控制理论的发展及应用课件.ppt

1、控制理论的发展及应用控制理论的发展及应用王晶王晶Beijing University of Chemical Technology内容内容 控制论简介控制论简介 自动控制理论与技术的早期发展自动控制理论与技术的早期发展 控制理论各阶段的特点控制理论各阶段的特点 控制理论的进一步发展控制理论的进一步发展 历史的思考历史的思考 新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展一一 控制论简介控制论简介研究各类系统的调节和控制规律的科学研究各类系统的调节和控制规律的科学 它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为

2、科学等多种科学技术相互渗透形生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门综合性学科。成的一门综合性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。理和方法。Cybernetics，希腊语，原意为希腊语，原意为掌舵术，包

3、含了调节、操纵、掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多方面的管理、指挥、监督等多方面的涵义涵义 19431943年底在纽约召开了关于信年底在纽约召开了关于信息、反馈问题的讨论会，参加息、反馈问题的讨论会，参加者中有生物学家、数学家、社者中有生物学家、数学家、社会学家、经济学家，从各自角会学家、经济学家，从各自角度对信息反馈问题发表意见。度对信息反馈问题发表意见。陆续举行的讨论会，对控制论陆续举行的讨论会，对控制论的产生起了推动作用。的产生起了推动作用。19481948年维纳发表年维纳发表控制论控制论，控制科学诞生。控制科学诞生。控制论创始人维纳控制论创始人维纳控制论的三个发展时期控制论

4、的三个发展时期I I：上世纪：上世纪5050年代，经典控制论时期。年代，经典控制论时期。代表作：代表作：19481948年维纳发表年维纳发表控制论控制论 1954 1954年钱学森发表的年钱学森发表的工程控制论工程控制论。IIII：上世纪：上世纪6060年代，现代控制论时期。年代，现代控制论时期。控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向控制论的重点从单变量控制到多变量控制，从自动调节向最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提最优控制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规

5、划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适规划等方法，形成了系统辨识、最优控制、自组织、自适应系统等现代控制理论。应系统等现代控制理论。IIIIII：上世纪：上世纪7070年代后：大系统理论时期。年代后：大系统理论时期。控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。制论发展。三部经典著作三部经典著作 信息论开端：信息论开端：1948年香农年香农(C.E.Shannon)的发表在的发表在贝尔系统技术杂志贝尔系统技术杂志上的论文上的论文 A Mathematical Theory of Communication 控制论创立控制

6、论创立:1948年维纳（年维纳（N.Wienner）的经典论）的经典论著：著：Cybernetics or Control and Communication in the animal and the machines 工程控制论：工程控制论：1954年钱学森年钱学森(Tsien H S)的著作的著作Engineering Cybernetics二二 自动控制自动控制技术的早期发展技术的早期发展数千年的历史数千年的历史“控制控制”：本身反映人们对征服自然与外在的渴望，：本身反映人们对征服自然与外在的渴望，“控制控制理论与技术理论与技术”也自然地在人类认识自然与改造自然的历史也自然地在人类认识

7、自然与改造自然的历史中发展；中发展；具有反馈控制原理的控制装置：古代的计时器具有反馈控制原理的控制装置：古代的计时器“水钟水钟”(“刻刻漏漏”，也叫，也叫“漏壶漏壶”)；公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的公元前三世纪中叶，亚历山大里亚城的Ctesibius首先在受水首先在受水壶中使用了浮子，具有负反馈的思想；壶中使用了浮子，具有负反馈的思想；北宋时期，苏颂等于北宋时期，苏颂等于1086年年-1090年在开封建成年在开封建成“水运仪象水运仪象台台”，相当准确地跟踪天体的运行；，相当准确地跟踪天体的运行；1765年俄国的波尔祖诺夫（年俄国的波尔祖诺夫（Polzunov）发明了蒸汽机锅炉）发明了蒸汽

