机电硕士课程现代控制理论课件

(1)线性系统理论 研究线性系统在输入作用下状态运动过程 规律,揭示系统的结构性质,动态行为之 间的关系. 主要内容: 状态空间描述,能控性,能观性和稳定性, 状态反馈,状态观测器设计等.
(2)最优控制 在给定约束条件和性能指标下,寻找使系统性 能指标最佳的控制规律. 主要方法: 变分法,极大值原理,动态规划等 极大值原理 现代控制理论的核心 即:使系统的性能指标达到最优(最小或最大) 某一性能指标最优: 如时间最短或燃料消耗最小等.
(5) 控制理论发展趋势 企业:资源共享,因特网,信息集成 信息技术+控制技术 集成控制技术 网络控制 技术 计算机集成制造CIMS:(工厂自动化) Computer Integrated Manufacturing System 应用:生物控制,经济控制,社会控制等
1.2 现代控制理论的主要特点
(4)系统辨识 建立系统动态模型的方法: 根据系统的输入输出的试验数据,从一类给定的模型 中确定一个被研究系统本质特征等价的模型,并确定 其模型的结构和参数. (5)最佳滤波理论(最佳估计器) 当系统中存在随机干扰和环境噪声时,其综合必须应 用概率和统计方法进行.即:已知系统数学模型,通 过输入输出数据的测量,利用统计方法对系统状态估 计. Kalman滤波器
1948年,美国Wiener在《控制论-关于在动 物和机器中控制和通信的科学》中系统地论 述了控制理论的一般原理和方法. ---标志控制学科的诞生 控制论:研究动物(包括人类)和机器内部 控制和通信的一般规律的学科. 1954年,钱学森的《工程控制论》在美国出 版. ---奠定了工程控制论的基础
(1)经典控制理论 a.特点 研究对象:单输入,单输出线性定常系统. 解决方法:频率法,根轨迹法,传递函数. 非线性系统:相平面法和描述函数分析. 数学工具:拉氏变换,常微分方程. b.局限性 难以应用于时变系统,多变量系统. 难以揭示系统更为深刻的特性.
(3)自适应控制 在控制系统中,控制器能自动适应内外部参数, 外部环境变化,自动调整控制作用,使系统达 到一定意义下的最优. a. 模型参考自适应控制 (Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自适应控制 (Self-Turning Adaptive Control)
现代控制理论
Modern Control Theory
第一章 绪论
1.1 控制理论发展概况
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1.2 现代控制理论的主要特点 1.3 现代控制理论基本内容 1.4 本课程内容 教学计划安排
第一章 绪论
1.1 控制理论发展概况 控制论:1948年 美国数学家维纳《控制论》 1940——1950 经典控制理论 单机自动化 1960——1970 现代控制理论 机组自动化 1970——1980 大系统理论 控制管理综合 1980——1990 智能控制理论 智能自动化 1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化
1.4 本课程内容 一 . 绪论 二. 状态空间基本方法 三. 李雅普诺夫 稳定性理论 四. 能观性,能观性 五. 线性系统的设计与综合 六. 最优控制
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复杂系统的特点: (1)动力学模型的不确定性 (2)测量信息的粗糙性和不完整性 (3)动态行为或扰动的随机性 (4)离散层次和连续层次的混杂性 (5) 系统动力学的高度复杂性 (6)状态变量的高维性和分布性 (7)各系统间的强耦合性
大系统结构分为三类: 多级(递阶)控制 多层控制(按任务) 多段控制(如导弹轨迹控制)
1788年,英国Wate利用反馈原理发明蒸汽机 用的离心调速机. 1875年,1895年,英国Routh和德国Hurwitz 先后提出判别系统稳定性的代数方法. 1892年,俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性 的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳 定性理论. 1932年,Nyquist提出了根据频率响应判断系 统稳定性的准则. 1945年,美国Bode在《网络分析和反馈放大 器设计》中提出频率响应分析法-Bode图.
研究对象:线性系统,非线性系统,时变系统,多 变量系统,连续与离散系统 数学上:状态空间法 方法上:研究系统输入/输出特性和内部性能 内容上:线性系统理论,系统辨识,最优控制,自 适应控制等
1.3 现代控制理论基本内容 控制理论必须回答的三个问题: (1)系统能否被控制?可控性有多大? (2)如何克服系统结构的不确定性及干扰带来 的影响? (3)如何实现满足要求的控制策略?
(2)现代控制理论 随着计算机技术,航空航天技术的迅速发展而发展 起来的. a.特点 研究对象:多输入,多输出系统,线性,定常或时 变,离散系统. 解决方法:状态空间法(时域方法). 数学工具:线性代数,微分方程. b.主要标志 1965年,R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规 划方法.
1958年,R.E.Kalman采用状态空间法分析系 统,提出能控性,能观性,Kalman滤波概念 1961年,庞特里亚金证明了最优控制中的极 大值原理. (3)大系统理论 是指规模庞大,结构复杂,变量众多的信息 与控制系统,如生产过程,交通运输,生物 工程,社会经济和空间技术等复杂系统.
决策,协调, 计划,组织, 管理 计算机实现生产 调度,过程控制 的最优化 调节装置
公司
协调控制级
工厂 车间
递阶控制级
局部控制级
(4)智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理 系统,如智能机器人. 利用知识进行学习,推理与联想,对环境干 扰与不确定因素具有鲁棒性. 主要内容: 模糊控制 神经网络控制 专家控制,遗传算法