从反馈到最优控制绪论.ppt

动态系统控制—从反馈到最优 郑恩辉 ehzheng@cjlu.edu.cn 中国计量学院机电分院 主要内容 动态系统控制发展概况 经典控制理论－反馈控制 现代控制理论－最优控制 ？ 控制理论发展的标志性成果 1788年，英国Watt利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速机。 1868年，麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，撰写了控制理论最 早的论文“论调节器”。 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。 1948年，伊万斯(W. K．Evans)又创立了根轨迹法。 1958年，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。 1965年，R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。 指南车复原模型 标志控制学科的诞生 1948年，美国数学家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。 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。 奠定了工程控制论的基础 1954年，钱学森的《工程控制论》在美国出版。 一个系统的不同部分之间相互作用的定性性质，以及由此决定的整个系统总体的运动状态 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 在20世纪初，PID调节概念的提出，导致了20年代在美国等国家开始采用PID调节器。 20年代，布莱克运用反馈概念说明电子放大器输出信号经变换后回送到输入端的电路原理(1927)，从而使反馈原理的研究和运用成为系统与控制科学中永恒的主题之一。 30年代，奈奎斯特、玻德等人建立了反馈放大器理论(1932)。著名的奈奎斯特稳定判据和玻德图为控制系统的分析与设计提供了有效的理论工具。 现代控制把反馈看作是一种处理不确定性的工具。在不知道系统准确的动态响应或者外部干扰使系统产生错误响应时，通过测量系统的输出，与参考量相比较，调整可用的控制变量，使系统有正确的响应。 最优控制是从大量实际问题中提炼出来的。 最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择控制规律才能使控制系统的性能和品质在某种意义下为最优。 换句话说：在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最优的控制规律。 受控系统数学模型一般可以表示为： 针对不同的具体问题，性能指标 J 一般可以取为不同的具体形式，如： ①最短时间问题： ②线性二次最优控制问题： ③线性伺服器问题： 除了特殊情况外，最优控制问题的解析解是比较复杂的，以至必须求其数值解。当指标为二次性能指标时，可以给出整齐的解析解。 最优控制问题有四个关键点： （1）受控对象为动态系统； （2）初始与终端条件（时间和状态）； （3）性能指标； （4）容许控制。 最优控制问题的实质：找出容许的控制作用或控制规律，使动态系统（受控对象）从初始状态转移到某种要求的终端状态，并且保证某种要求的性能指标达到最小值或者是最大值。 在反馈控制和最优控制中，都假定被控对象或过程的数学模型是已知的，并且具有线性定常的特性。实际上在许多工程中，被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的，即使在某一条件下被确定了的数学模型，在工况和条件改变了以后，其动态参数乃至于模型的结构往往会发生变化。 实际上，控制论的基本问题，即如何对系统施加控制作用使其表现出预定的行为，并不等于按其数学模型由预定轨道解一个“反问题”，以求出控制输入这样一个数学的问题。关键就在于存在各种不确定因素(Uncertainty)。 产生于20世纪70年代工业过程领域 MPHC Model Predictive Heuristic Control (France) DMC Dy