现代控制理论的主要内容.ppt
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1、Ch.1 绪绪 论论目录(1/1)目目 录录q1.1 控制理论发展概述控制理论发展概述q1.2 现代控制理论的主要内容现代控制理论的主要内容q1.3 Matlab软件概述软件概述q1.4 课程的主要内容课程的主要内容q参考教材参考教材q参考期刊参考期刊现代控制理论的主要内容(1/2)1.2 现代控制理论的主要内容现代控制理论的主要内容q在工业生产过程应用中,常常遇到被控对象精确状态空间模型不易建立、合适的最优性能指标难以构造以及所得到最优的、稳定的控制器往往过于复杂等问题。为了解决这些问题,科学家们从20世纪50年代末现代控制理论的诞生至今,不断提出新的控制方法和理论,其内容相当丰富、广泛,极
2、大地扩展了控制理论的研究范围。q下面简单介绍现代控制理论的主要分支及所研究的内容:线性系统理论线性系统理论最优控制最优控制现代控制理论的主要内容(2/2)随机系统理论和最优估计随机系统理论和最优估计系统辨识系统辨识自适应控制自适应控制非线性系统理论非线性系统理论鲁棒性分析与鲁棒控制鲁棒性分析与鲁棒控制分布参数控制分布参数控制离散事件控制离散事件控制智能控制智能控制线性系统理论(1/2)1.2.1 线性系统理论线性系统理论q线性系统是一类最为常见系统,也是控制理论中讨论得最为深刻的系统。该分支着重于研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性和方法,以建立和揭示系统结构、参数、行为和性能
3、间的确定的和定量的关系。通常,研究系统运动规律的问题称为分析问题,研究改变运动规律的可能性和方法的问题则为综合问题。线性系统理论的主要内容有线性系统理论(2/2)系统结构性问题,如能控性、能观性、系统实现和结构性分解等;线性状态反馈及极点配置;镇定;解耦;状态观测器等。q近30年来,线性系统理论一直是控制领域研究的重点,其主要研究方法有:以状态空间分析为基础的代数方法;以多项式理论为基础的多项式描述法;以空间分解为基础的几何方法。最优控制(1/1)1.2.2 最优控制最优控制q最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最优解的一门学科。具体地说就是研究被控系统在给定的约束条件和性能指标
4、下,寻求使性能指标达到最佳值的控制规律问题。例如要求航天器达到预定轨道的时间最短、所消耗的燃料最少等。q该分支的基本内容和常用方法为变分法;庞特里亚金的极大值原理;贝尔曼的动态规划方法。随机系统理论和最优估计(1/2)1.2.3 随机系统理论和最优估计随机系统理论和最优估计q实际工业、农业、社会及经济系统的内部本身含有未知或不能建模的因素,外部环境上亦存在各种扰动因素,以及信号或信息的检测与传输上往往不可避免地带有误差和噪音。随机系统理论将这些未知的或未建模的内外扰动和误差,用不能直接测量的随机变量及过程以概率统计的方式来描述,并利用随机微分方程和随机差分方程作为系统动态模型来刻划系统的特性与
5、本质。随机系统理论就是研究这类随机动态系统的系统分析、优化与控制。随机系统理论和最优估计(2/2)q最优估计讨论根据系统的输入输出信息估计出或构造出随机动态系统中不能直接测量的系统内部状态变量的值。由于现代控制理论主要以状态空间模型为基础,构成反馈闭环多采用状态变量,因此估计不可直接测量的状态变量是实现闭环控制系统重要的一环。该问题的困难性在于系统本身受到多种内外随机因素扰动,并且各种输入输出信号的测量值含有未知的、不可测的误差。q最优估计的早期工作是维纳在1940年代提出的维纳滤波器,较系统完整的工作是卡尔曼在1960年代初提出的滤波器理论。该分支的基础理论为概率统计理论、线性系统理论和最优
6、控制理论。系统辨识(1/2)1.2.4 系统辨识系统辨识q简而言之,系统辨识就是利用系统在试验或实际运行中所测得的输入输出数据,运用数学方法归纳和构造出描述系统动态特性的数学模型,并估计出其模型参数的理论和方法。该分支是由数理统计学发展而来的。无论是采用经典控制理论或现代控制理论,在进行系统分析、综合和控制系统设计时,都需要事先知道系统的数学模型。系统辨识(2/2)q系统辨识包括两个方面:结构辨识和参数估计。在实际的辨识过程中,随着使用的方法不同,结构辨识和参数估计这两个方面并不是截然分开的,而是可以交织在一起进行的。q系统辨识是重要的建模方法,因此亦是控制理论实现和应用的基础。系统辨识是控制