8、机锅炉的水位自动调节器（在俄国被认为是世界上的第一个自动的水位自动调节器（在俄国被认为是世界上的第一个自动调节器）。调节器）。中国、古埃及和巴比伦人发明的中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置自动计时装置(公元前公元前1111世纪世纪)具有过程控制思想的提具有过程控制思想的提花织布机（明代）花织布机（明代）James James watwat发明的飞球调节器，发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（控制蒸汽机的转速（17691769年）年）PolzunovPolzunov发明的浮球调节器，发明的浮球调节器，用于水位控制（用于水位控制（17651765年）年）稳定性的早期发展稳定性的早期发展-1-

9、1 J.C.Maxwell是最早对反馈控制系统稳定性进行系统分析，是最早对反馈控制系统稳定性进行系统分析，On Governors（Proc.Royal Society of London,1868），目前公认的以反馈控制为其主要研究内容的第一），目前公认的以反馈控制为其主要研究内容的第一篇理论论文篇理论论文 导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处导出了调节器的微分方程，并在平衡点附近进行线性化处理，指出理，指出稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部稳定性取决于特征方程的根是否具有负的实部。开创了控制理论研究的先河开创了控制理论研究的先河,文中还催促数学家们尽快地文中还催促数学家

10、们尽快地解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上解决多项式的系数同多项式根的关系问题。由于五次以上的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定的多项式没有直接的求根公式，这给判断高阶系统的稳定性代来了困难。性代来了困难。经典控制理论的发展经典控制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-2-2 两年一次的两年一次的Adams Prize奖授予在该委员会所选科学主题方奖授予在该委员会所选科学主题方面竞争的最佳论文。面竞争的最佳论文。1877年的主题是年的主题是“运动的稳定性运动的稳定性”。Routh E J.A Treatise on the Stability of Moti

11、on（London:Macmillan,1877）获）获1877年年Adams Prize 提出根据多项式的系数确定多项式在右半平面的根的数目。提出根据多项式的系数确定多项式在右半平面的根的数目。其意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统其意义在于将当时各种有关稳定性的孤立的结论和非系统的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。的结果统一起来，开始建立有关动态稳定性的系统理论。经典控制理论的发展经典控制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-3-3 1895年，瑞士数学家年，瑞士数学家A.Hurwitz在不了解在不了解Routh工作的情工作的情况下，独立给出了根据多项式的系

12、数决定多项式的根是否况下，独立给出了根据多项式的系数决定多项式的根是否都具有负实部的另一种方法都具有负实部的另一种方法(Hurwitz A.On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts.Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的条件同的条件同Routh的条件在本质上是一致的。因此的条件在本质上是一致的。因此这一稳定性判据现在也被称为这一稳定性判据现在也被称为Routh-Hurwitz稳定性判据稳定性判据。经典控制理论的

13、发展经典控制理论的发展 1892年，俄罗斯伟大的数学力学家年，俄罗斯伟大的数学力学家A.M.Lyapunov（1857-1918）发表了其具有深远历史意义的博士发表了其具有深远历史意义的博士论论文文The General Problem of the Stability of Motion 提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的提出了为当今学术界广为应用且影响巨大的李亚普诺李亚普诺夫方法夫方法，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接，也即李亚普诺夫第二方法或李亚普诺夫直接方法。这一方法不仅可用于方法。这一方法不仅可用于线性系统，而且线性系统，而且可用于非可用于非线性时变系统的分析与设计线性时变

14、系统的分析与设计。稳定性的早期发展稳定性的早期发展-4-4经典控制理论的发展经典控制理论的发展负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立-1-1 在控制系统稳定性的代数理论建立之后，在控制系统稳定性的代数理论建立之后，19281928年年19451945年以美国年以美国AT&TAT&T公司公司Bell LabsBell Labs的的科学家们为核心，科学家们为核心，又建立了控制系统分析与设计的频域方法又建立了控制系统分析与设计的频域方法。负反馈放大器负反馈放大器:1928 1928年，年，Harold Harold Black(1898-1983Black(1898-1983)首先

15、首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析数学分析经典控制理论的发展经典控制理论的发展 反馈放大器的振荡问题：实用化困难反馈放大器的振荡问题：实用化困难 1932年，年，Nyquist发表了包含著名的发表了包含著名的“乃奎斯特判据乃奎斯特判据”(Nyquist criterion)的论文，并在的论文，并在1934年加入了年加入了Bell Labs。Black关于的负反馈放大器的论文发表在关于的负反馈放大器的论文发表在1934年，参考了年，参考了Nyquist的论文和他的稳定

