控制理论的发展及应用优秀PPT.ppt

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1、内容内容限制论简介限制论简介自动限制理论与技术的早期发展自动限制理论与技术的早期发展限制理论各阶段的特点限制理论各阶段的特点限制理论的进一步发展限制理论的进一步发展历史的思索历史的思索新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展一一 限制论简介限制论简介探讨各类系统的调整和限制规律的科学探讨各类系统的调整和限制规律的科学它是自动限制、通讯技术、计算机科学、数理它是自动限制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门综合性学多种科学技术相互渗透形成的一门综合性学科。科。它探讨生物体和机器以及各种

2、不同基质系统的它探讨生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和限制的过程，探讨它们共同具有的信通讯和限制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调整、自组织、自适应的原理息交换、反馈调整、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一大套适用于各门科学的概念、从而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。模型、原理和方法。Cybernetics，希腊，希腊语语，原意，原意为为掌舵掌舵术术，包含了，包含了调调整、操整、操纵纵、管理、指管理、指挥挥、监监督等多方面的督等多方面的涵涵义义1943年底在年底在纽约纽约召开了关于信召开

3、了关于信息、反息、反馈问题馈问题的探的探讨讨会，参与会，参与者中有生物学家、数学家、社者中有生物学家、数学家、社会学家、会学家、经济经济学家，从各自角学家，从各自角度度对对信息反信息反馈问题发馈问题发表看法。表看法。接接连实连实行的探行的探讨讨会，会，对对限制限制论论的的产产生起了推生起了推动动作用。作用。1948年年维纳发维纳发表限制表限制论论，限制科学限制科学诞诞生。生。限制论创始人维纳限制论创始人维纳限制论的三个发展时期限制论的三个发展时期I I：上世纪：上世纪5050年头，经典限制论时期。年头，经典限制论时期。代表作：代表作：19481948年维纳发表限制论年维纳发表限制论 1954

4、1954年钱学森发表的工程限制论。年钱学森发表的工程限制论。IIII：上世纪：上世纪6060年头，现代限制论时期。年头，现代限制论时期。限制论的重点从单变量限制到多变量限制，从自限制论的重点从单变量限制到多变量限制，从自动调整向最优限制，由线性系统向非线性系统转动调整向最优限制，由线性系统向非线性系统转变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学变。美国卡尔曼提出的状态空间方法以及其它学者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了者提出的极大值原理和动态规划等方法，形成了系统辨识、最优限制、自组织、自适应系统等现系统辨识、最优限制、自组织、自适应系统等现代限制理论。代限制理论。IIIIII：上世纪

5、：上世纪7070年头后：大系统理论时期。年头后：大系统理论时期。限制论由工程限制论、生物限制论向经济限制论、限制论由工程限制论、生物限制论向经济限制论、社会限制论发展。社会限制论发展。三部经典著作三部经典著作信息信息论论开端：开端：1948年香年香农农(C.E.Shannon)的的发发表在表在贝贝尔尔系系统统技技术杂术杂志上的志上的论论文文AMathematicalTheoryofCommunication限制限制论创论创立立:1948年年维纳维纳（N.Wienner）的）的经经典典论论著：著：CyberneticsorControlandCommunicationintheanimaland

6、themachines工程限制工程限制论论：1954年年钱钱学森学森(TsienHS)的著作的著作EngineeringCybernetics二二 自动限制技术的早期发展自动限制技术的早期发展数千年的数千年的历历史史“限制限制”：本身反映人：本身反映人们对们对折服自然与外在的渴望，折服自然与外在的渴望，“限制理限制理论论与技与技术术”也自然地在人也自然地在人类类相相识识自然与改造自然的自然与改造自然的历历史中史中发发展；展；具有反具有反馈馈限制原理的限制装置：古代的限制原理的限制装置：古代的计时计时器器“水水钟钟”(“刻漏刻漏”，也叫，也叫“漏漏壶壶”)；公元前三世公元前三世纪纪中叶，中叶，亚

