对非线性问题的处理办法课件.ppt

1、关于制造业 制造业是“永远不落的太阳”，是现代文明的支柱之一；它既占有基础地位，又处于前沿关键，既古老又年轻；它是工业发展的主体，是国民经济持续发展的急促。甚至可以讲，没有“制造业”，就没有人类。制造业是立国之本制造业是立国之本 2010年，我国成功跻身世界第一制造业大年，我国成功跻身世界第一制造业大国国关于制造业美国：20世纪后期，去工业化，金融业大发展，经济萧条，失业率高。近几年，奥巴马政府将“再工业化”作为一种国家战略来实施。“买美国货”、制造业促进法案。实质是推动美国制造业脱胎换骨，催生一种新的生产方式。关于制造业德国：制造业强国，工业3.0的佼佼者，美国“再工业化”，感受到了强大的压

2、力，提出“工业4.0”战略。德国所谓的Industry4.0是指利用物联信息系统(CyberPhysicalSystem)将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。四次工业革命德国工业4.0的战略要点 建一个网络：CPS 研究两大主题：智能工厂和智能生产 实现三项集成：横向集成、纵向集成与端 对端的集成 实施八项计划工业4.0下的产品特点 集成了信息存储、传感、无线通信功能 产品是信息载体：产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息。产品是一个agent：产品会影响其所在环境。产品具有自监测功能：产品会对其自身状态和环境进行监测。工业4.0下

3、的数据挖掘与知识发现 大数据 制造业存储了超过其他工业部门的数据 从2010年以来新产品数据达到接近2艾字节（）：仪器仪表产品、供应链管理系统、产品全生命周期系统。162工业4.0下的多模式交互智慧工厂中的机器人技术智慧工厂中的职能装配中国制造2025 2015年5月，李克强总理签署，中国版的“工业4.0”规划中国制造2025。规划开篇指出“制造业是国民经济的主体，是立制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造

4、业，就没有的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。世界强国的必由之路。”中国制造2025 中国制造2025提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到第一步，到2025年迈入制造强年迈入制造强国行列；第二步，到国行列；第二步，到203

5、5年我国制造业整体达到年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。合实力进入世界制造强国前列。？中国制造2025 中国制造2025提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，坚持“市场主导、政府引导，立足当前、着眼长远，整体推进、重点突破，自主发展、开放合作”的基本原则，通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到第一步，到2025年迈入制造强年迈入制造强国行列；第二步，到国行列；第二步，到

6、2035年我国制造业整体达到年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国世界制造强国阵营中等水平；第三步，到新中国成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综成立一百年时，我制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。合实力进入世界制造强国前列。？专业技术基础课专业技术基础课课程性质课程性质:授课对象授课对象:机械制造及自动化本科学生机械制造及自动化本科学生课程特点：课程特点：1.抽象，概括，涉及范围广2.非常重要和有用的科学理论，一门卓越的方法论 3.前期课程基础：数学数学、力学、电学 特别是：复变函数和积分变换 机械振动理论与交流电路理论4.学时太少，只能减减减。

7、要求要求:1.1.上课一定上课一定要带要带的三样东西：的三样东西：课本、笔、本子课本、笔、本子 可以可以不用带不用带的东西：的东西：手机手机2.2.按时上课，按时上课，不迟到不迟到。3.3.课后认真完成作业，课后认真完成作业，不偷懒不偷懒。注意：注意：单双周上课，本周为双周单双周上课，本周为双周第一章 绪论第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 机械工程控制论的研究对象与任务机械工程控制论的研究对象与任务1.2 1.2 系统及其数学模型系统及其数学模型1.3 1.3 反馈反馈1.4 1.4 系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.5 1.5 机械制造的发展与控制理论的

