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现代控制工程培训课件PPT(共 58张)

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现代控制理论课件PPT

现代控制理论课件PPT
西华大学电气与电子信息学院
▪ 系统辨识（系统辨识，参数估计） 未知系统的建模，在仅知道y和u，根据输入输出关系建立 系统模型。 包括两部分：模型结构及模型参数的确立。 系统辨识：包括模型结构及参数的辨识； 参数估计：模型结构已定，估计其参数；以下三阶系统： a3 y(3) a2 y(2) a1 y' a0 y b0u
问题称为极点配置问题。
3）使一个MIMO系统实现一个输入只控制一个输出作为
性能指标，相应的综合问题称为解耦问题。
4）将系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号 u(t) 的能
力，作为性能指标，相应的综合问题称为跟踪问题。
西华大学电气与电子信息学院
3 控制系统仿真 系统
建立数 学模型
仿真 实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
MATLAB工程软件简介
在控制类学科中， MATLAB/Simulink是首选的计算机 工具。 MATLAB软件中有大量的MATLAB配套工具箱 功能强大的控制系统仿真环境SIMULINK，它用形象的图 形环境为控制系统的分析设计提供了很好的试验工具。
西华大学电气与电子信息学院
F135-PW-100
西华大学电气与电子信息学院
蒸气发电机的谐调控制系统模型
西华大学电气与电子信息学院
0.1.2 现代控制理论和经典控制理 论的区别
经典控制理论
单输入单输出(SISO) 黑箱问题，不完全描述 近似分析、设计，采用拼凑法 无法考虑系统的初始条件（传递函数的定义） 传递函数、微分方程 时域法、根轨迹法、频域法
现代控制理论
宋潇潇 西华大学电气与电子信息学院
现代控制理论
地位和重要性 所需基础知识 知识构架 笔记和课件 出勤和考试

现代控制理论(II)-讲稿课件ppt

现代控制理论(II)-讲稿课件ppt

03
通过具体例子说明最小值原理在最优控制问题中的应
用方法。
06 现代控制理论应用案例
倒立摆系统稳定控制
倒立摆系统模型建立
分析倒立摆系统的物理特性，建立数学模型，包括运动方程和状态 空间表达式。
控制器设计
基于现代控制理论，设计状态反馈控制器，使倒立摆系统实现稳定 控制。
系统仿真与实验
利用MATLAB/Simulink等工具进行系统仿真，验证控制器的有效性； 搭建实际实验平台，进行实时控制实验。
最优控制方法分类
根据性能指标的类型和求解方法， 最优控制可分为线性二次型最优控 制、最小时间控制、最小能量控制 等。
最优控制应用举例
介绍最优控制在航空航天、机器人、 经济管理等领域的应用实例。
05 最优控制理论与方法
最优控制问题描述
控制系统的性能指标
定义控制系统的性能评价标准，如时间最短、能量最小等。
随着网络技术的发展，分布式控制系统逐渐 成为现代控制理论的研究热点，如多智能体 系统、协同控制等。
下一步学习建议
01
02
03
04
深入学习现代控制理论相关知 识，掌握更多先进的控制方法
和技术。
关注现代控制理论在实际系统 中的应用，了解不同领域控制
系统的设计和实现方法。
加强实践环节，通过仿真或实 验验证所学理论知识的正确性
机器人运动学建模
分析机器人的运动学特性， 建立机器人运动学模型， 描述机器人末端执行器的 位置和姿态。
运动规划算法设计
基于现代控制理论，设计 运动规划算法，生成机器 人从起始点到目标点的平 滑运动轨迹。
控制器设计与实现
设计机器人运动控制器， 实现机器人对规划轨迹的 精确跟踪；在实际机器人 平台上进行实验验证。