7、历亚历山大里山大里亚亚城的城的Ctesibius首先在受水首先在受水壶壶中运用了浮子，具有中运用了浮子，具有负负反反馈馈的思想；的思想；北宋北宋时时期，期，苏颂苏颂等于等于1086年年-1090年在开封建成年在开封建成“水运水运仪仪象台象台”，相当精确地跟踪天体的运行；，相当精确地跟踪天体的运行；1765年俄国的波年俄国的波尔尔祖祖诺诺夫（夫（Polzunov）独）独创创了蒸汽机了蒸汽机锅锅炉的炉的水位自水位自动调动调整器（在俄国被整器（在俄国被认为认为是世界上的第一个自是世界上的第一个自动调动调整整器）。器）。中国、古埃及和巴比伦人独创的中国、古埃及和巴比伦人独创的自动计时装置自动计时装置(

8、公元前公元前1111世纪世纪)具有过程限制思想的提具有过程限制思想的提花织布机（明代）花织布机（明代）James watJames wat独创的飞球调整器，独创的飞球调整器，限制蒸汽机的转速（限制蒸汽机的转速（17691769年）年）PolzunovPolzunov独创的浮球调整器，独创的浮球调整器，用于水位限制（用于水位限制（17651765年）年）稳定性的早期发展稳定性的早期发展-1-1J.C.Maxwell是最早是最早对对反反馈馈限制系限制系统稳统稳定性定性进进行系行系统统分析，分析，OnGovernors（Proc.RoyalSocietyofLondon,1868），目前公），目前公

9、认认的以反的以反馈馈限制限制为为其主要探其主要探讨讨内容的第一内容的第一篇理篇理论论论论文文导导出了出了调调整器的微分方程，并在平衡点旁整器的微分方程，并在平衡点旁边进边进行行线线性化性化处处理，指出理，指出稳稳定性取决于特征方程的根是否具有定性取决于特征方程的根是否具有负负的的实实部。部。开开创创了限制理了限制理论论探探讨讨的先河的先河,文中文中还还督促数学家督促数学家们们尽快地尽快地解决多解决多项项式的系数同多式的系数同多项项式根的关系式根的关系问题问题。由于五次以上。由于五次以上的多的多项项式没有干脆的求根公式，式没有干脆的求根公式，这给这给推断高推断高阶阶系系统统的的稳稳定定性代来了困

10、性代来了困难难。经典限制理论的发展经典限制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-2-2两年一次的两年一次的AdamsPrize奖奖授予在授予在该该委委员员会所会所选选科学主科学主题题方方面面竞竞争的最佳争的最佳论论文。文。1877年的主年的主题题是是“运运动动的的稳稳定性定性”。RouthEJ.ATreatiseontheStabilityofMotion（London:Macmillan,1877）获获1877年年AdamsPrize提出依据多提出依据多项项式的系数确定多式的系数确定多项项式在右半平面的根的数目。式在右半平面的根的数目。其意其意义义在于将当在于将当时时各种有关各种有关稳

11、稳定性的孤立的定性的孤立的结论结论和非系和非系统统的的结结果果统统一起来，起先建立有关一起来，起先建立有关动态稳动态稳定性的系定性的系统统理理论论。经典限制理论的发展经典限制理论的发展稳定性的早期发展稳定性的早期发展-3-31895年，瑞士数学家年，瑞士数学家A.Hurwitz在不了解在不了解Routh工作的状工作的状况下，独立况下，独立给给出了依据多出了依据多项项式的系数确定多式的系数确定多项项式的根是否式的根是否都具有都具有负实负实部的另一种方法部的另一种方法(HurwitzA.Ontheconditionsunderwhichanequationhasonlyrootswithnegat

12、iverealparts.MathematischeAnnelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的条件同的条件同Routh的条件在本的条件在本质质上是一上是一样样的。因此的。因此这这一一稳稳定性判据定性判据现现在也被称在也被称为为Routh-Hurwitz稳稳定性判据。定性判据。经典限制理论的发展经典限制理论的发展1892年，俄年，俄罗罗斯宏大的数学力学家斯宏大的数学力学家A.M.Lyapunov（1857-1918）发发表了其具有深表了其具有深远历远历史史意意义义的博士的博士论论文文TheGeneralProblemoftheStabilityofMotion提出