8、应用机械制造的发展与控制理论的应用1.6 1.6 控制理论发展的简单回顾控制理论发展的简单回顾1.71.7本课程的特点与学习方法本课程的特点与学习方法第一章 绪论控制控制 对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。控制的例子：控制的例子：走路、驾驶、火炮打飞机1943年，维纳年，维纳行为，目的和目的论行为，目的和目的论的发表是控制论萌芽的的发表是控制论萌芽的实物标志实物标志 1948年，维纳所著年，维纳所著控制论控制论的出版，标志着这门学科的正式的出版，标志着这门学科的正式诞生诞生 控制论控制论第一章 绪论控制论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制

9、论与其它学科结合，形成众多的分支学科。控制论控制论经济学经济学社会学社会学生物学生物学工程技术工程技术经济控制论经济控制论社会控制论社会控制论生物控制论生物控制论工程控制论工程控制论机械工程机械工程机械工程控制论机械工程控制论1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统广义系统的动力学动力学问题。具体地说，它研究的是工程技术中的广义系统在一定的外界条件（即输入或激励，包括外加控制与外加干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由内部的固有特性固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程所决定的整个动态历程；研究这一系统系统及其输入

10、、输出三者及其输入、输出三者之间的动态关系。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统广义系统的动力学动力学问题。系统系统(广义系统广义系统):按一定的规律联系在一起的元素的集合。系统与外界的交互作用：外界对系统的作用：输入、干扰系统对外界的作用：输出（响应）1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统广义系统的动力学动力学问题。系统系统(广义系统广义系统):系统框图如下系统框图如下:广义系统:具备系统要素的一切事物或对象。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统广义系统的动力学动

11、力学问题。广义系统广义系统:1.供需关系和物价2.研究某台机床在切削加工过程中的动力学问题时，切削加工过程本身是一广义系统；当研究此台机床所加工的某些质量指标时，这一工件本身可作为一广义系统；当研究此台机床的操作者在加工过程中的作用时，操作者本身或操作者的思维等则可作为一广义系统。1.1 机械工程控制论的研究对象与任务 工程控制论实质上是研究工程技术中广义系统广义系统的动力学动力学问题。动力学问题：动力学问题：系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。这一过程中，系统系统及其输入

12、输入、输出输出三者之间的动态关系动态关系即为系统的动力学问题。例.弹簧质量阻尼单自由度系统。分析：这是同一个系统，不同的外界作用1.1 机械工程控制论的研究对象与任务是输出。是输入，解：对于系统)()(,tytfa可得：根据牛顿第二定律，受三个力的作用对于物体,m)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp可得：定律，是输出，根据牛顿第二是输入，对于系统)()(,tytxb)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp00)0(,)0()1yyyy初始状态：)()22与外界无关系统的固有特性：kcpmp)(),()3系统的输入或激励外界的作用：tftxkcp,1)4

13、的关系）：外界作用方式（与外界)()5ty统的输出）：系统对输入的响应（系)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp)(),()()(2微分算子dtdptftykcpmp)(),()()()(2微分算子dtdptxkcptykcpmp上式中y(t)为微分方程的解，显然它是由系统的初始条件，系统的固有特性，系统的输入及系统与输入之间的关系决定。对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系。2)系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应。3

14、)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应。基本的动力学问题基本的动力学问题。注意：注意：系统的初始状态也可视为一种特殊的输入，即初始输入或初始激励。当初态不为0时，即使无输入，系统的状态也不断改变，这就是自由运动。工程控制论的内容可归纳为如下工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：个方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制最优控制问题；（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计最优设计问题；（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息，此即滤波与预测滤波与预测问题；（5）已知系统的

15、输入和输出，求系统的结构与参数，即系统辨系统辨识识问题。1.2系统及其模型 1.系统:我们所研究的“系统”就是由相互联系、相互作用的若干部分构成，而且有一定的目的或一定的运动规律的一个整体。其实，在自然界、社会界、工程界中，存在着各式各样的系统，任何一个系统莫不处于同外界（即同其他系统）相互联系之中。学会以“系统”的观点认识、分析、处理客观对象，是科学技术发展的需要，也是人类在认识论与方法论上的一大进步。一个系统的特性并不能看成是组成他的元件或子系统的特性的简一个系统的特性并不能看成是组成他的元件或子系统的特性的简单总和单总和。注意注意1.2系统及其模型 1.系统:mky(t)f(t)(ty)