16、性判据。的论文和他的稳定性判据。同时，同时，Hendrik Bode(1905-1982)开始对负反馈放大器的设开始对负反馈放大器的设计问题进行研究。计问题进行研究。1940年，年，Bode引入了引入了半对数坐标系半对数坐标系，使，使频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。频率特性的绘制工作更加适用于工程设计。负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立-2经典控制理论的发展经典控制理论的发展负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立-3 1925年，英国电器工程师年，英国电器工程师O.Heaviside，把把拉普拉斯变换拉普拉斯变换应应用到求解电网络的问题上。不久拉普

17、拉斯变换就被应用到用到求解电网络的问题上。不久拉普拉斯变换就被应用到分析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。传递函数分析自动调节系统问题上，并取得了显著成效。传递函数就是在拉普拉斯变换的基础上引入的。就是在拉普拉斯变换的基础上引入的。1942年，年，H.Harris引入引入传递函数传递函数的概念。用方框图、环节、的概念。用方框图、环节、输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系，输入和输出等信息传输的概念来描述系统的性能和关系，从而把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法从而把原来由研究反馈放大器稳定性而建立起来的频率法抽象化，并更有普遍意义。（把对具体物理系统，统一用抽象化，并

18、更有普遍意义。（把对具体物理系统，统一用传递函数、频率响应等抽象的概念来研究）传递函数、频率响应等抽象的概念来研究）至至1945年，控制系统设计的频域方法，年，控制系统设计的频域方法，“波德图波德图”(Bode plots)方法，已基本建立了。方法，已基本建立了。经典控制理论的发展经典控制理论的发展根轨迹法的建立根轨迹法的建立 在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位。它同在经典控制理论中，根轨迹法占有十分重要的地位。它同时域法，频域法可称是三分天下。时域法，频域法可称是三分天下。美国电信工程师美国电信工程师W.R.Evans，两篇论文，两篇论文Graphical Analysis of

19、Control System(1948)和和Control System Synthesis by Root Locus Method(1950),基本建立了基本建立了根轨根轨迹法迹法的完整理论。的完整理论。Evans所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系所从事的是飞机导航和控制，其中涉及许多动态系统的稳定问题，因此又回到统的稳定问题，因此又回到70多年前多年前Maxwell和和Routh曾做曾做过的特征方程的研究工作。但过的特征方程的研究工作。但Evans用系统参数变化时，用系统参数变化时，特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研究方特征方程的根变化轨迹来研究，开创了新的思维和研

20、究方法。法。经典控制理论的发展经典控制理论的发展脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-1-1 随着计算机技术的诞生，脉冲控制理论迅速发展。随着计算机技术的诞生，脉冲控制理论迅速发展。重要贡献：重要贡献：Nyquist和和Shannon。Nyquist首先证明把正弦首先证明把正弦信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采信号从它的采样值复现出来，每周期至少必须进行两次采样。香农于样。香农于1949年完全解决了这个问题，年完全解决了这个问题，Shannon采样定采样定理。理。线性脉冲控制理论以线性差分方程为基础，线性差分方程线性脉冲控制理论以线性差分方程为基础，线性差分方程理论在三、四十年

21、代中已逐步发展起来。理论在三、四十年代中已逐步发展起来。利用连续系统利用连续系统L变换同离散系统变换同离散系统L变换的对应关系，奥尔变换的对应关系，奥尔登伯格和崔普金等人于登伯格和崔普金等人于1944和和1948年分别提出了年分别提出了脉冲系统脉冲系统的稳定判据的稳定判据，即，即线性差分方程的所有特征根应位于单位圆线性差分方程的所有特征根应位于单位圆内。内。经典控制理论的发展经典控制理论的发展 由于离散拉氏变换式是超越函数，崔普金又提出了用保角由于离散拉氏变换式是超越函数，崔普金又提出了用保角变换将变换将Z平面的单位圆内部转换到新平面的左半面的方法，平面的单位圆内部转换到新平面的左半面的方法，

22、这样即可以使用这样即可以使用Routh-Hurwitz判据，又可将连续系统分判据，又可将连续系统分析的频域方法引入离散系统分析。析的频域方法引入离散系统分析。在变换理论的研究方面，在变换理论的研究方面，W.Hurewicz于于1947年最先引进年最先引进了一个变换用于对离散序列的处理。了一个变换用于对离散序列的处理。在此基础上，崔普金于在此基础上，崔普金于1949年，拉格兹尼和扎德于年，拉格兹尼和扎德于1952年年分别提出并定义了分别提出并定义了Z变换方法，大大简化了运算步骤，并变换方法，大大简化了运算步骤，并在此基础上发展起脉冲控制系统理论。在此基础上发展起脉冲控制系统理论。脉冲控制理论的建

23、立脉冲控制理论的建立-2-2经典控制理论的发展经典控制理论的发展 回顾脉冲控制理论的发展，尽管俄国的崔普金等都做出了不回顾脉冲控制理论的发展，尽管俄国的崔普金等都做出了不可磨灭的贡献，但建立脉冲理论的许多工作都是由可磨灭的贡献，但建立脉冲理论的许多工作都是由美国哥伦美国哥伦比亚大学的拉格兹尼和他的博士生们比亚大学的拉格兹尼和他的博士生们完成的。他们包括完成的。他们包括朱里朱里（离散系统稳定的朱里判据，能观测性与能达性，分析与设（离散系统稳定的朱里判据，能观测性与能达性，分析与设计工具等），计工具等），卡尔曼卡尔曼（离散状态方法，能控性与能观性等。（离散状态方法，能控性与能观性等。是自控界第二位

24、获是自控界第二位获IEEE Medal of Honor者者(1974)），），扎德扎德（Z变换定义等。是第五位获变换定义等。是第五位获IEEE Medal of Honor者者(1995)）。）。五十年代末，脉冲系统的五十年代末，脉冲系统的Z变换法变换法 已臻成熟，好几本教科书同时出版。已臻成熟，好几本教科书同时出版。脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-3-3经典控制理论的发展经典控制理论的发展控制史上重点人物控制史上重点人物WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman三三 控制理论各阶段的特点控制理论各阶段的特点 经典控制理论：建

25、立在频率法和根轨迹法基经典控制理论：建立在频率法和根轨迹法基础上础上数学工具：数学工具：拉氏变换拉氏变换研究对象：研究对象：单输入单输出的线性定常系统单输入单输出的线性定常系统研究方法：研究方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。控制结构：控制结构：通常是采用输出负反馈控制，构成闭环控制系统。通常是采用输出负反馈控制，构成闭环控制系统。线性微分方程和基于拉普拉

26、斯变线性微分方程和基于拉普拉斯变 换的传递函数换的传递函数 单输入单输入单输出的线性定常系统单输出的线性定常系统时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法难于解决复杂问题，如时变，多变量等难于解决复杂问题，如时变，多变量等开环控制系统与闭环控制系统开环控制系统与闭环控制系统控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象开环控制系统开环控制系统特点：特点：缺点：缺点：最简单的控制方式最简单的控制

27、方式 系统结构简单、维护容易、成本系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题低、不存在稳定性问题 信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路 输出量不能对控制量产生输出量不能对控制量产生 影响。影响。控制精度不高控制精度不高 系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差 对元器件的要求对元器件的要求 比较高比较高控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈

28、元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 反馈控制系统反馈控制系统 反馈通路反馈通路负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈控制系统一般采用负反馈 信号传递形成一个闭合回路信号传递形成一个闭合回路 输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号 自动控制系统的基本结构：自动控制系统的基本结构：设定值设定值r r控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f f被控变量被控变量y y反馈量反馈量 z z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基

