机电硕士课程现代控制理论课件
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现代控制理论课件2
38
二、从系统的机理出发建立状态空间表达式
例1、求图示机械系统的状态空间表达式
外力 u(t)
K ---弹性系数 m
牛顿力学定律 my u by ky
阻 尼 系 数
y(t) b
位移 令
b u(t ) ky m y y
x1 y
x2 y
39
动态方程如下
x1 x2
x1 y 1 0 x2
41
例：设有如图所示的机 械系统。它由两个彼 此耦合的平台构成。 并借助于弹簧和阻尼 到达地基。试选择合 适的状态变量，写出 该系统的状态空间模 型。
42
解答：依题意，进行受力分析，可得如下的微分方程：
M1y1 = u -k1 (y1 - y 2 )-f1 (y1 - y 2 ) M2y 2 = k1 (y1 - y 2 ) + f1 (y1 - y 2 )-k 2y 2 -f 2y 2
其中： a11 a12 a1n a a22 a2 n 21 A — 系统内部状态的联系， an1 an 2 ann
18
称为系统矩阵 , 为n n方阵；
多输入——多输出定常系统： 用向量矩阵表示时的状态空间表达式为：
Ax Bu x y Cx Du
其状态变量为： x1 , x2 ,, xn , 则状态方程的一般形式 为：
1 a11x1 a12 x2 a1n xn b11u1 b12u2 b1r ur x 2 a21x1 a22 x2 a2 n xn b21u1 b22u2 b2 r ur x n an1 x1 an 2 x2 ann xn bn1u1 bn 2u2 bnr ur x
《现代控制理论基础》课件
预测控制
预测控制是一种基于模型预测 未来系统行为的控制方法。
控制器
控制器是控制系统中的核心 组件，负责计算并施加控制 信号。
操作对象
控制系统的操作对象可以是 各种各样的设备或系统，了 解操作对象的特性是设计有 效控制策略的基础。
模型化
系统状态方程
通过建立系统状态方程，我们 可以描述控制系统的动态行为。
传递函数
传递函数是描述输入和输出之 间关系的数学表达式，常用于 分析系统的频率响应。
通过绘制根轨迹来分析系统的稳定性和性能。
2 Nyquist法
利用Nyquist图来评估系统的稳定性和抗干扰能力。
鲁棒性设计
扰动抑制
了解如何设计鲁棒控制器来抑制 系统中的扰动。
鲁棒控制
鲁棒控制是一种能够保持系统稳 定性和性能的控制策略。
H∞控制
H∞控制是一种能够优化系统鲁 棒性和性能的控制策略。
非线性控制
《现代控制理论基础》PPT课件
现代控制理论基础是一门关于控制系统的基本概念、模型化、控制器设计、 稳定性分析、鲁棒性设计、非线性控制和优化控制的课程。通过本课程的学 习，您将掌握现代控制理论的基础知识和思想，并能够运用所学知识解决实 际控制问题。
控制系统基本概念
控制过程
了解控制过程是理解控制系 统工作原理的重要一步。
1 反馈线性化
通过反馈线性化技术，我们可以设计控制器来稳定非线性系统。
2 滑模控制
滑模控制是一种鲁棒而有效的非线性控制方法。
3 非线性规划
非线性规划方法可以用来优化非线性系统的控制策略。
优化控制
最优化法
最优化法是一种通过优化目标 函数来设计最优控制策略的方 法。
非线性规划
现代机电控制工程_受控机械系统动态模型ppt课件
15
;.
2.4
例如：三轴万向环架几何结构由台体、内环、外环及机座等机械部件组成，
主要应用于三轴仿真转台和陀螺稳定平台等测试仪器设备中。为了建立其动态
定
数学模型，首先引入与各个机械部件相联系的坐标系：
点 旋
0xbybzb ― 机座坐标系；
转
0xryrzr ― 外环坐标系；
机 械
0xpypzp ― 内环坐标系；
多
刚
体
机
械
而棱柱式连杆 3 的动能可表示为:
系
统
于是，这个系统的动能为:
25
;.