13、了提出了为为当今学当今学术术界广界广为应为应用且影响巨大的李用且影响巨大的李亚亚普普诺诺夫方法，也即李夫方法，也即李亚亚普普诺诺夫其次方法或李夫其次方法或李亚亚普普诺诺夫干脆夫干脆方法。方法。这这一方法不一方法不仅仅可用于可用于线线性系性系统统，而且可用于非，而且可用于非线线性性时变时变系系统统的分析与的分析与设计设计。稳定性的早期发展稳定性的早期发展-4-4经典限制理论的发展经典限制理论的发展负反馈放大器及频域理论的建立负反馈放大器及频域理论的建立-1-1在限制系统稳定性的代数理论建立之后，在限制系统稳定性的代数理论建立之后，19281928年年19451945年以美国年以美国AT&TAT&

14、T公司公司Bell LabsBell Labs的科学家们为核心，的科学家们为核心，又建立了限制系统分析与设计的频域方法。又建立了限制系统分析与设计的频域方法。负反馈放大器负反馈放大器:1928:1928年，年，Harold Black(1898-1983)Harold Black(1898-1983)首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上首先提出了基于误差补偿的前馈放大器，在此基础上最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析最终提出了负反馈放大器并对其进行了数学分析经典限制理论的发展经典限制理论的发展反反馈馈放大器的振放大器的振荡问题荡问题：好用化困：好用化困难难1932年，年，Nyq

15、uist发发表了包含著名的表了包含著名的“乃奎斯特判据乃奎斯特判据”(Nyquistcriterion)的的论论文，并在文，并在1934年加入了年加入了BellLabs。Black关于的关于的负负反反馈馈放大器的放大器的论论文文发发表在表在1934年，参考了年，参考了Nyquist的的论论文和他的文和他的稳稳定性判据。定性判据。同同时时，HendrikBode(1905-1982)起先起先对负对负反反馈馈放大器的放大器的设设计问题进计问题进行探行探讨讨。1940年，年，Bode引入了半引入了半对对数坐数坐标标系，使系，使频频率特性的率特性的绘绘制工作更加适用于工程制工作更加适用于工程设计设计。

16、负负反反馈馈放大器及放大器及频频域理域理论论的建立的建立-2经典限制理论的发展经典限制理论的发展负负反反馈馈放大器及放大器及频频域理域理论论的建立的建立-31925年，英国年，英国电电器工程器工程师师O.Heaviside，把拉普拉斯，把拉普拉斯变换应变换应用到求解用到求解电电网网络络的的问题问题上。不久拉普拉斯上。不久拉普拉斯变换变换就被就被应应用到用到分析自分析自动调动调整系整系统问题统问题上，并取得了上，并取得了显显著成效。著成效。传递传递函数函数就是在拉普拉斯就是在拉普拉斯变换变换的基的基础础上引入的。上引入的。1942年，年，H.Harris引入引入传递传递函数的概念。用方框函数的概

17、念。用方框图图、环节环节、输输入和入和输输出等信息出等信息传输传输的概念来描述系的概念来描述系统统的性能和关系，的性能和关系，从而把原来由探从而把原来由探讨讨反反馈馈放大器放大器稳稳定性而建立起来的定性而建立起来的频频率法率法抽象化，并更有普遍意抽象化，并更有普遍意义义。（把。（把对对具体物理系具体物理系统统，统统一用一用传递传递函数、函数、频频率响率响应应等抽象的概念来探等抽象的概念来探讨讨）至至1945年，限制系年，限制系统设计统设计的的频频域方法，域方法，“波德波德图图”(Bodeplots)方法，已基本建立了。方法，已基本建立了。经典限制理论的发展经典限制理论的发展根轨迹法的建立根轨迹

18、法的建立在在经经典限制理典限制理论论中，根中，根轨轨迹法占有特迹法占有特别别重要的地位。它同重要的地位。它同时时域法，域法，频频域法可称是三分天下。域法可称是三分天下。美国美国电电信工程信工程师师W.R.Evans，两篇，两篇论论文文GraphicalAnalysisofControlSystem(1948)和和ControlSystemSynthesisbyRootLocusMethod(1950),基本建立了根基本建立了根轨轨迹法的完整理迹法的完整理论论。Evans所从事的是所从事的是飞飞机机导导航和限制，其中涉及很多航和限制，其中涉及很多动态动态系系统统的的稳稳定定问题问题，因此又回到，