29、本结构偏差偏差e e控制变量控制变量u u经典控制论研究内容：经典控制论研究内容：系统模型系统模型 传递函数模型的建立传递函数模型的建立 系统分析系统分析 系统时域分析；稳定性（劳斯系统时域分析；稳定性（劳斯稳定判据）；稳态偏差；根轨迹；频率稳定判据）；稳态偏差；根轨迹；频率特性分析特性分析 系统综合系统综合 基于根轨迹、频率特性进行控基于根轨迹、频率特性进行控制器设计。制器设计。现代控制理论现代控制理论从从时间域时间域内系统地讲述用来分析和综合线性系统的状态空内系统地讲述用来分析和综合线性系统的状态空间方法。首先是建立系统的间方法。首先是建立系统的状态空间描述状态空间描述问题，然后在状问题，

30、然后在状态空间态空间描述的基础上讨论系统的描述的基础上讨论系统的运动规律运动规律，能控性能控性，能观能观性性和和稳定性稳定性理论，逐步理论，逐步 阐明系统的阐明系统的结构特性结构特性，最后专门，最后专门讨论讨论综合综合问题，包括极点配置，镇定，跟踪，解耦等。问题，包括极点配置，镇定，跟踪，解耦等。数学工具：数学工具：线性代数线性代数研究对象：研究对象：多输入多输出的线性定常系统多输入多输出的线性定常系统研究方法：研究方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进得到系统的状态空间描述

31、，并以此作为基础在时间域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。行分析和设计，确定控制器的结构和参数。控制结构：控制结构：通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。经典与现代控制论的比较经典与现代控制论的比较经典控制论经典控制论现代控制论现代控制论数学基础数学基础拉普拉斯变换拉普拉斯变换线性代数、矩阵分线性代数、矩阵分析析系统模型系统模型传递函数传递函数状态空间表达状态空间表达处理域处理域频域频域时域时域应用对象应用对象SISO系统系统MIMO系统系统表示系统在过去、现在和未来时刻的状况表示系统在过去、现在和未来时刻的状况状态状态能够完全描述系

32、统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系统在的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系统在未来任意时刻的行为就可以完全确定。未来任意时刻的行为就可以完全确定。状态变量状态变量选取的不唯一性选取的不唯一性以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量 状态向量状态向量)()()()(21txtxtxtxn以以n n个状态变量为基底所构成的个状态变量为基底所构成的n n维空间就称为状态空间，维空间就称为状态空间，状态空间中的一点就代表系统

33、在某一特定时刻的状态。状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。状态空间状态空间外部描述外部描述传递函数传递函数：不表征系统的内部结：不表征系统的内部结构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间的因果关系的因果关系内部描述内部描述状态空间状态空间，能够完全表征系统的，能够完全表征系统的一切动力学特征：一切动力学特征：不完全不完全描述描述完全描述完全描述传递函数：传递函数：初始条件为零初始条件为零的线性定常系统输出的拉普拉的线性定常系统输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。)()()(sXsYsG 0()()(

34、)(0)x tAx tBu txx，)()()(tDutCxty现代控制论的重要分支：状态空间设计方法现代控制论的重要分支：状态空间设计方法 系统模型系统模型 状态空间模型的建立、与传递状态空间模型的建立、与传递函数描述之间的相互转化；函数描述之间的相互转化；系统分析系统分析 状态空间运动分析；能控性和状态空间运动分析；能控性和能观性的基本概念与判据、能控、能观能观性的基本概念与判据、能控、能观标准形及结构分解；标准形及结构分解；系统综合系统综合 基于状态反馈控制系统设计方基于状态反馈控制系统设计方法法极点配置和观测器设计。极点配置和观测器设计。计算机控制系统（离散控制、脉冲控制、计算机控制系

35、统（离散控制、脉冲控制、采样控制等）采样控制等）图6.1计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 控制系统通常分成两大类控制系统通常分成两大类：l连续时间控制系统连续时间控制系统：各处的信号是时间的连续函数：各处的信号是时间的连续函数，则称该，则称该类系统为连续时间控制系统。类系统为连续时间控制系统。l离散时间控制系统离散时间控制系统：有一处或数处信号不是时间的连续函数，：有一处或数处信号不是时间的连续函数，而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统为离散时间控制系统或采样控制系统。为离散时间控制系统或采样控制系统。1 控制工程