现代控制技术 PPT课件

现代控制技术 PPT课件

头，看见远远的水面上半沉半浮着 一个巨大的木轮，不停地转着，将 水扬起来，半圈儿水在闪着白光。 那里是我们村的水磨坊。
我们都哭了，在田野里四处寻 找，找了半个下午，还是没有踪影。
10 风筝 我们垂头丧气地坐在田埂上，一抬
头，看见远远的水面上半沉半浮着 一个巨大的木轮，不停地转着，将 水扬起来，半圈儿水在闪着白光。 那里是我们村的水磨坊。
我们都哭了，在田野里四处寻 找，找了半个下午，还是没有踪影。
10 风筝
我们垂头丧气地坐在田埂上，一 抬头，看见远远的水面上半沉半浮着一
10 风筝 个巨大的木轮，不停地转着，将水扬起
来，半圈儿水在闪着白光。那里是我们 村的水磨坊。
“那儿找过了吗？” “没找过，说不定‘幸福鸟’就落 在那儿呢。”大家说。 我们向那房子跑去，继续寻找我们 的“幸福鸟”……
现代控制技术 PPT课件
大家再见
精 希拼 命
却依 奔 村 抖 丧磨坊
精心 希望 依然 飞舞 拼命 抖动 寻找 磨坊 继续 奔跑 大惊失色 千呼万唤 垂头丧气
10 风筝
我们去放风筝。一个人用手托着， 另一个人牵着线，站在远远的地方，说
10 风筝 声“放”，那线一紧一松，风筝就凌空
飞起，渐渐高过树梢了。牵线人飞快地 跑起来。风筝越飞越高，在空中翩翩飞 舞着，我们快活地喊叫着，在田野里拼 命地奔跑。村里人看见了，说：“放得 这么高！”
从早晨玩到下午，我们还是歇 不下来，牵着风筝在田野里奔跑。
一下，便极快地飞走了。我 们大惊失色，千呼万唤，那 风筝越来越小，倏地便没了 踪影。
10 风筝
1 、 默 读 5—8 自 然 段 ， 画 出 表 现 “我们”心情的句子或词语。
2、想一想你从这些句子或词语中 体会到了什么？

现代控制工程第10章预测控制PPT课件

现代控制工程第10章预测控制PPT课件

由极值必要条件容易求得最优解为
U M (k ) F(WP (k ) YP0 (k ))
F ( AT QA R) 1 AT Q
7
10.2 .2 滚动优化
实际控制时只将作用于系统：
u(k) u(k, k) 1 0 ... 0U M (k)
d T (WP (k ) YP0 (k ))
d T 1 0 ... 0( AT QA R)1 AT Q
g
P1
gP2
...
gN
...
0
P(N 1)
23
10.5 模型算法控制
2.参考轨迹
T
yr (k ) yr (k 1) ...... yr (k P)
yr (k i) i y(k ) (1 i )c
i 1,2,, P
c是输出设定值。c y(k ) 对应镇定问题，否则对应跟踪问题。 对闭环系统的动态特性和鲁棒性都有关键作用。 越小，参考轨迹到达设定点越快。
11
10.3 动态矩阵控制的工程设计
(3)误差权矩阵Q：误差权矩阵表示了对k时刻起未来
不同时刻逼近的重视程度。
1)等权选择 q1 q2 ... q P 2)只考虑后面几项误差的影响
q1 q2 ... qi 0
qi1 qi2 ... q P q
3)对于具有纯时滞或非最小相位系统
当 ai 是阶跃响应中纯时滞或反向部分采样值；qi 0
17
10.4 炼油厂加氢裂化装置的动态矩阵控制
3.预测模型
由监控计算机对每一控制量产生伪随机双电平序列测试信
号进行测试，得到被控量的阶跃响应，构造动态矩阵。
4.滚动优化目标函数
约束条件为 Cu c
min J (k ) 1 uT Hu g T u

现代控制理论(1-8讲第1-2章知识点)精品PPT课件

现代控制理论(1-8讲第1-2章知识点)精品PPT课件

dia dt
Ke
I fD Coபைடு நூலகம்st
n f Const
nDJ , f
其中：Kf 为发电机增益常数；Ke 为电动机反电势常数。
(3).电动机力矩平衡方程：J
d
dt
f
Kmia
(Km
-电动机转矩常数)
以上三式可改写为：
d
dt
f J
Km J
ia
dia dt
Ke Ra
La
La
ia
Kf La
if
试写出其状态空间表达式。
解：选择相变量为系统的状态变量，有
•
•
•• •
x1 y x2 y x1 x3 y x2
故
即
•
x1 x2
•
x2 x3
•
x3
a0 a3
x1
a1 a3
x2
a2 a3
x3
1 a3
u
•
0
x 0
a0
a3
1 0 a1 a3
0
0
1 x 0 u
a2
1
a3 a3
a1 y a0 y
bnu (n)
b u (n1) n 1
b0u
(1)
分为两种情况讨论。
一、输入信号不含有导数项：
此时系统的运动方程为：
•
y(n)
a y(n1) n1
a1 y a0 y b u
故选
x1 y
•
x2 y
..
xn1
y(n2)
xn y(n1)
对左边各式求导一次，即有
18
24
2-3 化系统的频域描述为状态空间描述