若忽略摩擦力和所有其他内部的物理力，则广义力（矩）为: 2.5
多
刚
体
机
械 系
至此，系统的总动能 T 和广义力（矩）已经确定，因而可以直接利用拉格
统
朗日方程来建立系统动态模型。
26
;.
对于 q ＝ 2 有： 2.5
多
刚
v/ω=x/θ=L/2π 所以，负载质量折合到主动轴上的转动惯量为： 机 械 传 动 装 置
对于小齿轮齿条传动和同步齿形带传动，假设小齿轮和皮带半径为 r，那么 速比为：
v/ω=x/θ=2πr/2π=r
负载质量折合到主动轴上的转动惯量为：
10
;.
2.3.2 速比折合 2.3
图中一对齿轮的传动系统，主动轮 1 与从动轮 2 的转角分别为θ1 和θ2 ，
现代机电控制工程
2
2.1
质点平移系统
受
控
机
2.2
定轴旋转系统
械
系
统
动
2.3
机械传动装置
态
模
型
现代控制理论(II)-讲稿课件ppt
03
通过具体例子说明最小值原理在最优控制问题中的应
用方法。
06 现代控制理论应用案例
倒立摆系统稳定控制
倒立摆系统模型建立
分析倒立摆系统的物理特性，建立数学模型，包括运动方程和状态 空间表达式。
控制器设计
基于现代控制理论，设计状态反馈控制器，使倒立摆系统实现稳定 控制。
系统仿真与实验
利用MATLAB/Simulink等工具进行系统仿真，验证控制器的有效性； 搭建实际实验平台，进行实时控制实验。
最优控制方法分类
根据性能指标的类型和求解方法， 最优控制可分为线性二次型最优控 制、最小时间控制、最小能量控制 等。
最优控制应用举例
介绍最优控制在航空航天、机器人、 经济管理等领域的应用实例。
05 最优控制理论与方法
最优控制问题描述
控制系统的性能指标
定义控制系统的性能评价标准，如时间最短、能量最小等。
随着网络技术的发展，分布式控制系统逐渐 成为现代控制理论的研究热点，如多智能体 系统、协同控制等。
下一步学习建议
01
02
03
04
深入学习现代控制理论相关知 识，掌握更多先进的控制方法
和技术。
关注现代控制理论在实际系统 中的应用，了解不同领域控制
系统的设计和实现方法。
加强实践环节，通过仿真或实 验验证所学理论知识的正确性
机器人运动学建模
分析机器人的运动学特性， 建立机器人运动学模型， 描述机器人末端执行器的 位置和姿态。
运动规划算法设计
基于现代控制理论，设计 运动规划算法，生成机器 人从起始点到目标点的平 滑运动轨迹。
控制器设计与实现
设计机器人运动控制器， 实现机器人对规划轨迹的 精确跟踪；在实际机器人 平台上进行实验验证。
现代控制理论第一章 ppt课件
作为贝尔实验室工程师， 关于热噪声、反馈系统稳定性、 电报、传真、电视、通信。
1889-1976
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
美国1905-1982
Bode was an American engineer, researcher, inventor, author and scientist,
of Dutch ancestry.
As a pioneer of modern control theory and electronic
telecommunications he revolutionized both the content and methodology of his chosen fields of research.
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
1948年，维纳发表《控制论》，宣告了这门新兴学 科的诞生。这是他长期艰苦努力并与生理学家罗森 勃吕特等人多方面合作的伟大科学成果。
1964年1月，他由于“在纯粹数学和应用数学方面并 且勇于深入到工程和生物科学中去的多种令人惊异的 贡献及在这些领域中具有深远意义的开创性工作”荣 获美国总统授予的国家科学勋章。
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
第一章，牛顿时间和柏格森时间 第二章，群和统计力学 第三章，时间序列、信息与通讯 第四章，反馈与振荡 第五章，计算机与神经系统 第六章，完形与普遍观念 第七章，控制论和精神病理学 第八章，信息、语言和社会 第九章，关于学习和自生殖机 第十章，脑电波与自行组织系统
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
1889-1976
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
美国1905-1982
Bode was an American engineer, researcher, inventor, author and scientist,
of Dutch ancestry.