16、(ty孤立地考察这两个元件，特性十分简单：孤立地考察这两个元件，特性十分简单：质量块的加速度与受到的力成正比，即牛顿第二定律；则与受到的力成正比，即虎克定律。假定弹簧是线性的，弹簧的变形可是两者构成系统后，系统的动力学方程为：可是两者构成系统后，系统的动力学方程为：00)0()0()()()(yyyytftkytym 这一动力学方程表现出来的性质却比两个元件各自的性质复杂得多。以实现一定的机械运动，承受一定的机械载荷为目的，由机械元件组成的系统，称为机械系统机械系统。机械系统的输入输出，往往分别称为“激励激励”与“响响应应”。机械系统的“激励”一般是外界对系统的作用，如作用在系统上的力，即载荷

17、等。而“响应”则一般是系统的变形或位移等。一个系统的激励，如果是人为地，有意识地加上去的，往往又称为“控制控制”，而如果是偶然因素产生而一般无法完全人为控制的，则称为“扰动扰动”。1.2系统及其模型 2.机械系统:3.静态模型与动态模型:模型是研究系统、认识系统与描述系统、分析系统的一种工具。在我们这里模型是指一种用数学方法所描述的抽象的理论模型，用来表达一个系统内部各部分之间，或系统与其外部环境之间的关系，故又称为数学模型数学模型。数学模型数学模型又包括静态模型静态模型和动态模型动态模型。动态模型在一定的条件下可以转换成静态模型。在控制理论或控制工程中，一般关心的是系统的动态特性，因此，往往

18、需要采用动态数学模型。静态模型反映系统在恒定载荷或缓变作用下或在系统平衡状态下的特性，现时输出仅由其现时输入所决定，一般以代数公式描述。1.2系统及其模型 动态模型反映系统在迅变载荷或在系统不平衡状态下的特性，现时输出还由受其以前输入的历史的影响，一般以微分方程或差分方程描述。)()()()(tFtkxtxctxm系统动态模型：0,0()()/xxx tF tk当系统运动很慢时，其，上式可简化为，这是系统的静态模型。3.静态模型与动态模型:1.2系统及其模型 系统的输出，部分或全部地被反过来用于控制系统的输入，称为系统的反馈。1.31.3反馈反馈 1、定义、定义:系统之所以有动态历程，系统及其

19、输入、输出之间之所以有动态关系，就是由于系统本身有着信息的反馈。例5：解：如果负载变化，使增加-离心机构滑套上移-液压滑阀上移，动力活塞下移，油门关小，减小-直到滑阀回复中位，回复到设定值。通过检测系统的实际输出值，并与设定值进行比较，反过来又作用于系统，形成反馈，进而调节系统的输出，本例中的反馈表现为变化所引起的信息传递与交互。2、内反馈与外反馈、内反馈与外反馈外反馈：外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。内反馈：内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本

20、原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。1.31.3反馈反馈 显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。例：m-c-k系统)()()()()()()()(2222tkydttdyctfdttydmtftkydttdycdttydm或解：由题可得：加热电阻丝220V调压器人工控制的恒温箱 温度计例7：人工控制恒温箱调节过程：观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较，得到温度 偏差的大小和方向1、控制系统工作原理反馈的例子反馈的例子 根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电 阻丝的电流以调节温度回复到要求值。人

21、工控制过程的实质：检测偏差再纠正偏差检测偏差再纠正偏差。大脑手调压器恒温箱眼睛实际温度期望温度人工控制恒温箱系统功能框图温度计加热电阻丝220V调压器热电偶给定信号比较电压放大器功率放大器执行电动机减速器u2u1+u恒温箱自动控制系统例恒温箱自动控制系统工作原理：恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2 恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度 u2比较得到温度偏差信号uu1 u2温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动 执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触 头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向 运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为 止，此时，偏差u0，电机停止转动。系统功能框