19、因此又回到70多年前多年前Maxwell和和Routh曾做曾做过过的特征方程的探的特征方程的探讨讨工作。但工作。但Evans用系用系统统参数参数变变更更时时，特，特征方程的根征方程的根变变更更轨轨迹来探迹来探讨讨，开，开创创了新的思了新的思维维和探和探讨讨方法。方法。经典限制理论的发展经典限制理论的发展脉冲限制理论的建立脉冲限制理论的建立-1-1随着随着计计算机技算机技术术的的诞诞生，脉冲限制理生，脉冲限制理论论快速快速发发展。展。重要重要贡贡献：献：Nyquist和和Shannon。Nyquist首先首先证证明把正弦明把正弦信号从它的采信号从它的采样值样值复复现现出来，每周期至少必需出来，每

20、周期至少必需进进行两次采行两次采样样。香。香农农于于1949年完全解决了年完全解决了这这个个问题问题，Shannon采采样样定定理。理。线线性脉冲限制理性脉冲限制理论论以以线线性差分方程性差分方程为为基基础础，线线性差分方程性差分方程理理论论在三、四十年在三、四十年头头中已逐步中已逐步发发展起来。展起来。利用利用连续连续系系统统L变换变换同离散系同离散系统统L变换变换的的对应对应关系，奥关系，奥尔尔登伯格和崔普金等人于登伯格和崔普金等人于1944和和1948年分年分别别提出了脉冲系提出了脉冲系统统的的稳稳定判据，即定判据，即线线性差分方程的全部特征根性差分方程的全部特征根应应位于位于单单位位圆

21、圆内。内。经典限制理论的发展经典限制理论的发展由于离散拉氏由于离散拉氏变换变换式是超越函数，崔普金又提出了用保角式是超越函数，崔普金又提出了用保角变换变换将将Z平面的平面的单单位位圆圆内部内部转换转换到新平面的左半面的方法，到新平面的左半面的方法，这样这样即可以运用即可以运用Routh-Hurwitz判据，又可将判据，又可将连续连续系系统统分分析的析的频频域方法引入离散系域方法引入离散系统统分析。分析。在在变换变换理理论论的探的探讨讨方面，方面，W.Hurewicz于于1947年最先引年最先引进进了一个了一个变换变换用于用于对对离散序列的离散序列的处处理。理。在此基在此基础础上，崔普金于上，崔

22、普金于1949年，拉格年，拉格兹兹尼和扎德于尼和扎德于1952年年分分别别提出并定提出并定义义了了Z变换变换方法，大大方法，大大简简化了运算步化了运算步骤骤，并，并在此基在此基础础上上发发展起脉冲限制系展起脉冲限制系统统理理论论。脉冲限制理论的建立脉冲限制理论的建立-2-2经典限制理论的发展经典限制理论的发展回回顾顾脉冲限制理脉冲限制理论论的的发发展，尽管俄国的崔普金等都做出了不展，尽管俄国的崔普金等都做出了不行磨行磨灭灭的的贡贡献，但建立脉冲理献，但建立脉冲理论论的很多工作都是由美国哥的很多工作都是由美国哥伦伦比比亚亚高校的拉格高校的拉格兹兹尼和他的博士生尼和他的博士生们们完成的。他完成的。

23、他们们包括朱里包括朱里（离散系（离散系统稳统稳定的朱里判据，能定的朱里判据，能观测观测性与能达性，分析与性与能达性，分析与设设计计工具等），卡工具等），卡尔尔曼（离散状曼（离散状态态方法，能控性与能方法，能控性与能观观性等。性等。是自控界其次位是自控界其次位获获IEEEMedalofHonor者者(1974)），扎德），扎德（Z变换变换定定义义等。是第五位等。是第五位获获IEEEMedalofHonor者者(1995)）。）。五十年五十年头头末，脉冲系末，脉冲系统统的的Z变换变换法法已臻成熟，好几本教科已臻成熟，好几本教科书书同同时时出版。出版。脉冲限制理论的建立脉冲限制理论的建立-3-3经典

