1、1智能控制基礎上海大學-機電工程與自動化學院-自動化系1.2 控制理論概述1. 緒論1.2 控制理論概述1.2.1 若干典型的控制系統示例1.2.3 古典控制理論1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程1.2.4 現代控制理論1.2.5 后現代控制理論1.2 控制理論概述1.2.1 若干典型的控制系統示例1.2.3 古典控制理論1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程1.2.4 現代控制理論1.2.5 后現代控制理論電容-電感-電阻電路系統 (Resistor-Inductor-Capacitor Circuit System）1.2.1 若干典型的控制系統示例質量-彈簧-阻尼機械系統 (Ma

2、ss-Spring-Damper Mechanical System)1.2.1 若干典型的控制系統示例液位控制系統 (Liquid level Control system)1.2.1 若干典型的控制系統示例溫度控制系統 (Electric heating furnace system)1.2.1 若干典型的控制系統示例倒立擺姿態控制系統 (Inverted Pendulum System)1.2.1 若干典型的控制系統示例衛星/火箭姿態控制系統 (Rocket/ Guided-missile system)1.2.1 若干典型的控制系統示例1.2 控制理論概述1.2.1 若干典型的控制系統

3、示例1.2.3 古典控制理論1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程1.2.4 現代控制理論1.2.5 后現代控制理論控制系統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程控制系統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程預處理信號與系統控

4、制任務第一步： 系統建模(System Modeling)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程信號測量輸出信號測量噪聲信號系統干擾信號控制輸入信號參考輸出信號被控對象執行器傳感器控制器第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程信號與系統控制任務跟蹤/穩定； 控制目標函數 開環控制系統(Open loop control systems)(1). 在系統響應遠離設定值區域時，可采用開關模式進行控制，使系統快速向設定值回歸；(2).在極值附近時減少控制量直到誤差趨勢漸小時，保持控制開環控制第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析

5、與設計的一般流程 閉環控制系統 (Closed loop (feedback) control systems) (1). 在系統響應遠離設定值區域時，可采用開關模式進行控制，使系統快速向設定值回歸；(2).在極值附近時減少控制量直到誤差趨勢漸小時，保持控制閉環控制第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程預處理信號與系統控制任務建模基于機理的建模基于數據的建模第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程基于機理的建模電路系統-電路理論 Kirchhoffs Laws et.al機械系統-機械力學 EulerLagr

6、ange equation Newtons second law et.al熱力系統-熱力學 Thermodynamic equations et.al電磁系統-電磁學 Maxwells equations et.al流體控制系統-流體力學 NavierStokes equations et.al過程(冶金/化工)控制系統 CahnHilliard equation et.al. . 第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程數學模型：基于機理的建模方法示例-RLC串聯電路第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程

7、輸入信號 ur 輸出信號 uc。 建模依據：Kirchhoffs 電壓定理基于機理的建模方法示例-質量-彈簧-阻尼機械系統第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程輸入信號 F 輸出信號 y 數學模型：建模依據：牛頓力學原理基于機理的建模電路系統-電路理論 Kirchhoffs Laws et.al機械系統-機械力學 EulerLagrange equation Newtons second law et.al熱力系統-熱力學 Thermodynamic equations et.al電磁系統-電磁學 Maxwells equations et.al流體

8、控制系統-流體力學 NavierStokes equations et.al過程(冶金/化工)控制系統 CahnHilliard equation et.al. . 基于數據的建模白箱模型 (White Box) 結構已知 參數未知 (Parameter Identification)灰箱模型 (Gray Box) 結構未知&固定 參數未知黑箱模型(Black Box) 結構未知&待定 參數未知第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程系統辨識/參數辨識預處理信號與系統控制任務建模基于機理的建模基于數據的建模后處理線性化 / 空間離散化模型降階 / 模型

9、補償第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程LinearizationSpatialDiscretizationModel Order ReductionDissipative Enforcement線性模型偏微分方程高階模型非耗散模型非線性模型常微分方程低階模型耗散模型線性化空間離散化模型降階模型補償第一步： 系統建模(System Modeling) 控制系統分析與設計的一般流程控制系統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System

10、Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程控制系統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程穩定性漸進穩定/指數穩定全局穩定/半全局穩定/局部穩定第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程穩定性漸進穩定/指數穩定全局穩定/半全局穩定/局部穩定第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程穩定性漸進穩定/指數穩定全局穩定/半全局

11、穩定/局部穩定可控/可觀可控性/可穩性可觀性/可檢性第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程可控/可觀可控性/可穩性可觀性/可檢性第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程穩定性漸進穩定/指數穩定全局穩定/半全局穩定/局部穩定可控/可觀可控性/可穩性可觀性/可檢性耗散性無源性（正實） /收縮性（有界實）負虛性第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程耗散性無源性（正實） /收縮性（有界實）負虛性第二步：系統分析(System Analysis) 控制系統分析與設計的一般流程控制系

12、統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程控制系統設計的經典(基于模型)方法第一步： 系統建模(System Modeling)第二步： 系統分析(System Analysis)第三步： 系統綜合(System Synthesis)1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程PlantActuatorSensorControllerDesigning control low:控制器設計第三步： 系統綜合(Syste

13、m Synthesis) 控制系統分析與設計的一般流程控制器設計設計任務 鎮定/跟蹤 (Stabilization/Tracking) 第三步： 系統綜合(System Synthesis)控制器設計設計任務 鎮定/跟蹤 (Stabilization/Tracking) 控制器結構動態控制器（全階/低階/PID）, 靜態控制器控制性能LQR/LQG; Hinf/H2; 最小二乘；上升時間/超調量, 反饋形式狀態反饋；輸出反饋第三步： 系統綜合(System Synthesis)PlantSensorFilterDesigning filter第三步： 系統綜合(System Synthesis