As a pioneer of modern control theory and electronic
telecommunications he revolutionized both the content and methodology of his chosen fields of research.
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
1948年，维纳发表《控制论》，宣告了这门新兴学 科的诞生。这是他长期艰苦努力并与生理学家罗森 勃吕特等人多方面合作的伟大科学成果。
1964年1月，他由于“在纯粹数学和应用数学方面并 且勇于深入到工程和生物科学中去的多种令人惊异的 贡献及在这些领域中具有深远意义的开创性工作”荣 获美国总统授予的国家科学勋章。
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
第一章，牛顿时间和柏格森时间 第二章，群和统计力学 第三章，时间序列、信息与通讯 第四章，反馈与振荡 第五章，计算机与神经系统 第六章，完形与普遍观念 第七章，控制论和精神病理学 第八章，信息、语言和社会 第九章，关于学习和自生殖机 第十章，脑电波与自行组织系统
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
《现代电机控制技术》课件
03 现代电机控制技术实现
数字信号处理器（DSP）在电机控制中的应用
数字信号处理器（DSP）是一种专用的微处理器，特别适合于进行高速数字信号处 理计算。
在电机控制中，DSP可以用于实时计算复杂的控制算法，实现精确的速度和位置控 制。
DSP通过接收编码器的反馈信号和输入的参考信号，计算出电机的控制量，并输出 到驱动器来控制电机的运行。
数字化与智能化
高效与节能
随着数字化和智能化技术的不断发展，电 机控制技术将更加智能化和自适应性。
未来电机控制技术将更加注重高效和节能 ，以适应绿色环保的需求。
网络化与远程控制
多学科交叉融合
网络化技术的发展将使得电机控制更加便 捷和远程化，提高设备的可维护性和安全 性。
电机控制技术将与多个学科交叉融合，如 人工智能、机器视觉和物联网等，以实现 更广泛的应用和创新。
02 电机类型和控制原理
直流电机及其控制原理
01
02
03
直流电机
利用直流电能转换为机械 能的电动机，具有较好的 调速性能和启动转矩。
控制原理
通过改变电机的输入电压 或电流，实现对电机转速 和转矩的控制。
调速方法
改变电枢电压、改变励磁 电流、串电机
利用交流电能转换为机械 能的电动机，具有结构简 单、价格便宜、维护方便 等优点。
交通运输
电机控制技术在交通领域有广泛应用 ，如电动汽车、轨道交通和航空电子 等。
能源转换与利用
电机控制技术有助于提高能源转换效 率和利用率，如风力发电、太阳能逆 变器和智能电网等。
智能家居与楼宇自动化
电机控制技术为智能家居和楼宇自动 化提供了技术支持，如智能家电、自 动门和安防系统等。
电机控制技术的未来趋势
现代控制理论.pptx
1877年劳斯（E. J. Routh）和1895年赫尔维茨 （A.Hurwitz）分别研究了系统稳定性与特征方程系数的关系， 提出了劳斯判据和赫尔维茨判据。
第0章 引论
1892年，前沙俄数学家李雅普诺夫（A.M. Lyapunov）在其 博士论文“运动稳定的一般问题”中提出Lyapunov稳定性判别 方法，包括第一法和第二法，系统地建立了动力学系统稳定性 的一般理论。
第0章 引论
3.2 经典控制理论阶段
第一次工业革命时期，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进气 阀门以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器，是闭环自动 控制系统应用的第一项重大成果。
物理学家麦克斯韦（J.C. Maxwell）与1868年在“论调节器” 论文首次提出反馈控制的概念，对瓦特调速器系统中的不稳定现 象进行研究，开辟了自动控制作为一门科学发展的开端。
参加本课程的同学必须人手1册教材、出勤听课、听 课并记笔记和完成作业。
（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格）
第0章 引论
教材选用： 【1】刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版社, 2006 主要参考书： 【1】郑大钟. 线性系统理论: 第2版. 北京：清华大学出版社, 2002 【2】 (美)J.J.Dazzo, (美) R.H.Houpis. Linear Control System Analysis and Design: Fourth Edition. 英文影印版. 北京：清华大 学出版社，2000 【3】 (美) R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control System: Eleventh Edition. 英文影印版. 北京：电子工业出版社，2009
