机械控制工程精品课程2

（7）离散系统控制理论
目前自动控制几乎是计算机控制，需要详细介绍离 散控制理论。特别是差分方程及微分方程的差分化， 为计算机控制程序设计奠定基础。
应侧重离散控制系统本身的理论与方法，不要过多 介绍将连续系统方法变换到离散系统中的一些方法。
对于最少拍离散控制系统设计方法可以适当减少， 或者直接介绍无纹波离散控制系统设计。
有人认为离散控制理论可以放到《计算机控制技术》 课程里介绍，这是不合适的。
（8）非线性控制
非线性系统特性，和线性系统的本质区别。
描述函数法：非线性系统的自激振荡。
对于一般非线性系统的定量分析就不介绍了，一方 面由于其复杂性，另一方面可以利用仿真技术求解。
相平面法：奇点、极限环等特性。 不是着重定量计算。相轨迹的绘制着重介绍解析法 和定性控制法，了解相轨迹的重要特性。等倾线法等 图解法可以作为定性控制法一部分。
2012年教育部高校教师网络培训课程
自动控制理论教学内容改革
浙江工业大学 王万良
wwl@
• 目前，许多课程既需要“立”，更需要 “破”！ • “立”——增加新的在工程中成功应用的内 容。 • “破”——梳理内容，删除不是基本实用的 内容。 关键是要大家讨论，形成共识，共同改革！
• 自动控制理论教学内容的精炼 • 自动控制理论新教学内容的引进
在知识爆炸的今天，虽然许多理论与方法学生学了 以后也是很有帮助的，但现代教育的关键是在有限的时 间内学到更多更有用的知识。 任何一门科学总是遵循“创建—扩展—应用—精 炼”的过程。在扩展阶段，许多新方法被提出，有些方 法通过在工程中应用得到发展与保留，但有的方法不实 用，被更好的方法取代。
•当对象不能事先辨识，或经常改变，不再是最优控制。
•自适应控制是一类能够适应被控对象特性的变化，使 系统始终运行在最优状态的现代控制算法。 •以递推最小二乘为参数估计方法，以最小方差为控制 目标函数的自校正控制得到了较多的应用。 •主要内容：介绍自适应控制中很重要、本科生容易接 受的的自校正控制。包括自校正控制的结构、最小方 差控制、自校正调节器、应用实例。
（3）暂态性能分析 典型二阶系统分析是教学重点，因为许多系统可 以用典型二阶系统描述，特别是欠阻尼典型二阶系统 的参数与性能指标有简单的解析关系，是系统设计的 基础。 暂态性能指标是根据阶跃响应定义的，重点讨论 欠阻尼典型二阶系统的单位阶跃响应，对速度响应、 加速度响应以及非零初始状态响应不要太多介绍。
（11）控制系统的状态空间设计
状态反馈配置系统闭环极点的方法。 全维状态观测器、降维状态观测器设计方法。 带状态观测器的状态反馈系统设计方法。 最优控制的概念，然后介绍用变分法求解最优控制 问题的方法，和庞德里亚金的极小值原理。 线性二次型最优控制问题。 对于少学时专业，可以在介绍最优控制数学模型基 础上，直接介绍线性二次型最优控制问题。
1．系统辨识
•建立系统的数学模型是控制理论研究的基本问题。
•“系统辨识”是研究建立系统数学模型的方法。
•最小二乘法在理论上最为成熟，应用最广泛。
•主要内容：介绍系统辨识的基本概念、最小二乘参
数估计方法和系统结构辨识等基本内容。较详细地介
绍线性动态离散模型的参数估计，特别是递推算法 。
2．自适应控制
特别强调：
现代控制方法很多，对于不同专业选其中部分
内容讲授。
这些内容相对独立，例如，预测控制、模糊控
制、专家控制等，选择其中部分内容讲授，仍可保
持体系结构的完整性。
• 教学中没有普遍的正确方法，需要教师根据具体的
教学对象选择恰当的教学方法。
• 上面谈了一些作者在自动控制理论课程教学中的认
识和经验，肯定存在偏见，仅供同行参考，欢迎大
应用自动控制理论不同于研究自动控制理论。因此， 要对自控理论进行梳理，保留基本实用的内容。
（1）系统数学模型
结构图变换与简化是系统分析与设计的基本技能。
求取系统的传递函数是重要的，但教学重点不是在 求取复杂系统传递函数的技巧，而是在结构图变换。 信号流图对于控制系统CAD是非常重要的。 梅森公式是用在计算机中简化信号流图和结构图的。 直接用梅森增益公式简化结构图方法看上去简单， 但很容易出错，最好不介绍这种方法。
5．专家控制
• 20世纪80年代，专家系统被引入控制领域，形成了 专家控制系统，成为智能控制的一个重要分支。 • 专家系统一般包括人机接口、推理机、知识库、综 合数据库、知识获取机构和解释机构六部分。专家系 统是专家控制系统的核心。
• 主要内容：介绍专家系统与专家控制系统的概念、 知识表示、基本推理和搜索策略，专家控制系统的应 用实例。
（5）频域分析法 奈氏图难以精确绘制，使用MATLAB也是如此，适 合分析稳定性。基本不用奈氏图定量分析与设计。典型 环节奈氏图对绘制系统的奈氏图没有帮助，可以不讲。
伯德图容易准确绘制，适合系统设计。一般介绍伯 德图校正方法。伯德稳定判据看起来简单，但对非最小 相位系统，在频率0附近的半穿越不易掌握，不介绍为好。