24、限制理论的发展经典限制理论的发展限制史上重点人物限制史上重点人物WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman三三 限制理论各阶段的特点限制理论各阶段的特点经典限制理论：建立在频率法和根轨迹法基经典限制理论：建立在频率法和根轨迹法基础上础上数学工具：拉氏变换数学工具：拉氏变换探讨对象：单输入单输出的线性定常系统探讨对象：单输入单输出的线性定常系统探讨方法：将描述系统的微分方程或差分方探讨方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析并以此

25、作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定限制器的结构和参数。和设计，确定限制器的结构和参数。限制结构：通常是接受输出负反馈限制，构限制结构：通常是接受输出负反馈限制，构成闭环限制系统。成闭环限制系统。数学工具数学工具 线性微分方程和基于拉普拉斯变线性微分方程和基于拉普拉斯变 换的传递函数换的传递函数探讨对象探讨对象三大分析方法：三大分析方法：探讨对象和范围有限探讨对象和范围有限 单输入单输入单输出的线性定常系统单输出的线性定常系统时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法难于解决困难问题，如时变，多变量等难于解决困难问题，如时变，多变量等开环限制系统与

26、闭环限制系统开环限制系统与闭环限制系统控制器控制器受控对象受控对象限制量限制量输入量输入量输出量输出量(a)(a)开环限制系统开环限制系统限制量限制量输入量输入量输出量输出量(b)(b)闭环限制系统闭环限制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象开环限制系统开环限制系统特点：特点：缺点：缺点：最简洁的限制方式最简洁的限制方式 系统结构简洁、维护简洁、成本系统结构简洁、维护简洁、成本低、不存在稳定性问题低、不存在稳定性问题 信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路 输出量不能对限制量产生输出量不能对限制量产生 影响。影响。限制精度不高限制精度不高 系统抗干扰实力差系统抗干扰实力差

27、 对元器件的要求对元器件的要求 比较高比较高控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量(b)b)闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量(a)a)开环控制系统开环控制系统闭环限制系统闭环限制系统 反馈限制系统反馈限制系统 反馈通路反馈通路负反馈与正反馈限制系统一般接受负反馈限制系统一般接受负反馈 信号

28、传递形成一个闭合回路信号传递形成一个闭合回路 输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号 自动限制系统的基本结构：自动限制系统的基本结构：设定值设定值r r控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f f被控变量被控变量y y反馈量反馈量 z z自动限制系统的基本结构自动限制系统的基本结构偏差偏差e e限制变量限制变量u u经典限制论探讨内容：经典限制论探讨内容：系统模型系统模型 传递函数模型的建立传递函数模型的建立系系统统分分析析 系系统统时时域域分分析析；稳稳定定性性（劳劳斯斯稳稳定定判判据据）；稳稳态态偏偏差差；根根轨轨迹迹；频频率率特性分析

29、特性分析系系统统综综合合 基基于于根根轨轨迹迹、频频率率特特性性进进行行限限制器设计。制器设计。现代限制理论现代限制理论从从时时间间域域内内系系统统地地讲讲解解并并描描述述用用来来分分析析和和综综合合线线性性系系统统的的状状态态空空间间方方法法。首首先先是是建建立立系系统统的的状状态态空空间间描描述述问问题题，然然后后在在状状态态空空间间描描述述的的基基础础上上探探讨讨系系统统的的运运动动规规律律，能能控控性性，能能观观性性和和稳稳定定性性理理论论，逐逐步步阐阐明明系系统统的的结结构构特特性性，最最终终特特地探讨综合问题，包括极点配置，镇静，跟踪，解耦等。地探讨综合问题，包括极点配置，镇静，跟

30、踪，解耦等。数学工具：线性代数数学工具：线性代数探讨对象：多输入多输出的线性定常系统探讨对象：多输入多输出的线性定常系统探讨方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，探讨方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进行分析和设计，确定限制器的结构和参数。行分析和设计，确定限制器的结构和参数。限制结构：通常是接受状态反馈限制，构成闭环限制系统。限制结构：通常是接受状态反馈限制，构成闭环限制系统。经典与现代限制论的比较经典与现代限制论的比较表示系统在过去、现在和将来时

31、刻的状况表示系统在过去、现在和将来时刻的状况状态状态能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻的这组变量以及将来时刻作用在系统上的输入，那么系统在的这组变量以及将来时刻作用在系统上的输入，那么系统在将来随意时刻的行为就可以完全确定。将来随意时刻的行为就可以完全确定。状态变量状态变量选取的不唯一性选取的不唯一性以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量 状态向量状态向量以以n n个状态变量为基底所构成的个状态变量为基底所构成的n n维空间就称为状态空间，维空间就称为状态空间