第0章 引论
1892年，前沙俄数学家李雅普诺夫（A.M. Lyapunov）在其 博士论文“运动稳定的一般问题”中提出Lyapunov稳定性判别 方法，包括第一法和第二法，系统地建立了动力学系统稳定性 的一般理论。
第0章 引论
3.2 经典控制理论阶段
第一次工业革命时期，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进气 阀门以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器，是闭环自动 控制系统应用的第一项重大成果。
物理学家麦克斯韦（J.C. Maxwell）与1868年在“论调节器” 论文首次提出反馈控制的概念，对瓦特调速器系统中的不稳定现 象进行研究，开辟了自动控制作为一门科学发展的开端。
参加本课程的同学必须人手1册教材、出勤听课、听 课并记笔记和完成作业。
（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格）
第0章 引论
教材选用： 【1】刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版社, 2006 主要参考书： 【1】郑大钟. 线性系统理论: 第2版. 北京：清华大学出版社, 2002 【2】 (美)J.J.Dazzo, (美) R.H.Houpis. Linear Control System Analysis and Design: Fourth Edition. 英文影印版. 北京：清华大 学出版社，2000 【3】 (美) R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control System: Eleventh Edition. 英文影印版. 北京：电子工业出版社，2009
现代控制理论课件教材
2. 1895年劳斯（Routh）与赫
尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了两个著名
的稳定性判据—劳斯判据
和赫尔维茨判据。基本上 满足了二十世纪初期控制 赫尔维茨（Hurwitz）
工程师的需要。
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
水 运 仪 象 台
2. 公元1086－1089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统。
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
二 起步阶段
随着科学技术与工业生 产的发展，到十八世纪， 自动控制技术逐渐应用到 现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt） 发明的蒸汽机离心调速器， 加速了第一次工业革命的 步伐。
•成绩:
• 期终考试: 70% • 作业: 15% • 出席: 15%
同济大学汽车学院 2013
同济大学 汽车学院
College of Automotive, Tongji University
课程内容：
• 绪论 • 控制系统的状态空间描述 • 线性控制系统的运动分析 • 线性控制系统的能控性和能观性 • 控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 • 状态反馈和状态观测器 • 最优控制
3.由于第二次世界大战需要 控制系统具有准确跟踪与补 偿能力，1932年奈奎斯特 （H.Nyquist）提出了频域 内研究系统的频率响应法， 为具有高质量的动态品质和 静态 准确度的军用控制系 统提供了所需的分析工具。
奈奎斯特
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内 研究系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨 迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论 （或自动控制理论）。
电机现代控制技术PPT课件
电磁转矩是定、转子磁场相互作用的结果，其大小和方向决定 于这两个旋转磁场的幅值和磁场轴线的相对位置 .
三相隐极同步电机等效物理模型
两个磁场轴线间的电角度为β，大小决定于定子旋转磁场速度ωs和转子速度ωr。 产生恒定的电磁转矩
te isif Lm sin f is sin
凸极结构的同步电动机，还会产生磁阻转矩
te
Wm (iA , iB , r ) r
公式说明:
1. 当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电磁 转矩的作用;
2. 转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磁共能增加的方向.
