C1现代控制理论绪论.ppt

北京科技大学信息工程学院自动化系 北京科技大学信息工程学院自动化系 现代控制理论基础 北京科技大学自动化学院 控制科学与工程系 * 北京科技大学自动化学院 * 主要参考书目 刘豹。现代控制理论（第三版）。北京：机械工业出版社，2006 郑大钟。线性系统理论（第二版）。北京：清华大学出版社，2002 仝茂达。线性系统理论和设计。合肥：中国科技大学出版社，2004 Chi-Tsong Chen Linear System Theory and Design(Third Edition) Oxford 1999 万百五。控制论-概念、方法与应用。北京：清华大学出版社 ，2009 * 北京科技大学自动化学院 * 第一章 绪论 控制理论研究的内容 控制理论的发展 现代控制理论的主要内容 本课程的主要内容 需要的预备知识 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论研究的内容 系统：控制理论的研究对象。由相互关联和制约的若干部分所组成的具有特定功能的一个整体。 动态系统：运动状态按确定的规律或统计规律随时间演化的一类系统。动态系统分为连续变量动态系统和离散变量动态系统。 线性-非线性系统 集中参数-分布参数系统 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论研究的内容 * 北京科技大学自动化学院 * 被控对象 控制器 计算机 A/D D/A 保持器 采样 控制：是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。控制系统由控制部分和被控对象组成，两者往往形成双向的信息流联系。控制部分一般由传感器、控制器和执行器组成。传感器用来采集信息，并把它变换到合适的形式，传送到控制器。控制器用来加工信息、产生控制信号，这是控制系统的核心。执行器则将控制器产生的控制信号进行放大和变换，以此产生控制作用，最终施加到被控对象上。通常把进入控制系统的信息加工成控制信息的规则，称为控制算法。设计和实现控制算法是控制理论中最重要的研究课题。在控制系统中实现控制算法的部件称为控制器，设计和研制各种控制器则是控制工程最重要的任务。 绪论-控制理论研究的内容 系统的数学描述-这个步骤解决两个问题，其一是对系统的一般运动规律进行描述，其二是对所讨论的系统进行抽象，系统有具体属性，可以是工程的、生物的、经济的等，此步骤抽去系统的具体属性，建立一般的数学模型； 分析系统的定性和定量的性质-通过系统的数学模型讨论系统各种因素间的相互关系； 根据系统的性质设计控制系统，以达到改进系统性能的目的，这一步骤有时称为系统的综合。 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论的发展 自动控制： 1788年Watt在发明蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动调节进气阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速； 20世纪20年代，电子管反馈放大器诞生； 第一个自动控制系统是美国的汽车生产线。 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论的发展 20世纪30年代初奈奎斯特(H. Nyquist)研究反馈放大器稳定性-奈奎斯特判据； 20世纪40年代初波特(Bode)引入对数增益图和线性相位图-波特图，形成基于频率响应的分析与综合反馈控制系统的实用理论和方法； 1948年伊万思(W.R.Evans)提出的根轨迹法，为控制系统的分析与设计开辟了新的途径。 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论的发展 经典控制理论的特点：以传递函数为系统的数学描述，以频率法作为研究控制系统动态特性的主要方法，以各种图表，如Routh表、根轨迹、Bode图和Nyquist曲线等作为系统分析和综合的工具。-频率域 经典控制理论的优点：不用求解微分方程就可以分析系统的稳定性、动态品质和稳态性能，为分析和设计系统提供了实用且有力的工具，使系统分析由初期的时域转到频域。特别是第二次世界大战期间，经典控制理论得到广泛地的应用。 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论的发展 经典控制理论的局限： 局限于单变量线性定常系统，对多变量系统处理困难； 不能处理时变系统； 非线性系统的处理限制较大； 无法处理分布参数系统； 传递函数仅反映了系统的输入-输出的关系，难以揭示系统内部结构。 * 北京科技大学自动化学院 * 绪论-控制理论的发展 随着航空、航天技术的发展，对控制系统的精度要求越来越高，非线性、时变和多变量系统，控制系统越来越复杂，经典控制理论已经不能适应了； -需求 电子计算机的出现。 -手段 在20世纪50~60年代出现了以状态空间为基础，研究系统的内部描述及系统的定性和定量规律，进而完成控制系统设计的现代控制理论。-时间域 * 北京科