32、，状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。状态空间状态空间外部描述外部描述传递函数传递函数：不表征系统的内部结：不表征系统的内部结构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间的因果关系的因果关系内内部部描描述述状状态态空空间间，能能够够完完全全表表征征系系统统的的一切动力学特征：一切动力学特征：不完全不完全描述描述完全描述完全描述传递函数：传递函数：初始条件为零初始条件为零的线性定常系统输出的拉普拉的线性定常系统输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。现代限制论的

33、重要分支：状态空间设计方法现代限制论的重要分支：状态空间设计方法系系统统模模型型 状状态态空空间间模模型型的的建建立立、与与传传递递函数描述之间的相互转化；函数描述之间的相互转化；系系统统分分析析 状状态态空空间间运运动动分分析析；能能控控性性和和能能观观性性的的基基本本概概念念与与判判据据、能能控控、能能观观标准形及结构分解；标准形及结构分解；系系统统综综合合 基基于于状状态态反反馈馈限限制制系系统统设设计计方方法法极点配置和观测器设计。极点配置和观测器设计。计算机限制系统（离散限制、脉冲限制、计算机限制系统（离散限制、脉冲限制、采样限制等）采样限制等）图6.1计算机控制系统原理图计算机控制

34、系统原理图 限制系统通常分成两大类限制系统通常分成两大类：连续时间限制系统连续时间限制系统：各处的信号是时间的连续：各处的信号是时间的连续函数函数，则称该类系统为连续时间限制系统。，则称该类系统为连续时间限制系统。离散时间限制系统离散时间限制系统：有一处或数处信号不是时：有一处或数处信号不是时间的连续函数，间的连续函数，而是在时间上离散的一系列而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统为离散时间脉冲序列或数字信号，称这类系统为离散时间限制系统或采样限制系统。限制系统或采样限制系统。1 限制工程中普遍存在离散时间系统限制工程中普遍存在离散时间系统2 计算机的高速发展和数字限制的广泛应

35、用计算机的高速发展和数字限制的广泛应用意义：意义：离散信号采样信号数字信号离散信号采样信号数字信号 时间整量化时间整量化 时间和幅值同时整量化时间和幅值同时整量化离散、采样、数字限制的差别离散、采样、数字限制的差别离散限制系统、数字限制系统和采样限制系统都是同类离散限制系统、数字限制系统和采样限制系统都是同类离散限制系统、数字限制系统和采样限制系统都是同类离散限制系统、数字限制系统和采样限制系统都是同类系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。系统，但严格是有差别的。离散限制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字限制系离散限制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字限制系离

36、散限制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字限制系离散限制系统：内涵最广，它涵盖了采样和数字限制系统。离散限制处理的是离散信号。统。离散限制处理的是离散信号。统。离散限制处理的是离散信号。统。离散限制处理的是离散信号。采样限制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过采样限制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过采样限制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过采样限制系统：包括了采样数据信号和数字信号，如过程限制系统（程限制系统（程限制系统（程限制系统（PCSPCSPCSPCS）。采样限制处理的是采样信号。）。采样限制处理的是采样信号。）。采样限制处理的是采样信号。）。采样限制处理的是采样信号。数

37、字限制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统数字限制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统数字限制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统数字限制系统：信号是一个数字序列，如数字仿真系统（DSSDSSDSSDSS）。数字限制处理的是数字信号。）。数字限制处理的是数字信号。）。数字限制处理的是数字信号。）。数字限制处理的是数字信号。连续整量化信号与数字信号连续模拟信号与采样信号连续模拟信号与采样信号采样限制系统与连续时间限制系统相比采样限制系统与连续时间限制系统相比采样限制系统与连续时间限制系统相比采样限制系统与连续时间限制系统相比优点：优点：优点：优点：（1 1 1 1）简洁实现困难的限制