现代控制技术可控性和可观性PPT课件

现代控制技术可控性和可观性PPT课件

[u(t
)
]
y(t) 1
0
x1 x2
(t) (t)
F＝e 0.1A
I 0.1A
0.0 1A 2 2!
An (0.1)n n!
1 0
0.1
1
>> a=[0 1；0 0]； b=expm(a*0.1) ——matlab语句
G＝
T 0
e At Bdt＝
0.1 0
L1[(sI
A)-1 ]Bdt
lim xˆ (t) lim x(t)
t
t
第20页/共59页
状态观测器
通过输出计算得到的系统状态，显然是一个估计值，如果对状态估 计的很准，通过极点配置法，就可以得到比较理想的控制系统。 预报观测器
xˆ(k 1) Fxˆ(k) Gu(k) K[y(k) Cxˆ(k)]
未来状态的估计值＝
x(0 )
t1 eA B u( )d
0
t1 0
n1
ci ( )AiBu( )d
i0
n1
AiB
i0
t1 0
ci
(
)u(
)d
令
i
(t1
)＝
t1 0
ci
(
)u(
)d
n1
x(0 ) AiBi (t1 )
i0
写成矩阵形式
0 (t)
x(0 )＝ B
AB
A n1B
1
(t
)
n-1 (t)
解：被控对像的微分方程为
d2y(t)/dt2=u(t)
令 x1(t)=y(t)，x2(t)= dx1(t)/dt=dy(t)/t 有 dx2(t)/dt＝d2y(t)/dt2=u(t)

现代控制工程最优控制课件

现代控制工程最优控制课件

03
优化目标
最小化损失函数，即达到最优控制效果。
线性调节器问题的解法
01
极点配置法
通过选择控制器的极点位置， 使得系统的传递函数在频率域
上具有理想的性能指标。
02
最优反馈增益
通过求解 Riccati 方程，得到 最优反馈增益，使得系统的性
能达到最优。
03
LQR 设计步骤
确定系统的状态空间模型、选 择适当的参考信号、设计控制
定义
非线性最优控制问题可以定 义为在给定初始状态和初始 时刻，寻找一个控制输入， 使得系统在结束时刻的状态
和性能指标达到最优。
特点
非线性最优控制问题具有复 杂性，其解决方案通常需要
借助数学工具和算法。
应用
非线性最优控制问题在许多 领域都有广泛的应用，如航 空航天、机器人、车辆控制 等。
利用梯度下降法求解非线性最优控制问题
移方程。
利用动态规划法求解非线性最优控制问题
3. 定义性能指标函数
根据问题的要求，定义性能 指标函数。
4. 求解最优子问题
利用动态规划法，依次求解 每个子问题，得到每个时刻 的最优控制输入。
5. 得到最优解
通过逆向递推，得到初始时 刻的最优控制输入和最优状 态。
04
动态规划基础上的最优控 制
多阶段决策过程的动态规划
利用动态规划法求解非线性最优控制问题
• 基本思想：动态规划法是一种通过将原问题分解为一 系列子问题，并逐个求解子问题，最终得到原问题最 优解的方法。
利用动态规划法求解非线性最优控制问题
01
步骤
02
1. 初始化：选择一个初始状 态和初始时刻。
03
2. 定义状态转移方程：根据 系统动态方程，定义状态转