14、)濾波器設計濾波器設計設計任務 濾波/平滑/故障檢測 (Stabilization/Tracking) 第三步： 系統綜合(System Synthesis)故障檢測 濾波1.2 控制理論概述1.2.1 若干典型的控制系統示例1.2.3 古典控制理論1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程1.2.4 現代控制理論1.2.5 后現代控制理論1經典控制理論單變量控制，隨動/調節，微分方程和傳遞函數，頻率響應法3后現代控制理論2現代控制理論 多變量控制、最優控制，時域法，狀態方程基于模型的控制基于智能的控制控制理論發展簡史1. 經典控制理論(4050s)uy僅考慮系統輸入輸出關系的模型研究對象-單輸

15、入單輸出線性時不變系統 (傳遞函數模型)1.2.3 古典控制理論研究對象-單輸入單輸出線性時不變系統 (傳遞函數模型)1. 經典控制理論(4050s)例子： 通過調節電壓來改變馬達的轉速例子： 通過調節閥門的開度來改變水位高度1.2.3 古典控制理論1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述的更復雜的系統中,各自提出了兩個著名的穩定性判據勞斯判據和赫爾維茨判據。基本上滿足了二十世紀初期控制工程師的需要。 標志性成果-勞斯判據和赫爾維茨判據1. 經典控制理論(4050s)1.2.3 古典控制理論1. 經典控制理論(4050s)標志性成果-奈奎

16、斯特穩定判據用于判斷一個閉環控制系統的穩定性的一種簡便方法，其基本方法為檢查對應開環系統的奈奎斯特圖，使用奈奎斯特穩定判據則可避免計算閉環系統的極點，從而簡易地判斷閉環系統的穩定性。的奈奎斯特圖1.2.3 古典控制理論1. 經典控制理論(4050s)標志性成果-Evans 根軌跡法 (1948)一種求特征根的簡單方法. 不直接求解特征方程，用作圖的方法表示特征方程的根與系統某一參數的全部數值關系，當這一參數取特定值時，對應的特征根可在上述關系圖中找到。可分析結構和參數已知的閉環系統的穩定性和瞬態響應特性，還可分析參數變化對系統性能的影響。RL = root locus; ZARL = zero

17、 angle root locus1.2.3 古典控制理論1. 經典控制理論(4050s)標志性成果-齊格勒尼科爾斯PID參數整定方法首先將積分和微分增益設置為0，然后比例增益從零開始逐漸增加，直到到達極限增益KU，此時控制器輸出值以恒定值振蕩。KU和振蕩周期TU根據不同的類型，按下表所示設置比例、積分和微分增益。1.2.3 古典控制理論1. 經典控制理論(4050s)標志性成果-維納和他的控制論-關于在動物和機器中控制和通信的科學書中系統地闡述了控制理論的一般原理和方法，-標志控制學科的正式誕生；1.2.3 古典控制理論1. 經典控制理論(4050s)標志性成果-錢學森和他的工程控制論195

18、4年，錢學森的工程控制論一書在美國出版，奠定了工程控制論的基礎。1.2.3 古典控制理論1.2 控制理論概述1.2.1 若干典型的控制系統示例1.2.3 古典控制理論1.2.2 控制系統分析與設計的一般流程1.2.4 現代控制理論1.2.5 后現代控制理論研究對象-多輸入多輸出線性系統（狀態空間模型）2. 現代控制理論(6070s)x1,x2, x3, xnu1u2upy1y2yq同時考慮系統的外部變量（輸入、輸出）和內部變量（狀態變量）的模型1.2.4 現代控制理論標志性成果-龐特里亞金和他的極大值原理2. 現代控制理論(6070s)L.S. Pontryagin可用于最優控制，在某種指標意

19、義下，找出將動態系統的從某一狀態轉移到另一狀態的最優控制策略最初的應用是最大化火箭的終端速度1.2.4 現代控制理論標志性成果-貝爾曼和他的動態規劃2. 現代控制理論(6070s)美國R. Bellman（UCL）在RAND Coporation數學部的支持下，發表著名Dynamic Programming，建立最優控制的基礎(1957)1.2.4 現代控制理論2. 現代控制理論(6070s)標志性成果-卡爾曼和他的卡爾曼濾波從一組有限的，包含噪聲的，通過對物體位置的觀察序列（可能有偏差）預測出物體的位置的坐標及速度。在很多工程應用(如雷達、計算機視覺)該方法最初應用于解決阿波羅計劃的軌道預測

20、問題1.2.4 現代控制理論2. 現代控制理論(6070s)發表“On the General Theory of Control Systems”等論文，引入狀態空間法分析系統，提出能控性，能觀測性，最佳調節器和kalman 濾波等概念，奠定了現代控制理論的基礎(1960)R. E. Kalman標志性成果-卡爾曼和他的卡爾曼濾波(1956)1.2.4 現代控制理論2. 現代控制理論(6070s)1957. Laika. Sputnik 2Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satel

21、lite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film. 重要工程應用-第一顆人造地球衛星(Sputnik) 發射成功1.2.4 現代控制理論2. 現代控制理論(6070s)重要工程應用-重要載人宇宙飛船 (東方-號)發射(1961)1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was calculated by electronic computers). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters