系统分析及控制第0章绪论94820.ppt

2009-08 CAUC--空中交通交通管理学院 第 0 章 绪 论 第0章 绪 论 谢克明.理论现代控制理论基础. 北京工业大学出版社 刘豹. 现代控制理论. 北京: 机械工业出版社, 2000?? 胡寿松. 自动控制原理. 北京: 科学出版社, 2002?? Richard C D. Modern Control Systems. 北京: 科学出版社, 2002?? 陈启宗. 线性系统理论与设计. 北京: 科学出版社, 1988?? 仝茂达. 线性系统理论和设计. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1998 0.1控制理论的产生及其发展在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使工作机械、或生产过程（被控对象）的某一个物理量（被控量）按预定的规律（给定量）运行。 0.1控制理论的产生及其发展 自动控制思想及其实践可以说历史悠久。 早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。 0.1控制理论的产生及其发展 而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫（I.Polzunov）的浮子水位调节器最有历史意义。 0.1控制理论的产生及其发展 1868年以前，自控装置和系统的设计还处于直觉阶段，没有系统的理论指导，各项性能（如稳、准、快）的协调控制方面经常出现问题。 十九世纪后半叶，许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究，并对控制系统的性能改善产生了积极的影响。 1868年，麦克斯威尔（J.C.Maxwell）建立了飞球控制器的微分方程数学模型，并根据微分方程的解来分析系统的稳定性。 1877年，罗斯（E.J.Routh）提出了不求系统微分方程根的稳定性判据。 1895年，霍尔维茨（A.Hurwitz）也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据。 第二次世界大战前后，由于自动武器的需要，为控制理论的研究和实践提出了更大的需求，从而大大推动了自控理论的发展。 1948年，数学家维纳(N.Wiener)的《控制论》(CYBERNETICS)一书的出版，标志着控制论的正式诞生，并发现了极为重要的反馈概念 。 0.1控制理论的产生及其发展 1788年，James Watt 为控制蒸汽机速度设计的离心调节器，是自动控制领域的第一项重大成果。 1884年：E. J. Routh提出劳斯稳定性判据。 1892年：A. M. Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论。 1895年：A. Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据。 1932年：H. Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据。 1945年：H. W. Bode提出反馈放大器的一般设计方法。 0.1控制理论的产生及其发展 0.1控制理论的产生及其发展 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期 着重解决单输入单输出（SISO-Single Input Single Output） 线性定常系统的控制问题； 它的主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数，常以各种图表（如：Nichles图、Bode图、Nyquist图、Routh表、根轨迹等）作为系统分析和综合的主要工具；主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法；主要研究问题是控制系统的快速性、稳定性及其精度。 在古典控制理论发展的后期，也曾研究过多变量系统和非线性系统，但从整体上看，它是以研究单变量线性定常系统为主的。 0.1控制理论的产生及其发展 经典控制理论的局限在于： （1）它只适用于单输入单输出线性定常系统。对于时变系统、复杂非线性系统和多输入多输出系统则无能为力。 （2）用经典控制理论设计控制系统只能根据幅值裕度、相角裕度、超调量、调节时间等性能指标来笼统地确定校正装置，这种设计方法在很大程度上是人为的，对于同一种要求可以设计出几个性能和质量不同的系统，但无法确定哪种系统是最优的。 （3）经典控制理论在设计时无法考虑初始条件，并且不便于使用计算机分析和设计。 0.1控制理论的产生及其发展 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期 着重解决多输入多输出（MIMO-Multi-Input Multi-Output）系统和非线性系统的控制问题； 主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论等等； 主要方法是状态空间法、变分法、极大值原理、动态规划理论等；重点是最优控制、随机控制和自适应控制；核心控制装置是电子计算机； 现代控制理论与经典控制理论相比有许多优点，它适用于MIMO系统，这些系统可以是线性的，也可以是非线性的，可以是定常的，也可以是时变的。 0.1控制理论的产生及其发展 第三阶段是七十年代的大系统理论时期 着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题； 方法是时域法为主；重点是大系统多级递阶控制；核心装置是网络化的电子计算机。 从控制论的观点看，人是最巧妙，最灵活的控制系统。它善