38、规律；）简洁实现困难的限制规律；）简洁实现困难的限制规律；）简洁实现困难的限制规律；（2 2 2 2）限制规律易变更；）限制规律易变更；）限制规律易变更；）限制规律易变更；（3 3 3 3）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。）精度高、抗干扰性能好。目前采样限制系统的发展成为：目前采样限制系统的发展成为：目前采样限制系统的发展成为：目前采样限制系统的发展成为：1 1 1 1、集散限制系统（、集散限制系统（、集散限制系统（、集散限制系统（DCSDCSDCSDCS）；）；）；）；2 2 2 2、可编程限制器（、可编程限制器（、可编程限制器（、可编程限制器（PLCP

39、LCPLCPLC）；）；）；）；3 3 3 3、工业限制机（、工业限制机（、工业限制机（、工业限制机（IPCIPCIPCIPC）；）；）；）；4 4 4 4、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（、计算机集成制造系统（CIMSCIMSCIMSCIMS）。）。）。）。连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统和离散系统分析方法的比较连续系统分析连续系统分析 （L L变换）变换）微分方程微分方程 传递函数，频域分析（经典）传递函数，频域分析（经典）状态方程：求运动解，通过系统矩阵分析（现代）状态方程：求运动解，通过系统矩阵分析（现代）离散系统分析类似离散系统分析类似 （z

40、z变换）变换）差分方程差分方程 脉冲传数，频域分析（经典）脉冲传数，频域分析（经典）差分状态方程：状态空间方法（现代）差分状态方程：状态空间方法（现代）在设计采样系统中，一个重要的参数就是采样周期在设计采样系统中，一个重要的参数就是采样周期T T，T T过大，过大，复现原信号时将失真，复现原信号时将失真，T T过小，增加计算量，具体过小，增加计算量，具体T T的选择可的选择可以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定。以通过连续信号和采样信号频谱之间的关系确定。采样定理：采样后的离散信号能复原为原连续信号的条件是采采样定理：采样后的离散信号能复原为原连续信号的条件是采样频率要高于或等于连续信号

41、频谱中最高频率的两倍。样频率要高于或等于连续信号频谱中最高频率的两倍。志向的采样过程志向的采样过程 四四 现代限制理论的进一步发展现代限制理论的进一步发展其他动态系统的探讨其他动态系统的探讨非线性系统非线性系统:Lyapunov:Lyapunov理论，微分几何，微分代数理论，微分几何，微分代数时变系统：随环境变，时变系统：随环境变，自适应系统自适应系统 或或 不确定系统不确定系统 随机系统：基于概率统计方法，探讨稳定、镇静和最优限制随机系统：基于概率统计方法，探讨稳定、镇静和最优限制等等分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、分布参数系统：广泛应用于热工、化工、导弹、航天航空、核裂

42、、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等核裂、聚变等工程系统、生态系统、环境系统、社会系统等大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和限制大规模系统：用子系统及其关联性质来对其进行分析和限制机械系统：机械系统：2 2阶非线性系统，并充分利用力学特性简化探讨阶非线性系统，并充分利用力学特性简化探讨不确定系统：自适应限制、鲁棒限制等多个学科不确定系统：自适应限制、鲁棒限制等多个学科限制任务的多样化限制任务的多样化经典及现代限制论在于寻求（反馈）限制，使得闭环系统经典及现代限制论在于寻求（反馈）限制，使得闭环系统稳定，即稳定，即“镇静镇静”。到了二十世纪，工程技术不断提出新的任务：到了

43、二十世纪，工程技术不断提出新的任务：车间调度限制：工程上为车间调度限制：工程上为FMSFMS及及CIMSCIMS，理论上出现了，理论上出现了DEDSDEDS（离散事务动态系统）理论。（离散事务动态系统）理论。监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过监控、预警：化工过程、车间、煤矿采掘面等各种工业过程程跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等跟踪、替人操作、装配：拟人机器人、智能机器人及车等这一趋势是明显的，也是必定的。自动限制就是由系统来这一趋势是明显的，也是必定的。自动限制就是由系统来代替人限制。随着科学技术的发展，人们的限制活动越来代替人限制。随着科学技术的发展，人们的