36、中普遍存在离散时间系统控制工程中普遍存在离散时间系统2 计算机的高速发展和数字控制的广泛应用计算机的高速发展和数字控制的广泛应用意义：意义：离散信号采样信号数字信号离散信号采样信号数字信号 时间整量化时间整量化 时间和幅值同时整量化时间和幅值同时整量化离散、采样、数字控制的差别离散、采样、数字控制的差别连续整量化信号与数字信号)(tu0k1kt连续模拟信号与采样信连续模拟信号与采样信号号0t)(tu 连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统分析连续系统分析 （L L变换）变换）微分方程微分方程 传递函数传递函数，频域分析（经典），频域分析（经典）状态方程：求运动

37、解，通过系统矩阵分析（现代）状态方程：求运动解，通过系统矩阵分析（现代）离散系统分析类似离散系统分析类似 （z z变换）变换）差分方程差分方程 脉冲脉冲传数，频域分析（经典）传数，频域分析（经典）差分状态方程：状态空间方法（现代）差分状态方程：状态空间方法（现代）max2s在设计采样系统中，在设计采样系统中，一个重要的参数就是采样周期一个重要的参数就是采样周期T T，T T过大，过大，复现原信号时将失真，复现原信号时将失真，T T过小，增加计算量，过小，增加计算量，具体具体T T的选择可的选择可以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定。采样定理：采样

38、定理：采样后的离散信号能恢复为原连续信号的条件是采采样后的离散信号能恢复为原连续信号的条件是采样频率要高于或等于连续信号频谱中最高频率的两倍。样频率要高于或等于连续信号频谱中最高频率的两倍。理想的采样过程理想的采样过程 四四 现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展 其他动态系统的研究其他动态系统的研究非线性系统非线性系统:LyapunovLyapunov理论，微分几何，微分代数理论，微分几何，微分代数时变系统：随环境变，时变系统：随环境变，自适应系统自适应系统 或或 不确定系统不确定系统 随机系统：基于概率统计方法，研究稳定、镇定和最优控制等随机系统：基于概率统计方法，研究稳定、镇定

39、和最优控制等分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、核分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、核裂、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等裂、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和控制大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和控制机械系统：机械系统：2 2阶非线性系统，并充分利用力学特性简化研究阶非线性系统，并充分利用力学特性简化研究不确定系统：自适应控制、鲁棒控制等多个学科不确定系统：自适应控制、鲁棒控制等多个学科 控制任务的多样化控制任务的多样化经典及现代控制论在于寻求（反馈）控制，使得闭环系统稳

40、经典及现代控制论在于寻求（反馈）控制，使得闭环系统稳定，即定，即“镇定镇定”。到了二十世纪，工程技术不断提出新的任务：到了二十世纪，工程技术不断提出新的任务：车间调度控制：工程上为车间调度控制：工程上为FMSFMS及及CIMSCIMS，理论上出现了，理论上出现了DEDSDEDS（离散事件动态系统）理论。（离散事件动态系统）理论。监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等 这一趋势是明显的，也是必然的。自动控制就是由系统来这一趋势是明显

41、的，也是必然的。自动控制就是由系统来代替人控制。随着科学技术的发展，人们的控制活动越来代替人控制。随着科学技术的发展，人们的控制活动越来越多，因而控制任务也会越来越复杂和困难。越多，因而控制任务也会越来越复杂和困难。现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展-2-2 专业学科化的发展专业学科化的发展 因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科又因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科又有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展控有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展控制理论及方法，是必然的。制理论及方法，是必然的。空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主控制

42、、遥控、空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主控制、遥控、装配等等。装配等等。拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主控制、应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。应付复杂环境（避碰、避雨及雷电）等等。智能材料：具有及时预报缺陷及损伤，自加强等功能。智能材料：具有及时预报缺陷及损伤，自加强等功能。医学控制：血管内的医学控制：血管内的“聪明药聪明药”具有对可能发生阻塞部位进具有对可能发生阻塞部位进行修整的能力。行修整的能力。现代控制理论的进一步发展现代控制理论的进一步发展-3-3五五 历史的思考历史的思考 社会发展的需要是科学发展的动

