间控制(intervalcontrol)2020/2/715控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用智能控制模糊逻辑与模糊逻辑控制专家系统神经网络控制预测控制自学习控制，迭代自学习算法无模型控制器自整定PID控制器2020/2/716控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.1控制系统计算机辅助设计技术的发展综述早期的控制系统设计可以由纸笔等工具容易地计算出来，如Ziegler与Nichols于1942年提出的PID经验公式就可以十分容易地设计出来。随着控制理论的迅速发展，光利用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之在计算机领域取得了迅速的发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计(computer-aidedcontrolsystemdesign,CACSD)方法。2020/2/717控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到了相当高的水平，并一直受到控制界的普遍重视。早在1982年12月和1984年12月，控制系统领域在国际上最权威的IEEE控制系统学会的控制系统杂志(ControlSystemsMagazine)和IEEE学会的科研报告集(ProceedingsofIEEE)分别第一次出版了关于CACSD的专刊近三十年来，随着计算机技术的飞速发展，各类CACSD软件频繁出现且种类繁多，MATLAB语言出现以来，就深受控制领域学生和研究者的欢迎，已经成为控制界最流行、最有影响的通用计算机语言，成为控制界学者的首选。2020/2/718控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用为什么选择MATLAB？MATLAB已经成为事实上的科学运算、仿真和CACSD的标准语言主要精力集中在控制系统理论和方法上，而不是将主要精力花费在没有太大价值的底层重复性机械性劳动上对问题有整体了解，避免“只见树木，不见森林”的认识偏差提高控制器设计的效率和可靠性子曰:“工欲善其事，必先利其器”2020/2/719控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用MAD过程Mad＝modelling，analysis，design重复mad过程，设计出控制器系统建模系统分析系统设计2020/2/720控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.2CACSD环境综述20世纪70年代：1973年美国学者Melsa教授和Jones博士出版了一本专著，书中给出了许多当时流行的控制系统计算机辅助分析与设计的源程序,包括求取系统的根轨迹、频域响应、时间响应、以及各种控制系统设计的子程序如：Luenberger观测器、Kalman滤波等。瑞典Lund工学院教授主持开发的一套交互式CACSD软件INTRAC日本的古田胜久(KatsuhisaFuruta)教授主持开发的DPACS-F软件等。2020/2/721控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1980年美国学者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB语言逐渐受到了控制界研究者的普遍重视图形交互式的模型输入计算机仿真环境Simulink的出现为MATLAB应用的进一步推广起到了积极性的推动作用。现在，MATLAB已经风靡了全世界，成为控制系统仿真与计算机辅助设计领域最普及也是最受欢迎的首选计算机语言。2020/2/722控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为几个阶段：软件包阶段、交互式语言阶段及当前的面向对象的程序环境阶段这些软件包大都是由FORTRAN语言编写的源程序组成的，给使用者提供了较好的接口，但和MATLAB相比，调用方法和使用明显显得麻烦、不便。此外，以前FORTRAN语言绘图并不是轻而易举的事情，这就需要再调用相应的软件包来做进一步处理。2020/2/7控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用东北大学信息学院2320世纪70年代末期和80年代初期出现了很多实用的具有良好人机交互功能的软件，如：MATLAB、前面提及的INTRAC和CTRL-C等。正因为存在多种多样的CACSD软件，而它们之间又各有所长，所以在CACSD技术的发展过程中曾有过几次将若干常用软件集成在一起的尝试。2020/2/724控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用英国UMIST的ECSTASY项目：集成MATLAB，Framemaker，ACSL,Mathematica，LaTeX等诸多软件。依作者之见，这些集成出来的软件并不是很成功的，因为它们并没有达到预期的效果。事实上，从那以后每个软件的功能都有了明显的改善，MATLAB语言有了自己的仿真功能，Simulink从某种意义上来讲其功能和接口更优于ACSL,MATLAB和Mathematica之间也有了较好的接口，它们的优势可以得到充分地互补。2020/2/725控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用我国较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果是中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC软件。清华大学孙增圻、袁曾任教授的著作和程序。《控制系统计算机辅助设计》清华大学出版社1988以及北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序等。《控制系统计算机辅助设计》机械工业出版社，19862020/2/726控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用1.3仿真软件的发展概况仿真技术引起该领域各国学者、专家们的重视，建立起国际的仿真委员会(SimulationCouncilsInc.，Sci)，该公司于1967年通过了仿真语言规范。仿真语言CSMP(computersimulationmodellingprogram)应该属于建立在该标准上的最早的专用仿真语言。中科院沈阳自动化研究所在1988年推出了该语言的推广版本CSMP-C。2020/2/727控制系统计算机辅助设计－MATLAB语言与应用ACSL语言，现在仍有可用版本和用户群MATLAB/Simulink就是这样的仿真软件，由于它本身卓越的功能，已经使得它成为自动控制、航空航天、汽车设计等诸多领域仿真的首选语言。其他语言如法国的Scilab：免费、开源、和MATLAB有相似性、兼容性功能弱于MATLAB/Simulink2020/2/728控制