控制工程基础培训课件

控制工程基础培训课件

y(t)
( j)
u(t)
2 R
(
)
2 I
(
)
➢相频特性函数：系统频率特性的相位函数，即
(
j)
y(t0
)
u(t0
)
tan
1
I R
() ()
系统幅频特性函数的物理意义是：系统在正弦函数输入下，稳态输
出的幅值与输入幅值之比的关于频率的正实函数
系统的相频特性函数的物理意义是：系统在正弦函数输入下，稳态
输出的相位与输入相位之差的关于频率的实函数
5. 控制系统的频域分析
频率响应：系统对谐波输入信号（即正弦输入信号）的稳态响应，也
称为谐波响应，或三角函数响应。
不失一般性，线性系统的频率响应可计算如下：
系统传递函数
y(s) u(s)
(s)
(s
p1 )(s
B(s) p2 )(s
pn )
(pi是系统极点)
系统输入 系统输出
u(t) Asin t u(s) A s2 2
( j) R () j I () ( j) e j()
( j)
2 R
(
)
2 I
(
)
( )
tan
1
I R
() ()
R ()
Im
( )
Re
G( j) j I ()
0
5. 控制系统的频域分析
因此，对于不同的频率ω，依据系统频率特性函数的幅值和相位 （或实部和虚部）在复平面上逐点描绘就可绘出极坐标图。这项工作 目前采用计算机辅助绘图方法很容易实现。极坐标图的规律是：
y(t) y1 (t) y2 (t)
5. 控制系统的频域分析

现代控制理论基础课件共58页

现代控制理论基础课件共58页
4
二 控制理论的产生及其发展
5
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类 在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的 发展和科学水平的进步而不断发展。
人类发明具有“自动”功能的装置的历史可以追溯到 公元前14－11世纪的中国、埃及和巴比伦出现的铜壶滴 漏计时器。
公元前4世纪，希腊柏拉图（Platon,公元前47－公元 前347）首先使用了“控制论”一词。
2
个人基本情况(2)
1982.09-1986.06 河南大学数学系基础数学专业本科毕业
1986.06-2019.06 在河南大学从事科研和教学究工作
1993.09-2019.06 郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业、获硕士学位
2019.09-2019.10 西北工业大学自动控制系博士研究生毕业 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员 2019.12 获得副教授任职资格
2019.10-2019.12 中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员
2000.05-2019.04 清华大学《控制科学与工程》博士后流动站工作
2019.4 被聘任为教授 2019.05-2019.07 清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员 2019.02-2019.06 香港浸会大学计算机科学系高级访问教授
对于非线性系统，除了线性化及渐近展开等计算外， 主要采用相平面分析和谐波平衡法(即描述函数法)研究。
16
这一时期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外， 还有美国的伯德（H.W.Bode）和埃文斯（W.R.Evans）。
1945年，伯德出版了《网络分析和反馈放大器设计》 一书，提出了频率响应分析方法，即简便而实用的伯德 图法。
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法，以及可控性和可观性
20世纪60-70年代，英国学者罗森布罗克等将频率 法推广到分析和设计多变量系统，称为现代频率法
31.08.2019
15 15
31.08.2019
16
计算机的出现和发展 是现代自动控制和自动化系统的物质基础
1946年2月15日，世界上第一台 通用电子数字计算机“埃尼阿克
31.08.2019
2
控制理论及工程的发展
前期控制 (1400BC-1900) 经典控制 (1935-1950) 现代控制 (1950-Now) 智能控制 (1970-）
31.08.2019
3
31.08.2019
人类生产方式的进步
4
自动化科学与技术的历史沿革
中国古代的自动化装置
指南车
31.08.2019