43、力社会发展的需要是科学发展的动力 控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业控制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。中为解决关键问题而发展起来的。钱

44、三强钱三强“科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取科学来源于生产和对自然现象的观察，它的发展取决于生产和社会的需求。决于生产和社会的需求。”历史的思考历史的思考科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应 同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依赖于集体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很体的智慧。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明了这一点。好地说明了这一点。科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家坚实的知识基础，科学的发明与科学理论的建立有赖于科学家

45、坚实的知识基础，杰出的科学家大多是多面发展的杰出的科学家大多是多面发展的 现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。例如在现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的知识基础。例如在控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如控制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如MaxwellMaxwell、LyapunovLyapunov、ZadehZadeh等无不在多个方面均有建树。而等无不在多个方面均有建树。而BlackBlack最早提最早提出负反馈放大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是出负反馈放大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是在在NyquistNyquist和和BodeBode等的努力下

46、建立的。等的努力下建立的。BlackBlack的论文也是在参考的论文也是在参考了了NyquistNyquist的论文之后才完成，他的专利申请也是在的论文之后才完成，他的专利申请也是在NyquistNyquist等等的工作完成后才被认可并获准的。的工作完成后才被认可并获准的。没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深入和系统地发展以深入和系统地发展 控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会控制技术和理论的发展还表明了这样一个道理：任何社会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。控制技术实践没有理论就不能成为科学，也就难以发

47、展。控制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水平上发展。论，只能在低级的水平上发展。18681868年以来，随着控制理年以来，随着控制理论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制论的建立，控制理论和控制技术同时开始飞速发展，控制技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。技术终于成为人们征服自然与改造自然的有力武器。由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史就由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史就是十六、十七世纪前是十六、十七世纪前“灿烂辉煌的古代文明灿烂辉煌的古代文明”，而在十六、

48、，而在十六、十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日十七世纪西方科学理论体系开始建立之后，就开始相对日趋末落。趋末落。历史的思考历史的思考五五 新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展必须承认的事实：必须承认的事实：控制对社会进步的贡献与影响，与计算控制对社会进步的贡献与影响，与计算机和通信相比正在变小。机和通信相比正在变小。人们对控制的热情在下降。因此，有人人们对控制的热情在下降。因此，有人说：说：“自动化走进了死胡同自动化走进了死胡同”。有人主张。有人主张取消自动化学科或改换名称。取消自动化学科或改换名称。自动化学科面临严峻形势自动化学科面临严峻形势矛盾矛盾 一方

49、面，控制的某些一方面，控制的某些“理论成果理论成果”远远走在应用的前面；远远走在应用的前面；另一方面，对大量复杂的急待解决的另一方面，对大量复杂的急待解决的系统问题，控制又无能为力。系统问题，控制又无能为力。自动化学科真的不重要了？不需要了？自动化学科真的不重要了？不需要了？已经走到了学科发展的尽头？已经走到了学科发展的尽头？答案是否定的答案是否定的什么原因？什么原因？控制发展历史：控制发展历史：控制学科从来是重大实际需求的拉动，然后用数控制学科从来是重大实际需求的拉动，然后用数学等理论工具求解，进而解决重大实际问题。学等理论工具求解，进而解决重大实际问题。40-5040-50年代的工业控制和

50、武器装备的需求促成了年代的工业控制和武器装备的需求促成了古典控制理论的形成，产生了重大的影响。古典控制理论的形成，产生了重大的影响。60-7060-70年代的航天的需求，产生了现代控制理论，年代的航天的需求，产生了现代控制理论，登月成功成为世界进步的一个重大标志。登月成功成为世界进步的一个重大标志。数学在控制理论和自动化学科的发展中数学在控制理论和自动化学科的发展中起了核心的科学作用起了核心的科学作用。今天仍然是非常重。今天仍然是非常重要的。不可否认的是在相当长的一段时间要的。不可否认的是在相当长的一段时间内，对重大实际需求的拉动作用有或多或内，对重大实际需求的拉动作用有或多或少的忽视。这是目