现代控制理论-第一章

《现代控制工程》代控交流联系方式交流联系方式授课人：那靖授课人：那靖办公室：机电楼楼428室通讯方式：13759138460通讯方式：EMAIL:[e-mail]:[e-mail]研究生学位课课程性质:研究生学位课课程性质:服务对象:专业型硕士课程特点：学时少（36学时）紧密联系实际紧密联系实际应用非常广泛前导课程：线性代数、复变函数、电路理论、模电、机械技术基础、控制工程基础基础、控制工程基础主要教学环节紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解z课堂教学z习题紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。z习题独立完成作业，按时交作业。实验z实验注意理论联系实际，掌握软件编制的方法，仿真调试与物理实验验证相结合。z课外补充课外补充Matlab编程。课程成绩确定方法：本课程成绩主要由平时成绩和考试成绩组成。每本课程成绩要由平时成绩和考试成绩成每项说明如下：1.平时成绩：到课率、作业、回答问题等1.平时成绩：到课率、作业、回答问题等2.考试：闭卷，卷面考试成绩最终成绩的给定按如下公式得到最终成绩的给定按如下公式得到：平时成绩+考试成绩+（实验？）二者比重大约分别为：30%、70%3.实验：实验准备及平时做实验的完成情况实实实上课将会有提问、点名，课堂练习；课后将会有作业，记入平时成绩课程教材及参考书教材：《《现代控制理论及其现代控制理论及其MATLABMATLAB实践实践》》方水良编著浙江大学方水良编著浙江大学《《现代控制理论及其现代控制理论及其MATLABMATLAB实践实践》》，方水良编著，浙江大学，方水良编著，浙江大学出版社，出版社，20052005参考书参考书：1.现代控制理论(第3版)，刘豹,唐万生主编.机械工业出版社22胡寿松胡寿松等编《自动控制原理自动控制原理》》国防工业出版社国防工业出版社2.2.胡寿松胡寿松等编《自动控制原理自动控制原理》》，国防工业出版社，国防工业出版社3.R.Dorf,R.Bishop主编．《现代控制系统》．高等教育出版社第一章绪论1.1控制系统概述1.2自动控制发展历史1.3现代控制理论的应用14课程结构及内容1.4课程结构及内容控制示例(a)人工控制(b)自动控制()人控制()自动控制图液面控制1.1控制系统概述控制系统概述控制:对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为控制示例所期望的行为。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）的一个或数个物理量（如电压、电流、速度、位置、温度、流量化学成分等）自动的按照预定的流量、化学成分等）自动的按照预定的规律运行（或变化）。自动控制系统是指能够对被控对象的工自动控制系统是指能够对被控对象的作状态进行自动控制的系统。图离心调速器控制论关于控制原理和控制方法的学科研究事物变化和发展的控制论：关于控制原理和控制方法的学科，研究事物变化和发展的一般规律。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置。控制三要素：被控对象、控制目标、控制装置。反馈及控制系统结构反馈及控制系统结构1开环控制与闭环控制1.开环控制与闭环控制1)．开环控制控制是指系统的被控制量输出量受控开环控制是指系统的被控制量（输出量）只受控于控制作用，而对控制作用不能反施任何影响的控制方式采用环控制的系统称为环控制系控制方式。采用开环控制的系统称为开环控制系统。液位控制系统开环系统输出量对控制作用没有任何影响或者说开环系统输出量对控制作用没有任何影响，或者说控制器与控制对象之间只有单向作用而没有反向作用的控制系统称为开环控制系统用的控制系统称为开环控制系统。控制装置控制装置被控对象被控对象输入量输入量输出量输出量控制装置控制装置被控对象被控对象输出量输出量开环控制系统方框图开环控制的特点：控制装置只按照给定的输入信号对被控制量进行单向控制，而不对控制量进行测量并反向影响控制作用。制制并制作开环系统主要问题：不具有修正由于扰动（使被控制量偏离希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，希望值的因素）而出现的被控制量与希望值之间偏差的能力，无法自动减小或消除由于扰动而产生的(实际液位与设定液位之间)误差。2).闭环控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制闭环控制是指系统的被控制量（输出量）与控制作用之间存在着反馈的控制方式。采用闭环控制的系统称为闭环控制系统或反馈控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。闭环控制是一切生物控制自身运动的基本规律。人本身就是一个具有高度复杂控制能力的闭环系统。手是被控对象，手的位置为被控量。控制系统的输出量对系统的控制作用有影响！！控制系统的输出量对系统的控制作用有影响闭环系统特点：控制的是控制对象的输出量，测量的是输出量与给定值之间的偏差。只要出现偏差，就能的是输出量与给定值之间的偏差。只要出现偏差，就能自动纠偏，用它可以实现准确的控制,是自动控制系统工作的主要方式。前向通道前向通道反向通道可以看到:控制器与控制对象之间既有前向作用又有反向可以看到:控制器与控制对象之间既有前向作用又有反向联系。说明的是：输出量对系统的控制作用的影响称为“反馈”。反馈。2反馈2.反馈系统的输出不断地、直接或间接地、全部或部分地返回并作用于系统或部分地返回,并作用于系统。例1-2：发动机离心调速系统控制原理：如果负载变化使ω增加控制原理：如果负载变化使ω增加离心机构滑套上移液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小,ω减小直到滑阀回复中位，ω回到设定值通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出。反馈实质上是信息的传递与交互。（本例中的反馈表现为ω变化所引起的信息传递与交互）图1-5例1-2中的发动机离心调速系统3.反馈控制系统结构反馈控制系统名词术语参考(给定)输入r:输入到控制系统中的指令信号；反馈控制系统名词术语反馈b:与输出成正比或某种函数关系的反馈信号；偏差e:参考输入与主反馈之差即e=rb;偏差e:参考输入与主反馈之差，即e=r-b;控制量u:从控制器输出并作用于被控制对象的信号；扰动n：来自系统内部或外部，对系统输出产生影响的信号；输出c：反馈控制系统的被控制量即被控制对象的输出量；输出c：反馈控制系统的被控制量，即被控制对象的输出量；1.2自动控制发展历史I.