31.08.2019
18
自动化科学与技术的研究范畴
过程自动化与控制 综合自动化与计算机集成制造 机器人及应用 智能交通系统 巡航导弹和预警飞机 太空飞行 网络化系统
小世界网络拓扑 网络信息安全 传感器网络
31.08.2019
19
综合自动化与计算机集成制造
31.08.2019
2009年6月4—5日，西安浐灞生态区 25
高速列车
采用交流传动技术，控 制系统采用分布式微机 控制装置等进行智能控 制
我国高速“子弹头”列 车 ， 时 速 达 300 多 km/Hr。
在给定环节给出的输入信号是预先未知的随时间变化的函数
31.08.2019
11
经典控制理论的发展和集大成者
诺伯特·维纳 (Norbert Wiener)
1894-1964
控制论,或动物和机器的控制和通信,
1948 (Cybernetics, or control and communication in the animal and machine, 1948)
机械自动化－数控技术和数控系统 灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自 动化生产技术—数字控制（简称数控）
柔性制造系统（FMS） 在数控基础上的高度自动化加工形式，由统一 的控制系统和输送系统成一组加工设备
31.08.2019
20
柔性制造系统（FMS）
31.08.2019
21
计算机集成制造系统的结构
1992年我国自行研制的 银河－II巨型机
31.08.2019
17
现代系统与控制理论形成多个重要分支
自动检测、遥测、遥控和遥感 系统辩识、建模与仿真 模式识别和人工智能 系统工程 随机系统与控制、模糊集与控制 自适应控制和自校正控制 最优控制
智能控制
鲁棒控制
离散时间动态系统、混合系统
《控制论》与《工程控制论》的问世吸引了大批的数 学家与工程技术专家从事控制论的研究，推动了该学 科的发展。而电子式控制器的应用是自动化应用的第 二个里程碑。
31.08.2019
14 14
现代控制理论
复杂工业过程和航天技术的自动控制，涉及多变量 控制系统的分析和综合，迫切需要加以解决
1956年苏联数学家庞特里亚金提出极大值原理 同年美国数学家贝尔曼(Bellman)创立动态规划 1960年美国数学家卡尔曼(Kalman)提出状态空间
31.08.2019
车辆 转弯
齿轮系
车身
木人
方向
6
铜壶滴漏
31.08.2019
7
铜壶滴漏 （刻漏或漏刻）－ 这种计时装置最初只有
两个壶，由上壶滴水到下面的受水壶，液面使浮箭升起以 示刻度（即时间）。保持上壶的水位恒定是滴漏计时准确 的关键。这个问题后来是用互相衔接的多极（3-5极）水壶 来解决的
平水小壶上有溢水口，可使多余的水泄入减水桶以保持水 面恒定。在莲华漏中还采用一个浮子式阀门作为自动切断 阀。当受水壶的水位升至满刻度时，浮子式阀门就会自动 阻塞上级平水壶的出水小孔，切断水滴。
31.08.2019
8
对象和控制器形成控制系统
蒸汽源
进汽阀
蒸汽机 (对象)
转速
负荷
离心式 调速器 (调节器)
1788年瓦特发明蒸汽机飞球 调速器（图2）。这种采用机 械式调节原理实现的动力机 速度自动控制是自动化应用 的第一个里程碑。
31.08.2019
测 量
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经典控制理论的形成、发展和应用
工业生产和军事系统广泛应用各种自动控制装置，促进 了对控制系统的分析和综合的研究
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随动系统（伺服系统）
现代控制工程
王军平 西安交通大学机械学院
西二楼东221
wangjunping@
•教材： 《现代控制工程》
主编：王军平、董霞，西安交大出版社
课程目的
掌握现代控制理论的基本知识，锻炼研究生对于 解决复杂系统的分析和综合等实际控制问题的能 力, 特别是应用现代控制理论进行复杂机电系统 的分析与综合的能力，从而将控制理论和电子技 术相结合应用到机械系统中，实现智能化和自动 化。这对于推动专业技术工作更加深入，充分发用来指示方向的一种具有 能自动离合的齿轮系装置的车辆。
马拉双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。装有能 自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离正南方向时车辕 前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将 传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向 相反方向转动，恰好抵消车子转弯产生的影响
31.08.2019
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钱学森 (Tsue Shen Tsian)
工程控制论，1954
(Engineering Cybernetics)
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经典控制理论
稳定判据 传递函数、依据频率响应的频率法判据和分析 米诺尔斯基:《关于船舶自动操舵的稳定性》 黑曾（Hazen）:《关于伺服机构理论》 埃文斯（Evans）:根轨迹法
将制造过程、计划调度、经营管理和市场销售等信息进行集成，
并求得全局优化
31.08.2019
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机器人理论与应用
涉及几乎所有先进控制理论：非线性控制、鲁 棒控制、最优控制、智能控制等
涉及机器视觉、模式识别、信息融合等
31.08.2019
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31.08.2019
24
智能汽车
视听觉信息的认知 计算验证平台，提 供新的基于人— 车—路状态综合分 析的智能辅助安全 驾驶关键技术