（9）状态空间数学模型 状态的概念以及状态空间模型的建立方法。
系统状态空间模型的实现，主要是建立状态空间 模型和微分方程、传递函数等模型之间的关系。 不要过多介绍各种实现方法，例如传递函数有多 重极点时的实现等。
（10）控制系统的状态空间分析 连续、离散系统的李雅普诺夫稳定性定义、条件、 稳定判据。 线性连续、离散系统的状态转移矩阵的定义、性 质以及状态转移矩阵的拉氏变换或Z变换计算方法。 能控性能观性的概念、判别准则。 状态空间模型的对角线标准型、能控标准型与能 观标准型以及传递函数的几种标准型实现法。 对偶原理和线性系统的规范分解。
4．模糊控制
• 模糊控制是以模糊数学为基础，由模糊推理进行决 策的一种高级计算机控制策略。
• 模糊控制已在过程控制、汽车电子、图像处理、测 量技术、机器人、故障诊断、家用电器等众多控制领 域得到广泛应用，被公认为是简单而有效的控制技术。
• 主要内容：围绕模糊控制系统组成，介绍模糊控制 基本方法。包括模糊控制器的输入输出变量模糊化方 法、模糊控制规则、模糊推理与判决等环节。典型的 过程控制、洗衣机、照相机等家电的模糊控制系统。
3．预测控制 • 最优控制需要被控对象精确模型，但难以得到工业 过程精确数学模型，因此难以应用于工业过程控制。 • 预测控制是美国和法国公司在70年代提出的，很快 在石油、电力和航空等工业中得到十分成功的应用。 • 预测控制对模型要求不高，又能实现最佳控制。
• 主要内容：从实际应用角度，介绍动态矩阵控制、 模型算法控制、广义预测控制等工程设计及其应用。 炼油厂主要装置的预测控制。
（12）MATLAB教学 学生普遍感觉自动控制理论中计算和绘图多，望而 生畏。让学生掌握MATLAB是当前自控理论教学的普遍 做法，但只能简明介绍，避免冲淡教学主题。 MATLAB对于控制系统CAD很有用，但仅是数值计 算，只能作为辅助分析的工具，不能成为建立一般控制 理论的基础，不能替代控制理论分析与设计方法。 MATLAB是一种软件，学生自己很容易学会使用。 教学中主要是引导学生去使用。 最合适的方法是在教材每章最后进行简要介绍，这 样在教学中可以灵活处理。
（2）代数稳定判据
稳定是系统工作的首要条件。
稳定性分析是系统设计的基础，是教学重点。
系统稳定的充分必要条件很重要，是各种稳定判据 的基础。
赫尔维兹稳定判据、林-奇稳定判据本质上和劳斯 判据等价，但手算和程序实现都不比劳斯稳定判据简 单。可以不讲，也可以作为作业实现都很简单。
6．神经网络控制
• 随着被控对象和环境越来越复杂，迫切希望控制系统 具有自适应和自学习能力。 • 以神经网络为基础构成的神经网络控制系统，称为神 经网络控制。
• 神经网络控制将神经网络作为控制器或辨识器，解决 非线性不确定性系统在不确定环境中的控制问题。
• 主要内容：最基本最典型的BP神经网络、基于神经网 络的系统辨识与软测量、神经网络控制及其应用。
（4）根轨迹分析法 根轨迹图的优点是非常直观，可以很清楚地看出系 统闭环特征根随系统参数的变化，用来分析参数变化对 稳定性的影响。
在根轨迹图上虽然可以进行系统定量分析与设计， 但由于根轨迹图难以精确绘制，所以现在也逐渐少用了。 在教学中可以用较少的篇幅介绍根轨迹的基本概念 和方法。 一般不介绍根轨迹图上的系统设计方法。
（3）暂态性能分析 主要介绍高阶系统的主导极点法。虽然主导极点 法是近似分析，但定性结论是完全正确的。 有零点二阶系统及三阶系统等可以不讲，是高阶 系统的特例，其参数与性能指标没有简单的解析关系， 可以用MATLAB 计算，也可以让学生自己分析。 让学生掌握系统的零极点分布和性能指标的关系 很重要。
• 自动控制理论教学内容的精炼 • 自动控制理论新教学内容的引进
“现代控制理论”课程在经典控制理论基础上，介
绍以状态空间模型的分析与设计方法。
主要内容:状态方程数学模型、李雅普诺夫稳定判
据、动态性能分析、能控性和能观性分析、状态反 馈控制与状态观测器设计、极小值原理、线性二次 型最优控制方法等。 这是现代控制的理论基础，在空间技术、机电设备 等确定性控制中得到成功应用。
家批评指正！
请各位同行多提意见！
浙江工业大学 王万良
wwl@
尼氏图分析系统闭环频率特性指标比较复杂，现在 很少用了，不如用MATLAB直接检验时域指标。所以， 现在自动控制理论中很少介绍尼氏图方法。
（6）系统校正方法
目前主要介绍基于伯德图的校正方法。基于根轨迹 的校正方法基本不介绍了。
计算机控制系统是串联校正，所以当学时有限时可 以不介绍反馈校正。 超前校正、迟后校正、迟后—超前校正等串联校正 本质上就是广为应用的PID控制，但学生不能和PID联系 起来。教学中要解释串联校正与PID控制器之间的联系。 最好介绍控制系统的工程设计方法。不仅简单直观， 又能掌握PID整定的概念，使学生理论联系实际。 对少学时专业，可以只介绍工程设计方法。