7、理论中发展最为迅速的领域,它的发展还直接推动了自适应控制领域及其他控制领域的发展。自适应控制(1/5)1.2.5 自适应控制自适应控制q自适应控制研究当被控系统的数学模型未知或者被控系统的结构和参数随时间和环境的变化而变化时,通过实时在线修正控制系统的结构或参数使其能主动适应变化的理论和方法。自适应控制系统通过不断地测量系统的输入、状态、输出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的信息按一定的设计方法,做出决策去更新控制器的结构和参数以适应环境的变化,达到所要求的控制性能指标。该分支诞生于1950年代末,是控制理论中近60年发展最为迅速、最为活跃的分支。自适应控制(2/5)q自适应控制系
8、统应具有三个基本功能:辨识对象的结构和参数,以便精确地建立被控对象的数学模型;给出一种控制律以使被控系统达到期望的性能指标;自动修正控制器的参数。因此自适应控制系统主要用于过程模型未知或过程模型结构已知但参数未知且随机的系统。自适应控制(3/5)q自适应控制系统的类型主要有自校正控制系统,模型参考自适应控制系统,自寻最优控制系统,学习控制系统等。最近,非线性系统的自适应控制,基于神经网络的自适应控制得到重视,提出了一些新的方法。q自适应控制领域是少数几个中国人取得较大成就的领域。中国科学院陈翰馥院士与郭雷院士在1990年代初圆满解决自适应控制的收敛性问题。自适应控制(4/5)模型参考自适应控制
9、系统的主要结构为自适应控制(5/5)自校正控制系统的主要结构为图图2 自校正控制系统自校正控制系统非线性系统理论(1/4)1.2.6 非线性系统理论非线性系统理论q非线性控制是复杂控制理论中一个重要的基本问题,也是一个难点课题,它的发展几乎与线性系统平行。实际的工程和社会经济系统大多为非线性系统,线性系统只是实际系统的一种近似或理想化。因此,研究非线性系统的系统分析、综合和控制的非线性系统理论亦是现代控制理论的一个重要分支。非线性系统理论(2/4)q由于非线性系统的研究缺乏系统的一般性的理论及方法,于是综合方法得到较大的发展,主要有:李雅普诺夫方法:它是迄今为止最完善,最一般的非线性方法,但是
10、由于它的一般性,在用来分析稳定性或用来镇定综合时都欠缺构造性。变结构控制:由于其滑动模态(sliding-mode)具有对干扰与摄动的不变性,1980年代受到重视,是一种实用的非线性控制的综合方法。微分几何法:在过去的20年中,微分几何法一直是非线性控制系统研究的主流,它对非线性系统的结构分析、分解以及与结构有关的控制设计带来极大方便。非线性系统理论(3/4)用微分几何法研究非线性系统是现代数学发展的必然产物,正如意大利数学家艾希德(A.Isidori)指出:v用微分几何法研究非线性系统所取得的成绩,就象1950年代用拉氏变换及复变函数理论对SISO系统的研究,或用线性代数对多变量系统的研究。
11、但这种方法也有它的缺点,体现在它的复杂性、无层次性、准线性控制以及空间测度被破坏等。因此最近又有学者提出引入新的、更深刻的数学工具去开拓新的方向,例如:v微分动力学;v微分拓扑;v代数拓扑与代数几何等。非线性系统理论(4/4)微分几何方法目前主要研究非线性系统的结构性理论,主要成果:能控能观性;基于非线性变换(同胚变换)的线性化;状态反馈线性化;解耦;结构性分解;反馈镇定等。鲁棒性分析与鲁棒控制(1/4)1.2.7 鲁棒性分析与鲁棒控制鲁棒性分析与鲁棒控制q系统的数学模型与实际系统存在着参数或结构等方面的差异,而我们设计的控制律大多都是基于系统的数学模型,为了保证实际系统对外界干扰、系统的不确
12、定性等有尽可能小的敏感性,导致了研究系统鲁棒控制问题。粗略地说,系统的鲁棒性是指所关注的系统性能指标对系统的不确定性(如系统的未建模动态、系统的内部和外部扰动等)的不敏感性。目前该领域主要讨论稳定性的鲁棒性问题,涉及其他性能指标的鲁棒性的不多。鲁棒性分析与鲁棒控制(2/4)鲁棒性分析讨论控制系统对所讨论的性能指标的鲁棒性,给出系统能保持该性能指标的最大容许建模误差和内外部扰动的上确界。目前该问题中较受重视的问题是多项式簇的稳定性问题。v在多项式簇问题中,2003年当选为中国科学院院士的北京大学黄琳教授给出了著名的棱边定理。鲁棒性分析与鲁棒控制(3/4)q鲁棒控制主要研究的是设计对各种不确定性有
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