现代控制理论基础课件ppt.ppt
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1、主要内容一一 个人基本情况个人基本情况二二 控制理论的产生及其发展控制理论的产生及其发展三三 现代控制理论的主要内容现代控制理论的主要内容四四 本课程要讲的内容本课程要讲的内容五五 学习、研究和培养学生过程中的一些体会学习、研究和培养学生过程中的一些体会1一一一一 个人基本情况个人基本情况个人基本情况个人基本情况(1)(1)(1)(1)文成林文成林,男,男,19631963年年4 4月生,博士月生,博士(后后)、教授、博士生指导教师、教授、博士生指导教师所属学科:所属学科:控制理论与控制工程控制理论与控制工程发表发表学术论文学术论文9090余篇,其中已有余篇,其中已有3030余篇次被余篇次被S
2、ciSci或或EiEi收录收录主主持持国国家家自自然然科科学学基基金金3 3项项、(联联合合主主持持)国国家家自自然然科科学学基基金金重重点点项项目目1 1项项、中中国国博博士士后后基基金金1 1项项、世世界界银银行行贷贷款款项项目目1 1项项、省省部部级级重重点点基金基金5 5项、国家重点实验室开放基金项、国家重点实验室开放基金4 4项、省部级自然科学基金项、省部级自然科学基金3 3项项出版学术专著出版学术专著1 1部,完成学术专著部,完成学术专著1 1部、主编和参编教材部、主编和参编教材5 5部。部。2个人基本情况个人基本情况(2)(2)1982.09-1986.06河南大学数学系基础数学
3、专业本科毕业河南大学数学系基础数学专业本科毕业1986.06-2004.06在河南大学从事科研和教学究工作在河南大学从事科研和教学究工作1993.09-1996.06 郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业、获硕士学位郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业、获硕士学位1996.09-1999.10西北工业大学自动控制系博士研究生毕业西北工业大学自动控制系博士研究生毕业1997.10-1997.12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员1998.10-1998.12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员1998.
4、12获得副教授任职资格获得副教授任职资格1999.10-1998.12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员2000.05-2002.04清华大学清华大学控制科学与工程控制科学与工程博士后流动站工作博士后流动站工作2002.4被聘任为教授被聘任为教授2002.05-2002.07 清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员2003.02-2003.06香港浸会大学计算机科学系高级访问教授香港浸会大学计算机科学系高级访问教授2005.10-2005.12 加拿大加拿大Albeta大学高级访问教授大学高
5、级访问教授2004.06至今杭州电子科技大学至今杭州电子科技大学特聘教授特聘教授3个人基本情况个人基本情况(3)(3)杭州电子科技大学杭州电子科技大学特聘教授特聘教授 中中国国电电子子学学会会高高级级会会员员,中中国国自自动动化化学学会会会会员员,中中国国自自动动化化学学会会过过程程的的故故障障诊诊断断与与技技术术专专业业委委员员会会委委员员、中中国国自自动动化化学学会会智智能能控控制专业委员会委员制专业委员会委员 国国家家自自然然科科学学基基金金通通讯讯评评阅阅人人,自自动动化化学学报报、电电子子学学报报、电电子子与信息学报等学报长期审稿人与信息学报等学报长期审稿人主主要要研研究究方方向向为
6、为:多多尺尺度度估估计计理理论论及及其其应应用用、信信号号处处理理与与数数据据融融合技术及应用、动态系统故障诊断、动态系统建模理论及应用技术合技术及应用、动态系统故障诊断、动态系统建模理论及应用技术4二二 控制理论的产生及其发展控制理论的产生及其发展5 自自动动控控制制思思想想及及其其实实践践可可以以说说历历史史悠悠久久。它它是是人人类类在在认认识识世世界界和和改改造造世世界界的的过过程程中中产产生生的的,并并随随着着社社会会的的发展和科学水平的进步而不断发展。发展和科学水平的进步而不断发展。人人类类发发明明具具有有“自自动动”功功能能的的装装置置的的历历史史可可以以追追溯溯到到公公元元前前1