22、图如下所示：给定信号电压功率放大器控制电机减速器调压器恒温箱(控制对象)热电偶u1u2uuanvu温度t(被控量)扰动恒温箱自动控制系统功能框图从恒温箱控制系统功能框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量。也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系 统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏 差（给定信号与返回的输出信号之差）信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部 分输出信号称为反馈信号。综上所述，控制系统的工作原理：综上所述，控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值将输出量的实际值与给定值（输入量）进行

23、比 较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得 输出量维持期望的输出。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。这种基于反馈原理，能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间既定关系的系统。称为反馈控制系统。反馈控制系统具备测量、比较和执行三个基本功能。注意：注意：反馈控制系统中，反馈信号是与给定信号相减，使偏差越来越小，称为负反馈。负反馈控制是实现自动控制最基本的方法。1.41.4系统的分类及对控制系统的

24、基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.按有无反馈来分一、系统的分类一、系统的分类 开环控制系统 闭环控制系统特点特点：系统仅受输入量和扰动量控制；输出端和输入端之间不存在反馈回路；输出量在整个控制过程中对系统的控制不产生任何影响。输入装置指令系统输入控制装置伺服驱动装置工作台工作台 位置系统输出数控机床的开环控制系统框图 开环控制系统开环控制系统优点优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。闭环控制系统闭环控制系统优点优点：精度高，对外部扰动和系统参数变化不敏感 特点特点：输出端和输入

25、端之间存在反馈回路，输 出量对控制过程有直接影响。闭环的作用：应用反馈，减少偏差。缺点缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分 析和设计麻烦。程序控制系统如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。自动调节系统（定值跟踪系统）随动系统（伺服系统）1.41.4系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求1.按输入量的变化规律和输出量的变化特性来分一、系统的分类一、系统的分类过程控制系统（生产过程自动控制系统）自动调节系统（定值跟踪系统）自动调节系统（定值跟踪系统）系统输入为常量，在外界干扰作用下，系统的输出仍能基本保持为常量的系统。此系统是闭环系统。此系统是闭环系统。是以机械量

26、（位移、速度、加速度）为输出量的反馈控制系统。输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。例：炮瞄雷达系统就是随动系统。飞机的位置是输入，高射炮的指向是输出，高射炮的指向随飞机位置的变动而变动。此系统为闭环系统此系统为闭环系统 随动系统（伺服系统）随动系统（伺服系统）输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如数控加工系统。全自动洗衣机和计算机的打印机也属于程序控制系统。程序控制系统和随动系统的输入量均为时间的函数，不同之处是前者的输入是已知

27、的，后者的输入则是未知的。可以是开环也可以是闭环系统可以是开环也可以是闭环系统程序控制系统程序控制系统 过程控制系统是以表征生产过程的参数如温度、压力、流量、液位、成分、浓度或PH值等为被测量的反馈控制系统。通过对过程参数的反馈控制，可使之接近给定值或保持在给定范围内，从而使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。过程控制在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材等部门有广泛应用。过程控制系统（生产过程自动控制系统）过程控制系统（生产过程自动控制系统）经典控制理论中，描述控制系统运动过程的最基本的数学模型是一个或一组微分方程和代数方程。3.3.线性和非线性系统线性和非线性系统线性系统 若系统的

28、数学模型的表达式是线性的，则这种系统就是线性系统。线性系统最重要的特性就是可以运用叠加原理叠加原理。所谓叠加原理是，系统在几个外加作用下所产生的响应，等于各个外加作用单独作用的响应之和。)()()()(tdytcxtxbtxa )()()()()()()()(tytdtxtctxtbtxta a)线性定常系统 用线性常微分方程描述的系统。如：b)线性时变系统 描述系统的线性微分方程的系数为时间的函数，如：如火箭的发射过程，由于燃料的消耗，火箭的质量随时间变化，重力也随时间变化。式中：a、b、c、d均为常数3.3.线性和非线性系统线性和非线性系统线性系统非线性系统 用非线性方程描述的系统称为非线