44、限制活动越来越多，因而限制任务也会越来越困难和困难。越多，因而限制任务也会越来越困难和困难。现代限制理论的进一步发展现代限制理论的进一步发展-2-2专业学科化的发展专业学科化的发展 因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科因受控对象的性质千差万别，属于不同的学科，各学科又有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展又有自己的独特之处，所以在各门学科中相对独立地发展限制理论及方法，是必定的。限制理论及方法，是必定的。空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主限制、遥控、空间机器人：多体系统、受非完整约束、自主限制、遥控、装配等等。装配等等。拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自

45、主限拟人机器人：要求具有计算机视觉、触觉、声觉、自主限制、应付困难环境（避碰、避雨及雷电）等等。制、应付困难环境（避碰、避雨及雷电）等等。智能材料：具有刚好预报缺陷及损伤，自加强等功能。智能材料：具有刚好预报缺陷及损伤，自加强等功能。医学限制：血管内的医学限制：血管内的“聪慧药聪慧药”具有对可能发生堵塞部位具有对可能发生堵塞部位进行修整的实力。进行修整的实力。现代限制理论的进一步发展现代限制理论的进一步发展-3-3五五 历史的思索历史的思索社会发展的须要是科学发展的动力社会发展的须要是科学发展的动力 限制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在工限制技术的存在与发展已有数千年的历史，但只有在

46、工业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现业的发展对动力产生巨大的需求，蒸气机稳定性问题出现并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难并具有至关重要的意义时，人们才集中智力来解决这一难题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）题，并由此产生了稳定性理论。频域方法和离散（脉冲）系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展系统理论同样如此，也是在通讯技术和计算机技术的发展过程中为解决关键问题而发展起来的。过程中为解决关键问题而发展起来的。钱三强钱三强“科学来源于生产和对自然现象的视察，它的发展科学来源于生产和对自然现象的视察，它的发展取决于生产和社会的需求。取决于生

47、产和社会的需求。”历史的思索历史的思索科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应科学的进步是集体努力的结果，科学家的群体效应 同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依靠于同早期科学理论的发展不同，现代高新技术的发展要依靠于集体的才智。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展集体的才智。稳定性理论、频域理论及脉冲理论的建立与发展很好地说明白这一点。很好地说明白这一点。科学的独创与科学理论的建立有赖于科学家坚实的学问基础，科学的独创与科学理论的建立有赖于科学家坚实的学问基础，杰出的科学家大多是多面发展的杰出的科学家大多是多面发展的 现代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的学问基础。例如现

48、代科学理论的建立有赖于有坚实与深厚的学问基础。例如在限制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如在限制理论发展史上做出巨大贡献的科学家如MaxwellMaxwell、LyapunovLyapunov、ZadehZadeh等无不在多个方面均有建树。而等无不在多个方面均有建树。而BlackBlack最早提最早提出负反馈放大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是出负反馈放大器的思想，但本人理论基础较差，频域理论却是在在NyquistNyquist和和BodeBode等的努力下建立的。等的努力下建立的。BlackBlack的论文也是在参考的论文也是在参考了了NyquistNyquist的论文之后才完成，

49、他的专利申请也是在的论文之后才完成，他的专利申请也是在NyquistNyquist等等的工作完成后才被认可并获准的。的工作完成后才被认可并获准的。没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难没有理论，社会实践就不能成为系统的科学，实践也就难以深化和系统地发展以深化和系统地发展 限制技术和理论的发展还表明白这样一个道理：任何社限制技术和理论的发展还表明白这样一个道理：任何社会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。限制技会实践没有理论就不能成为科学，也就难以发展。限制技术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为术在中国和巴比伦已有数千年的历史，但由于没有上升为理论，只能在低级的水

50、平上发展。理论，只能在低级的水平上发展。18681868年以来，随着限制年以来，随着限制理论的建立，限制理论和限制技术同时起先飞速发展，限理论的建立，限制理论和限制技术同时起先飞速发展，限制技术最终成为人们折服自然与改造自然的有力武器。制技术最终成为人们折服自然与改造自然的有力武器。由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史由于我们中国几千年来只重技术不重理论，现在的历史就是十六、十七世纪前就是十六、十七世纪前“绚丽辉煌的古代文明绚丽辉煌的古代文明”，而在十，而在十六、十七世纪西方科学理论体系起先建立之后，就起先相六、十七世纪西方科学理论体系起先建立之后，就起先相对日趋末落。对日趋末落。