7、4141111世世纪纪的的中中国国、埃埃及及和和巴巴比比伦伦出出现现的的铜铜壶壶滴滴漏计时器。漏计时器。公公元元前前4 4世世纪纪,希希腊腊柏柏拉拉图图(PlatonPlaton,公公元元前前4747公公元元前前347347)首先使用了)首先使用了“控制论控制论”一词。一词。6 公公元元前前300300年年,古古希希腊腊就就运运用用反反馈馈控控制制原原理理设设计计了了浮浮子子调调节器节器,并应用于水钟和油灯中。,并应用于水钟和油灯中。在在如如图图所所示示的的水水钟钟原原理理图图中中,最最上上面面的的蓄蓄水水池池提提供供水水源源,中中间间蓄蓄水水池池浮浮动动水水塞塞保保证证恒恒定定水水位位,以以
8、确确保保其其流流出出的的水水滴滴速速度度均均匀匀,从从而而保保证证最最下下面面水水池池中中的的带带有有指指针针的的浮浮子子均均匀匀上升,并指示出时间信息。上升,并指示出时间信息。图图11 水钟原理图水钟原理图7 早早在在10001000多多年年前前,我我国国古古代代先先人人们们也也发发明明了了铜铜壶壶滴滴漏漏计时器、计时器、指南车等控制装置指南车等控制装置。齿轮系 仙人 车身保持预保持预定方向定方向车偏离方车偏离方向扰动向扰动8 首首次次应应用用于于工工业业的的自自控控器器是是瓦瓦特特(J.Watt)于于1769年年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器,如图所示。发明的用来控制蒸汽机转速的飞球
9、控制器,如图所示。离心式调 速器 蒸汽机 工具机蒸气量Q转速N+Q-9 1868年年,英英国国学学者者麦麦克克斯斯韦韦(J.C.Maxwell,18311879)发发表表了了“论论调调速速器器”一一文文,对对的的稳稳定定性性进进行行了了分分析析,指指出出控控制制系系统统的的品品质质可可用用微微分分方方程程来来描描述述,系系统统的的稳稳定定性性可可用用特特征征方方程程根根的的位位置置形形式式来来研研究究。该该论论文文属属于于最最早早的的理论工作。理论工作。1875年年,英英国国的的劳劳斯斯(E.J.Routh,1831-1907),1995年年,德德国国的的赫赫尔尔维维茨茨(A.Hurwitz,
10、1859-1919),先先后后分分别提出根据代数方程系数判别系统稳定性的一般准则。别提出根据代数方程系数判别系统稳定性的一般准则。10 2020世世纪纪2020年年代代,电电子子技技术术得得到到了了迅迅速速发发展展,促促进进了了信信息处理和自动控制及其理论的发展。息处理和自动控制及其理论的发展。19321932年年,美美籍籍瑞瑞典典科科学学家家奈奈奎奎斯斯特特(H.NyquistH.Nyquist)提提出出了了根根据据频频率率响响应应判判断断反反馈馈系系统统的的稳稳定定的的准准则则,即即奈奈奎奎斯特判据。斯特判据。19381938年年,前前苏苏联联学学者者米米依依洛洛夫夫提提出出用用图图解解分
11、分析析方方法法判判别别系系统统稳稳定定性性的的准准则则,把把奈奈奎奎斯斯特特判判据据推推广广到到条条件件稳稳定定和开环不稳定系统的一般情况。和开环不稳定系统的一般情况。11 1948年年,美美国国著著名名科科学学家家维维纳纳(N.Wiener,1894-1964)出出版版了了专专著著控控制制论论关关于于在在动动物物和和机机器器中中控控制制和和通通信信的的科科学学,系系统统地地论论述述了了控控制制理理论论的的一一般般原原理理和和方方法法,推推广广了了反反馈馈的的概概念念,为为控控制制理理论论科科学学的的发发展展奠奠定定了了基基础础。该该书书标标志志着着控制科学的诞生控制科学的诞生。1954年年,
12、我我国国著著名名科科学学家家钱钱学学森森教教授授在在美美国国出出版版了了工工程程控控制制论论一一书书,书书中中所所阐阐明明的的基基本本理理论论和和观观点点,奠奠定定了了工工程控制论的基础程控制论的基础。12 控控制制理理论论和和社社会会生生产产及及科科学学技技术术的的发发展展密密切切相相关关,在在近近代代得得到到极极速速发发展展。它它不不仅仅已已经经成成功功地地运运用用并并渗渗透透到到工工农农业业、科科学学技技术术、军军事事、生生物物医医学学、社社会会经经济济及及人人类类生生活活等等诸诸多多领领域域,而而且且在在这这过过程程中中控控制制理理论论也也发发展展成成为为一一门内涵极为丰富的新兴学科门
13、内涵极为丰富的新兴学科。13控制理论的发展一般划分为三个时期控制理论的发展一般划分为三个时期经典控制理论经典控制理论 (1930-1950)(1930-1950)现代控制理论现代控制理论(2020世纪世纪50-7050-70年代年代)大系统理论大系统理论、智能控制理论、复杂系统智能控制理论、复杂系统等等 (2020世纪世纪6060年代至今)年代至今)14第一个时期:第一个时期:经典控制理论经典控制理论 (1930-1950)(1930-1950)15 经经典典控控制制理理论论主主要要解解决决单单变变量量控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计,研研究究的的对对象象主主要要是是线线性性定定常常系