29、性系统。如：)()()()()()(22tytxtxtxtxty 非线性系统的重要特性，是不能运用叠加原理。系统中包含非线性因素，给系统的分析和研究带来了复杂性。3.3.线性和非线性系统线性和非线性系统线性化忽略非线性因素用非线性系统的分析方法来处理对非线性问题的处理办法：对非线性问题的处理办法：单变量系统是只有一个输入量和一个输出量的系统，又称单输入单输出系统。在自动控制系统中，许多简单的或基本的控制系统往往都是单变量系统。多变量控制系统是具有多个输入量或输出量的控制系统，又称多输入多输出系统。同单变量系统相比，多变量系统的控制复杂得多。在多变量控制系统中，被控对象、测量元件、控制器和执行元

30、件都可能具有一个以上的输入变量或一个以上的输出变量。4.4.单变量和多变量系统单变量和多变量系统闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成给定环节：给定环节：给出输入信号的环节，用于确定被控对象的目标值。测量环节：测量环节：用于测量被控量，并将被控量转换为便于传送的另 一个物理量。比较环节：比较环节：输入量和反馈量进行比较得到一个小功率的偏差信 号。放大及运算环节：放大及运算环节：对偏差信号进行功率放大，以便推动执行环节。常用的放大类型有电流放大、电气-液压放大等。闭环控制系统的组成闭环控制系统的组成执行环节执行环节：接收放大环节送来的控制信号，驱动被控对象按照 预期的规律运行。执行环节一般是一个有

31、源的功率放大装置，工作中要进行能量转换。例如，把电能通过直流电机转换成机械能，驱动被控对象做机械运动。给定环节、测量环节、比较环节、校正放大环节和执行环节一起，组成了这一控制系统的控制部分，目的是对被控对象实现控制。1.41.4系统的分类及对控制系统的基本要求系统的分类及对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求系统的稳定性系统的稳定性响应的快速型响应的快速型响应的准确性响应的准确性 系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。际需求合理选择。注意：注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求不

32、同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。各有侧重。1.5机械制造的发展与控制理论的应用工工 业业 控控 制制国国 防防 应应 用用家家 用用 电电 器器消费类产品消费类产品控制无处不在控制无处不在控控制制技技术术应应用用 第一颗人造卫星（苏联，第一颗人造卫星（苏联，19571957年）年）第一颗载人飞船（苏联，第一颗载人飞船（苏联，19611961年）年）人类首次登上月球（美国，人类首次登上月球（美国，19691969年）年）首架航天飞机（美国，首架航天飞机（美国，19811981年）年）首次冲出太阳系（美国，首次冲出太阳系（美国，19891989年）年）仿人机器人（日本，仿人

33、机器人（日本，20012001年）年）神州五号载人航天成功（中国，神州五号载人航天成功（中国，20032003年）年）勇气号、机遇号火星探测器（美国，勇气号、机遇号火星探测器（美国，20042004年）年）控制技术控制技术 应用举例应用举例 (1)工工 业业 控控 制制 电机控制电机控制 机床控制机床控制 生产过程自动化控制生产过程自动化控制 机器人控制机器人控制.控制技术的应用控制技术的应用 海洋探测机器人海洋探测机器人1990年日本海洋科技中心 研制的“海沟号”缆控式无人潜水器（左）及其在大海中工作时的情况（右）CR-01型型6000米水下无缆机器人米水下无缆机器人1995年8月我国沈阳自