磁能和磁共能之和为
Wm Wm
0
A
iA
d
0
B
iBd
iA 0
A di
iB 0
B
di
iA A iB B
向。
2. 直流电机的电磁转矩与等效模型
主磁极基波磁场轴线为d 轴， 将d轴旋转90°为q轴;
电枢绕组产生的基波磁场轴 线与q轴一致。
绕组旋转，磁场轴线固定旋 转绕组称为换向器绕组。
图2-4两极直流电机
在直流电机动态分析中，
常将这种换向器绕组等效为 一个“伪静止线圈”
图2-5 伪静止线圈
“伪静止线圈”与换向器绕组从机电 能量转换角度看是等效的。
dr
dt
]
第一项和第二项是当θr =常值，即绕组A和B相 对静止时，由电流变化所引起的感应电动势， 称为变压器电动势.
第三项是因转子运动使绕组A和B相对位置发生 位移(θr变化)而引起的感应电动势，称为运动电 动势.
在dt时间内，由电源输入绕组A和B的净电能为：
dWe (iAeA iBeB )dt iAd A iBd B
三相隐极同步电机等效物理模型
两个磁场轴线间的电角度为β，大小决定于定子旋转磁场速度ωs和转子速度ωr。 产生恒定的电磁转矩
te isif Lm sin f is sin
凸极结构的同步电动机，还会产生磁阻转矩
te
Wm (iA , iB , r ) r
公式说明:
1. 当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电磁 转矩的作用;
2. 转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磁共能增加的方向.
磁能和磁共能之和为
Wm Wm
0
A
iA
d
0
B
iBd
iA 0
A di
iB 0
B
di
iA A iB B
向。
2. 直流电机的电磁转矩与等效模型
主磁极基波磁场轴线为d 轴， 将d轴旋转90°为q轴;
电枢绕组产生的基波磁场轴 线与q轴一致。
绕组旋转，磁场轴线固定旋 转绕组称为换向器绕组。
图2-4两极直流电机
在直流电机动态分析中，
常将这种换向器绕组等效为 一个“伪静止线圈”
图2-5 伪静止线圈
“伪静止线圈”与换向器绕组从机电 能量转换角度看是等效的。
dr
dt
]
第一项和第二项是当θr =常值，即绕组A和B相 对静止时，由电流变化所引起的感应电动势， 称为变压器电动势.
第三项是因转子运动使绕组A和B相对位置发生 位移(θr变化)而引起的感应电动势，称为运动电 动势.
在dt时间内，由电源输入绕组A和B的净电能为：
dWe (iAeA iBeB )dt iAd A iBd B
现代电机控制技术课件-PPT
感应电动势 eA 和 eB 分别为
eA
d A
dt
eB
d B
dt
(1-33) (1-34) (1-35) (1-36)
在时间 dt 内，由外部电源输入铁心线圈 A 和 B 的净电能 dWe 为
dWe (eAiA eBiB )dt
( d A
dt
iA
d B
dt
iB )dt
iAd A iBd B
(1-37)
式(1-2)表明线圈 A 提供的磁动势 fA 被主磁路的两段磁压降所平
衡。此时， fA 相当于产生磁场 H 的“源”，类似于电路中的电动势。
在铁心磁路内，磁场强度 Hm 产生的磁感应强度 Bm 为
Bm Fe Hm r0Hm
(1-4)
式中， Fe 为磁导率， r 为相对磁导率， 0 为真空磁导率。
现代电机控制技术
现代电机控制技术
第1章 基础知识 第2章 三相感应电动机矢量控制 第3章 三相永磁同步电动机矢量控制 第4章 三相感应电动机直接转矩控制 第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制 第6章 无速度传感器控制与智能控制
第1章 基础知识
1.1 电磁转矩 1.2 直、交流电机电磁转矩 1.3 空间矢量 1.4 矢量控制
若忽略漏磁场，则有
(1-18)
dWeAA iAd mA
(1-19)
在没有任何机械运动情况下，由电源
输入的净电能将全部变成磁场能量的增
量 dWm ，于是
dWm iAd mA
磁场能量为
(1-20)
Wm mA iAd 0
(1-21)
式(1-21)是线圈 A 励磁的能量公式，考虑
了铁心磁路和气隙磁路内总的磁场储能。
现代控制理论ppt
求解方法
通过利用拉格朗日乘子法或Riccati方程，求 解线性二次调节器问题，得到最优控制输入
。
动态规划与最优控制策略
动态规划的基本思想
将一个多阶段决策问题转化为一系列单 阶段问题，通过求解单阶段问题得到多 阶段的最优解。
பைடு நூலகம்
VS
最优控制策略的确定
根据动态规划的递推关系，逐步求解每个 阶段的优化问题，最终得到最优控制策略 。
总结词
稳定性分析是研究非线性系统的重要方法，主要关注系统在受到扰动后能否恢 复到原始状态或稳定状态。
详细描述
稳定性分析通过分析系统的动态行为，判断系统是否具有抵抗外部干扰的能力。 对于非线性系统，稳定性分析需要考虑系统的初始状态、输入信号以及系统的 非线性特性等因素。
非线性系统的控制设计方法
总结词
要点二
详细描述
线性系统是指在输入和输出之间满足线性关系的系统，即 系统的输出量可以用输入量的线性组合来表示。线性系统 的性质包括叠加性、均匀性和时不变性等。叠加性是指多 个输入信号的响应等于各自输入信号响应的总和；均匀性 是指系统对不同频率信号的响应是一样的；时不变性是指 系统对时间的变化不敏感，即系统在不同时刻的响应是一 样的。
量随时间的变化规律，输出方程描述了输出量与状态变量之间的关系。
线性系统的稳定性分析
• 总结词：稳定性是控制系统的重要性能指标之一，线性系统的稳定性分 析是现代控制理论的重要研究内容。
• 详细描述：稳定性是控制系统的重要性能指标之一，如果一个系统受到 扰动后能够自我恢复到原来的状态，那么这个系统就是稳定的。线性系 统的稳定性分析是现代控制理论的重要研究内容，常用的方法有劳斯赫尔维茨稳定判据和奈奎斯特稳定判据等。劳斯-赫尔维茨稳定判据是 一种基于系统极点的判据，通过判断系统的极点是否都在复平面的左半 部分来判断系统的稳定性；奈奎斯特稳定判据是一种基于频率域的判据， 通过判断系统的频率响应是否在复平面的右半部分来判断系统的稳定性。