14、系统统。它它是是以以拉拉氏氏变变换换为为数数学学工工具具,采采用用以以传传递递函函数数、频频率率特特性性、根根轨轨迹迹等等为为基基础础的的经经典频域方法研究系统。典频域方法研究系统。对对于于非非线线性性系系统统,除除了了线线性性化化及及渐渐近近展展开开等等计计算算外外,主要采用相平面分析和谐波平衡法主要采用相平面分析和谐波平衡法(即描述函数法即描述函数法)研究。研究。16 这这一一时时期期的的主主要要代代表表人人物物除除了了奈奈奎奎斯斯特特等等人人以以外外,还有美国的伯德(还有美国的伯德(H.W.BodeH.W.Bode)和埃文斯()和埃文斯(W.R.EvansW.R.Evans)。)。194
15、51945年年,伯伯德德出出版版了了网网络络分分析析和和反反馈馈放放大大器器设设计计一一书书,提提出出了了频频率率响响应应分分析析方方法法,即即简简便便而而实实用用的的伯伯德德图法。图法。19481948年年,埃埃文文斯斯提提出出了了直直观观简简便便的的图图解解分分析析法法,即即根根轨迹法,这一方法在控制工程上得到了广泛的应用。轨迹法,这一方法在控制工程上得到了广泛的应用。17经经典典控控制制理理论论着着重重研研究究单单机机自自动动化化,较较好好地地解解决决了了单单输输入入单输出单输出(SISO-Single Input Single Output)系统的控制问题。系统的控制问题。主要数学工具
16、主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数。是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数。主要研究方法主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法。是时域法、频域法和根轨迹法。主要问题主要问题是控制系统的快速性、稳定性及其精度。是控制系统的快速性、稳定性及其精度。18“经典控制理论经典控制理论”具有明显的局限性具有明显的局限性 突突出出的的是是难难以以有有效效地地应应用用于于时时变变系系统统和和多多变变量量系系统,统,也难以揭示系统更为深刻的特性。也难以揭示系统更为深刻的特性。19第二个时期:第二个时期:现代控制理论现代控制理论 (20世纪世纪50-70年代年代)20这这个个时时期期,由由于于计计算算机机
17、技技术术、航航空空航航天天技技术术的的迅迅速速发发展展,控制理论有了控制理论有了重大的突破和创新重大的突破和创新。它它研研究究的的对对象象不不再再局局限限于于单单变变量量的的、线线性性的的、定定常常的的、连连续续的的系系统统,而而扩扩展展为为多多变变量量的的、非非线线性性的的、时时变变的的、离离散的系统散的系统。现现代代控控制制理理论论以以线线性性代代数数和和微微分分方方程程为为主主要要数数学学工工具具,以以状态空间法状态空间法为基础,分析和设计控制系统。为基础,分析和设计控制系统。所所谓谓状状态态空空间间法法,本本质质上上是是一一种种时时域域分分析析方方法法,它它不不仅仅描描述述了了系系统统
18、的的外外部部特特性性,而而且且揭揭示示了了系系统统的的内内部部状状态态和和性性能。能。21 现现代代控控制制理理论论分分析析和和综综合合系系统统的的目目的的是是在在揭揭示示系系统统内内在在规规律律的的基基础础上上,实实现现系系统统在在某某种种意意义义上上的的最最优优化化,同同时,使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式。时,使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式。这这个个时时期期的的主主要要代代表表人人物物有有美美国国的的贝贝尔尔曼曼(R.Bellman)、原原苏苏联联的的庞庞特特里里亚亚金金和和美美籍籍匈匈牙牙利利人人卡卡尔尔曼曼(R.E.Kalman)等人。)等人。2219651965年年,
19、贝贝尔尔曼曼发发表表了了“动动态态规规划划理理论论在在控控制制过过程程中中的应用的应用“一文,提出了寻求最优控制的动态规划法。一文,提出了寻求最优控制的动态规划法。19581958年年,Kalman提提出出递递推推估估计计的的自自动动化化控控制制原原理理,奠奠定了自校正控制器的基础。定了自校正控制器的基础。19601960年年,KalmanKalman发发表表了了“控控制制系系统统的的一一般般理理论论”等等论论文文,引引入入了了状状态态空空间间分分析析系系统统,提提出出能能控控性性、能能观观测测性性、最优调节器和最优调节器和KalmanKalman滤波等概念。滤波等概念。2319621962年
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