34、动化所机器人中心研制的CR-01型6000米水下无缆机器人（上）和正在下水的情况（右）瑞典博福斯公司研制的“双鹰”水下扫雷机器人 一个典型的运动控制系统 船用火力发电综合控制系统船用火力发电综合控制系统 家家 用用 电电 器器 冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机 家庭影院家庭影院 微波炉微波炉.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (2)消费类产品消费类产品 WalkMan U盘、盘、MP3 手机应用产品手机应用产品.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (3)32、64等合弦音MCU芯片智能楼宇的控制智能楼宇的控制控制技术控制技术 应用举例应用举例 (4)可视对讲、室内报警、远程家电控制可视对讲、室内报警

35、、远程家电控制.楼楼 宇宇 电电 梯梯 的的 控控 制制信信号号检检测测供供电电系系统统电机电机(执行机构执行机构)可编程序可编程序控制器控制器ProgrammableLogicController电机控制器电机控制器汽车电子汽车电子汽汽 车车 电电 子子电源电源发动机控制发动机控制行驶装置行驶装置报警与安全装置报警与安全装置旅居性旅居性仪表仪表娱乐通讯娱乐通讯收音机、汽车电话、业余电台收音机、汽车电话、业余电台点火装置、燃油喷射控制、点火装置、燃油喷射控制、发动机电子控制发动机电子控制车速控制、间歇刮水、车速控制、间歇刮水、除雾装置、车门紧锁除雾装置、车门紧锁.安全带、车灯未关报警、安全带、

36、车灯未关报警、速度报警、安全气囊速度报警、安全气囊.空调控制、动力窗控制空调控制、动力窗控制里程表、数字式速度表、里程表、数字式速度表、出租车用仪表出租车用仪表.控制技术控制技术 应用举例应用举例 (5)21世纪世纪 绿色绿色 环保汽车环保汽车EV安全、舒适、可靠安全、舒适、可靠无废气排放无废气排放(零零 排放排放)高效率高效率EV?机机电电 机电一体化EV充电系统充电系统电池管理系统电池管理系统汽车照明、汽车照明、电动转向、空调、电动转向、空调、音响、雨刷、安全音响、雨刷、安全报警、电动门窗报警、电动门窗.电电 子子机械机械驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统控制控制控制控制口语

37、汽车导航系统使用情景示意图口语汽车导航系统使用情景示意图汽车汽车GPS定位，定位，GIS导航，导航，GSM通信通信单片机单片机控制器控制器应用应用自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。有强大生命力的新兴学科。自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；展和成熟；第二阶段：

38、现代控制理论的兴起和发展；第二阶段：现代控制理论的兴起和发展；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段；第四阶段：智能控制发展阶段。第四阶段：智能控制发展阶段。1.6控制理论发展的简单回顾经典控制理论经典控制理论瓦特瓦特1769 年瓦特（年瓦特（James Watt）的蒸）的蒸汽机及他的离心式飞锤调速器建汽机及他的离心式飞锤调速器建立了蒸汽机转速自动控制系统，立了蒸汽机转速自动控制系统，出现了反馈的概念，出现了反馈的概念，“调节器调节器”或或“飞球调节器飞球调节器”用于调节用于调节蒸汽流，以便确保引擎工作时速蒸汽流，以便确保引擎工作时速度大致均匀，这是当时反馈调节

39、度大致均匀，这是当时反馈调节器最成功的应用，它的出现器最成功的应用，它的出现标志着英国工业革命的开始，但标志着英国工业革命的开始，但也发现了闭环系统可能出现振荡也发现了闭环系统可能出现振荡的现象瓦特是一位实干家，的现象瓦特是一位实干家，他没有对调节器进行理论分析他没有对调节器进行理论分析 瓦特的蒸汽机瓦特的蒸汽机离心调速器工作原理离心调速器工作原理工作原理：工作原理：进入蒸汽缸中的进入蒸汽缸中的蒸汽量，可根据蒸汽机的希蒸汽量，可根据蒸汽机的希望转速与实际转速的差值自望转速与实际转速的差值自动地进行调整。它的工作原动地进行调整。它的工作原理是：根据希望的转速，设理是：根据希望的转速，设置输入量置