启蒙期•中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶()漏壶(1400B.C.-1100B.C.)。•秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.)•亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年)•中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年)动仪(132年)•中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年)车(年)•中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(年)机结构图(1637年)II.形成和发展期•英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(188年)(1788年)•英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)，提出了简单的稳定性代数判据。文(1868年)，提出了简单的稳定性代数判据。•Routh判据(1875年)，劳斯和赫尔维茨各自提出了Routh判据(1875年)，劳斯和赫尔维茨各自提出了两个著名的稳定性判据——劳斯判据&赫尔维茨判据。•俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”俄国A.M.Lyapunov博士论文论运动稳定性的般问题(1892年)•英国JMGray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号英国J.M.Gray设计出第艘全自动蒸汽轮船东方号(GreatEastern)(1866年)•美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID美国y研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出控制方法(1922)•美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)(1927)•美国E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器美国py以及研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)•美国贝尔实验室的HBode(1938)，以及Nyquist(1940)提出美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法•美国Taylor仪器公司的JGZiegler和NBNichols提出美国Taylor仪器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942)•美国WEvans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。目前IEEE中，控制的最高奖为Bode奖标志阶段•美国MIT的N.Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表《控制论》(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。•多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.MacColl的FdtlThfShi(1945)FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)，•钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)(1954)维纳是一个名符其实的神童。维纳三岁半开始读书，生物学和天文学的初级科学读物就成了他在科学方面的启蒙书籍。七岁时，开始深入物理学和生物学的领域，甚至超出了他父亲的知识范围。从达尔文的进化论、金斯利的《自然史》到夏尔科雅内的精神病学著作《自然史》到夏尔科、雅内的精神病学著作，从儒勒·凡尔纳的科学幻想小说到18、19世纪的文学名著等等几乎无所不读的文学名著等等，几乎无所不读。15岁时读完了大学课程，之后便开始攻读哈佛大学研究院生物学博士学位在哈佛的最后年维纳向学校申请了旅行奖学金并获得博士学位。在哈佛的最后一年，维纳向学校申请了旅行奖学金并获得了批准。他先后留学于英国剑桥大学和德国哥丁根大学，在罗素、哈代希尔伯特等著名数学家指导下研究逻辑和数学1918年由于哈代、希尔伯特等著名数学家指导下研究逻辑和数学。1918年，由于哈佛大学数学系主任奥斯古德的推荐，维纳到麻省理工学院数学系任教，并一直在该学院工作到退休2005-11-5并直在该学院工作到退休。钱学森，中国现代物理学家、钱学森中国现代物学家世界著名火箭专家。浙江杭州市人，1911年12月11日生于上海。1934年在美国麻省理工学院和加利福尼亚理工学院学习。1938年获博士学位后留校任教并从事火箭研究。1947－1955年间任麻省理工学院和加利福学院教授福尼亚理工学院教授。1955年10月冲破种种阻力回国后，曾任中国科学院力学研究所所长，第七机械工业部副部长，国防科工委副主任等职。钱学森为中国火箭和导弹技术的发展提出了极为重要的实施方案。1956年4月起，他长期担任火箭导弹和航天器研制的技术领导职务，对中国火箭导弹和航天事业和发展作出了重大贡献。2005-11-5经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征1研究对象：以单输入单输出线性定常系统。2工具：拉氏变换；研究基础：传递函数；研究领域频域研究领域：频域。3经典控制理论的局限性①难以有效地应用于时变系统、多变量系统②难以有效地应用于非线性系统。III现代控制(ModernControl)(19601980s)III.现代控制(ModernControl)(1960-1980s)随着航天事业和计算机的发展20世纪60年代初在经随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。础