《现代控制理论》PPT课件
精选ppt
8
4、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）
பைடு நூலகம்
精选ppt
9
三、现代控制理论与古典控制理论的对比
❖ 共同 对象－系统 主要内容 分析：研究系统的原理和性能 设计：改变系统的可能性（综合性能）
❖ 现代控制理论 哈工大 机械专业硕研
精选ppt
12
精选ppt
7
3.智能控制理论 （60年代末至今）
❖ 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) 专家系统；(2)模糊控制，人工智能 (3) 神经网络，人脑模型；(4)遗传算法 控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术
现代控制理论
Modern Control Theory
精选ppt
1
绪论
❖ 学习现代控制理论的意义： 1.是所学专业的理论基础 2.是研究生阶段提高理论水平的重要环节。 3. 是许多专业考博士的必考课。
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2
一、控制的基本问题
❖ 控制问题：对于受控系统（广义系统）S，
寻求控制规律μ(t)，使得闭环系统满足给
现代控制理论发展的主要标志 (1)卡尔曼：状态空间法； (2)卡尔曼：能控性与能观性； (3)庞特里雅金：极大值原理；
精选ppt
6
现代控制理论的主要特点
❖ 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
现代控制理论基础课件共58页
4
二 控制理论的产生及其发展
5
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类 在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的 发展和科学水平的进步而不断发展。
人类发明具有“自动”功能的装置的历史可以追溯到 公元前14－11世纪的中国、埃及和巴比伦出现的铜壶滴 漏计时器。
公元前4世纪，希腊柏拉图（Platon,公元前47－公元 前347）首先使用了“控制论”一词。
2
个人基本情况(2)
1982.09-1986.06 河南大学数学系基础数学专业本科毕业
1986.06-2019.06 在河南大学从事科研和教学究工作
1993.09-2019.06 郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业、获硕士学位
2019.09-2019.10 西北工业大学自动控制系博士研究生毕业 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.12 获得副教授任职资格
2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员
2000.05-2019.04 清华大学《控制科学与工程》博士后流动站工作
2019.4 被聘任为教授 2019.05-2019.07 清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员 2019.02-2019.06 香港浸会大学计算机科学系高级访问教授
对于非线性系统，除了线性化及渐近展开等计算外， 主要采用相平面分析和谐波平衡法(即描述函数法)研究。
16
这一时期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外， 还有美国的伯德（H.W.Bode）和埃文斯（W.R.Evans）。
1945年，伯德出版了《网络分析和反馈放大器设计》 一书，提出了频率响应分析方法，即简便而实用的伯德 图法。
二 控制理论的产生及其发展
5
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类 在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的 发展和科学水平的进步而不断发展。
人类发明具有“自动”功能的装置的历史可以追溯到 公元前14－11世纪的中国、埃及和巴比伦出现的铜壶滴 漏计时器。
公元前4世纪，希腊柏拉图（Platon,公元前47－公元 前347）首先使用了“控制论”一词。
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个人基本情况(2)
1982.09-1986.06 河南大学数学系基础数学专业本科毕业
1986.06-2019.06 在河南大学从事科研和教学究工作
1993.09-2019.06 郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业、获硕士学位
2019.09-2019.10 西北工业大学自动控制系博士研究生毕业 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.12 获得副教授任职资格
2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员
2000.05-2019.04 清华大学《控制科学与工程》博士后流动站工作
2019.4 被聘任为教授 2019.05-2019.07 清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员 2019.02-2019.06 香港浸会大学计算机科学系高级访问教授
