線性理論第一講

線性理論第一講第1頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論1.1

控制理論發(fā)展概況1.2現(xiàn)代控制理論的主要特點1.3現(xiàn)代控制理論基本內(nèi)容1.4本課程內(nèi)容教學(xué)計劃安排第2頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論1.1控制理論發(fā)展概況控制論：1948年美國數(shù)學(xué)家維納《控制論》1940——1950經(jīng)典控制理論單機(jī)自動化1960——1970現(xiàn)代控制理論機(jī)組自動化1970——1980大系統(tǒng)理論控制管理綜合1980——1990智能控制理論智能自動化1990——21c集成控制理論網(wǎng)絡(luò)控制自動化第3頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機(jī)用的離心調(diào)速機(jī)。1875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。1892年，俄國李雅普諾夫在《論運動穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。1945年，美國Bode在《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計》中提出頻率響應(yīng)分析法－Bode圖。第4頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1948年，美國Wiener在《控制論－關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。－－－標(biāo)志控制學(xué)科的誕生控制論：研究動物（包括人類）和機(jī)器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學(xué)科。1954年，錢學(xué)森的《工程控制論》在美國出版。－－－奠定了工程控制論的基礎(chǔ)第5頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）經(jīng)典控制理論a.特點研究對象：單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)。解決方法：頻率法、根軌跡法、傳遞函數(shù)。非線性系統(tǒng)：相平面法和描述函數(shù)分析。數(shù)學(xué)工具：拉氏變換、常微分方程。b.局限性難以應(yīng)用于時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)。難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。第6頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)現(xiàn)代控制理論隨著計算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的。a.特點研究對象：多輸入、多輸出系統(tǒng)，線性、定?；驎r變、離散系統(tǒng)。解決方法：狀態(tài)空間法（時域方法）。數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)、微分方程。b.主要標(biāo)志1965年，R.Bellman提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃方法。第7頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1958年，R.E.Kalman采用狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀性、Kalman濾波概念1961年，龐特里亞金證明了最優(yōu)控制中的極大值原理。（3）大系統(tǒng)理論是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng)，如生產(chǎn)過程、交通運輸、生物工程、社會經(jīng)濟(jì)和空間技術(shù)等復(fù)雜系統(tǒng)。第8頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)雜系統(tǒng)的特點：（1）動力學(xué)模型的不確定性（2）測量信息的粗糙性和不完整性（3）動態(tài)行為或擾動的隨機(jī)性（4）離散層次和連續(xù)層次的混雜性（5)系統(tǒng)動力學(xué)的高度復(fù)雜性（6）狀態(tài)變量的高維性和分布性（7）各系統(tǒng)間的強(qiáng)耦合性第9頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三類：多級（遞階）控制多層控制（按任務(wù)）多段控制（如導(dǎo)彈軌跡控制）公司工廠車間決策、協(xié)調(diào)、計劃、組織、管理計算機(jī)實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度，過程控制的最優(yōu)化調(diào)節(jié)裝置協(xié)調(diào)控制級遞階控制級局部控制級第10頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）智能控制是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，如智能機(jī)器人。利用知識進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理與聯(lián)想，對環(huán)境干擾與不確定因素具有魯棒性。主要內(nèi)容：模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專家控制、遺傳算法第11頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)控制理論發(fā)展趨勢企業(yè)：資源共享、因特網(wǎng)、信息集成信息技術(shù)+控制技術(shù)集成控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)計算機(jī)集成制造CIMS：（工廠自動化）ComputerIntegratedManufacturingSystem應(yīng)用：生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會控制等第12頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2現(xiàn)代控制理論的主要特點研究對象：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)上：狀態(tài)空間法方法上：研究系統(tǒng)輸入/輸出特性和內(nèi)部性能內(nèi)容上：線性系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等第13頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3現(xiàn)代控制理論基本內(nèi)容控制理論必須回答的三個問題：（1）系統(tǒng)能否被控制？可控性有多大？（2）如何克服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不確定性及干擾帶來的影響？（3）如何實現(xiàn)滿足要求的控制策略？第14頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）線性系統(tǒng)理論研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運動過程規(guī)律，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、動態(tài)行為之間的關(guān)系。主要內(nèi)容：狀態(tài)空間描述、能控性、能觀性和穩(wěn)定性、狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器設(shè)計等。第15頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）最優(yōu)控制在給定約束條件和性能指標(biāo)下，尋找使系統(tǒng)性能指標(biāo)最佳的控制規(guī)律。主要方法：變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃等極大值原理現(xiàn)代控制理論的核心即：使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)（最小或最大）某一性能指標(biāo)最優(yōu)：如時間最短或燃料消耗最小等。第16頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）自適應(yīng)控制在控制系統(tǒng)中，控制器能自動適應(yīng)內(nèi)外部參數(shù)、外部環(huán)境變化，自動調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)達(dá)到一定意義下的最優(yōu)。a.模型參考自適應(yīng)控制（ModelReferenceAdaptiveControl)

b.自校正自適應(yīng)控制（Self-TurningAdaptiveControl)第17頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）系統(tǒng)辨識建立系統(tǒng)動態(tài)模型的方法：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)，從一類給定的模型中確定一個被研究系統(tǒng)本質(zhì)特征等價的模型，并確定其模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。（5）最佳濾波理論（最佳估計器）當(dāng)系統(tǒng)中存在隨機(jī)干擾和環(huán)境噪聲時，其綜合必須應(yīng)用概率和統(tǒng)計方法進(jìn)行。即：已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過輸入輸出數(shù)據(jù)的測量，利用統(tǒng)計方法對系統(tǒng)狀態(tài)估計。Kalman濾波器