40、输入量(控制量控制量)。如果实。如果实际转速降低到希望的转速值际转速降低到希望的转速值以下，则调速器的离心力下以下，则调速器的离心力下降，从而使控制阀上升，进降，从而使控制阀上升，进入蒸汽机的蒸汽量增加，于入蒸汽机的蒸汽量增加，于是蒸汽机转速随之增加，直是蒸汽机转速随之增加，直至上升到希望的转速值时为至上升到希望的转速值时为止。止。反之，若蒸汽机的转速增反之，若蒸汽机的转速增加到超过希望的转速值，加到超过希望的转速值，调速器的离心力便会增加，调速器的离心力便会增加，造成控制阀向下移动。这造成控制阀向下移动。这样就减少了进入蒸汽机的样就减少了进入蒸汽机的蒸汽量，蒸汽机的转速也蒸汽量，蒸汽机的转速

41、也就随之下降，直到下降至就随之下降，直到下降至希望的转速时为止。希望的转速时为止。离心调速器工作原理离心调速器工作原理 1868年：年：J.C.Maxwell发表发表调速器调速器，提出反馈，提出反馈控制的概念及稳定性条件。控制的概念及稳定性条件。1895年，数学家劳斯（年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统的稳定性）分别独立地提出了高阶系统的稳定性判据，即判据，即Routh和和Hurwitz判据。判据。二 战 期 间（二 战 期 间（1 9 3 8-1 9 4 5 年）奈 奎 斯 特年）奈 奎 斯 特（H.Nyquist）提出了频率响应理论

42、）提出了频率响应理论 1948年，伊万年，伊万斯（斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理论的基本特征经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；）只用于单输入，单输出的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的

43、关系，而忽）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。方法。现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。大局限性。随着航天事业和计算机的发展，随着航天事业和计算机的发展，20世纪世纪60年年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础

44、的现代控制理论理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。迅速发展起来。1954年贝尔曼（年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论提出动态规划理论1956年庞特里雅金（年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大）提出极大值原理值原理1960年卡尔曼（年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控提出多变量最优控制和最优滤波理论制和最优滤波理论现代控制理论现代控制理论大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较大系统的特征是：规模庞大、结构复杂（环节较多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因多、层次较多或关系复杂）、目标多样、影响因素众多，且常带有随机性的系统。这类系统

45、不能素众多，且常带有随机性的系统。这类系统不能采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分采用常规的建模方法、控制方法和优化方法来分析和设计，因为常规方法无法通过合理的计算工析和设计，因为常规方法无法通过合理的计算工作得到满意的解答。随着生产的发展和科学技术作得到满意的解答。随着生产的发展和科学技术的进步，出现了许多大系统，如电力系统、城市的进步，出现了许多大系统，如电力系统、城市交通网、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、交通网、数字通信网、柔性制造系统、生态系统、水源系统和社会经济系统等。水源系统和社会经济系统等。大系统理论大系统理论 是近年来新发展起来的一种控制技术，是人是近年来新发展起来

46、的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维复杂性提出来的，它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。智能才能解决的复杂的控制问题。智能控制是从智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。一般的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。

47、网络控制、和专家控制等方法。智能控制智能控制1.8本课程的特点与学习方法l 本课程的任务本课程的任务 控制系统性能分析动态性能：过渡过程分析、稳定性分析等稳态性能：控制精度（稳态误差）控制系统设计选择适当的控制器及控制规律以改善控制系统的性能使其满足控制要求。控制系统的性能分析和设计通常是交替进行的。控制系统分析和设计一般包括：建立控制对象的数学模型（线性化模型）对象的性能分析、仿真 选择控制方案（开环/闭环；线性/非线性等）选择性能指标，设计控制器 全系统性能分析、仿真 研制控制器，构建控制系统 试验验证l 本课程主要内容本课程主要内容 控制系统数学模型的建立 控制系统的时域分析 控制系统的频域分析 控制系统稳定性分析 控制系统的设计和校正介绍经典控制理论的基础知识，包括：