对于非线性系统，除了线性化及渐近展开等计算外， 主要采用相平面分析和谐波平衡法(即描述函数法)研究。
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这一时期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外， 还有美国的伯德（H.W.Bode）和埃文斯（W.R.Evans）。
1945年，伯德出版了《网络分析和反馈放大器设计》 一书，提出了频率响应分析方法，即简便而实用的伯德 图法。
《课程简介机电概述研究生》PPT课件
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三、教学形式
（OVERVIEW OF COURSE）
教学形式主要采用 理论讲课 小组实验 课堂研讨
重点放在学生自主学习、研究与实验方面，并通过随 机抽查研讨、讲解来检验和评估学生学习效果。
要求学生认真听讲，积极发言阐述自己观点，按时独 立自主完成布置作业，展示自己实验结果，研讨自己学习与 实验体会。
2. 实验与课堂教学紧密结合（Laboratory instruction will coordinate closely with classroom instruction as an integral part of the subject）
3. 科学主导工程与工程选择科学是截然不同但又很容易被混淆的两种模式。前者强调原创 性与长期永久之效果，后者强调眼前短期效应，且容易被人接受。
实践
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直线运动单元建模仿真分析（大作业1）
实践
13
直线运动单元速度控制系统（大作业2）
实践
14
直线运动单元速度控制系统（大作业2）
实践
15
直线运动单元速度控制系统（大作业2）
实践
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研讨课
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理论 6
课程概况
1 课程简介
2 教学大纲
3 PBL教学模式
ppt课件
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“现代机电控制”教学大纲
（Course Outline）
ppt课件
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• --由Brown推动的教育改革运动波及了整个美国工程教育界，使得MIT迅速发展成为世界一 流的研究型大学。
• --据1994年统计，MIT拥有工程院院士86人，科学院院士98人，医学科学院院士17人。从68
年起到96年，共有13人获得诺贝尔奖。Engineering can proceed no faster than the
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现代控制理论
Modern Control Theory
第一章 绪论
1.1 控制理论发展概况
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
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
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)
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)
(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.
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
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.
(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
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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Modern Control Theory
第一章 绪论
1.1 控制理论发展概况
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
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
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)
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)
(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.
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
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.
(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
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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