主讲人电信学院曹建福

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1、主讲人：电信学院曹建福办公室电话：82664629E-mail:cjf@xjtu.edu.cn个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/cjf1绪论一、控制理论与技术发展历史1.经典控制理论1930年-1960年对象：单变量线性系统由于第一次工业革命的需要，人们开始采用自动调节器（Regulator）或装置，使一些物理量保持在给定值附近。在公元1788年，J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统.20世纪20-30年代，美国开始采用PID模拟式调节器（比2例-积分-微分调节器）。现在还在许多工厂中采用。

2、•在第二次世界大战期间，为了解决防空火力控制系统和飞机自动导航系统等军事技术问题，设计了各种精密的自动调节装置。经典控制理论基于频域(FrequencyDomain)的方法传递函数(TransferFunction)在依据代数稳定判据、频率响应的频率法稳定性判据的基础上，加上W.埃文斯1948年的根轨迹法（RootLocusMethod），奠定了适宜用于单变量控制问题的经典控制理论的基础。3早期，反馈控制系统通称为自动调节系统，后称为自动控制系统(AutomaticControlSystem)。因此，调节器也称为控制器。452.现代控制理论1960年—1980年对象

3、：多变量线性系统•1956年，前苏联数学家Л.庞特里亚金提出极大值原理。同年，美国数学家R.贝尔曼创立动态规划。两者为解决最优控制问题提供了理论工具。•1960年美国数学家R.卡尔曼提出能控性和能观性两个概念，揭示了系统的内在属性。卡尔曼还引入状态空间法，提出具有二次型性能指标的线性状态反馈律，为线性自动控制系统给出了最优调节器的概念。以上这些新概念和新方法标志着现代控制理论的诞生。•20世纪60-70年代，英国学者H.罗森布罗克、D.梅恩和A.G.麦克法兰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。6推动:远程火箭技术与航天技术、现代航海技术的直接影响以

4、上两种理论研究的对象是线性系统3.先进控制理论1980年后7对象：复杂动态系统，涉及非线性、不确定性等二、控制系统中的非线性现象各种较为精确的分析和科学实验的结果表明，任何一个实际的物理系统都是非线性的。所谓线性只是对非线性的一种简化或近似，或者说是非线性的一种特例。欧姆定理U=IR，即使对于简单的单电阻系统来说，严格说来也是非线性的。当电流通过电阻以后就会产生热量，温度就要升高，而阻值随温度的升高就要发生变化。欧姆定理不再是线性关系，而是非线性关系。动力学中的虎克定理、热力学中的第一定律以及气体的内摩擦力等等也都有类似的情况。所谓线性系统只是在忽略了非线性因素或

5、在一定条件下进行了线性化处理后的理想模型，非线性具有普遍性。8组成实际控制系统的环节总是在一定程度上带有非线性:（1）作为放大元件的晶体管放大器，由于它们的组成元件(如晶体管、铁心等)都有一个线性工作范围，超出这个范围，放大器就会出现饱和现象；（2）执行元件例如电动机，总是存在摩擦力矩和负载力矩，因此只有当输入电压达到一定数值时，电动机才会转动，即存在不灵敏区：同时，当输入电压超过一定数值时，由于磁性材料的非线性，电动机的输出转矩会出现饱和；（3）各种传动机构由于机械加工和装配上的缺陷，在传动过程中总存在着间隙，等等。对线性系统的物理描述和数学求解是比较容易实现的

6、事情，而且已经形成了一套完善的线性理论和分析研究方法。从对控制系统的精度要求来看，用线性系统理论来处理目前绝大多数工程技术问题，在一定范围内都可以得到满意的结果。9但在精度要求高的场合，对非线性系统用这种近似的方法不能满足要求。传统的线性控制方法理论，与工业应用之间鸿沟很大机器人、高速列车、飞行器等都是非线性系统a.机器人系统HqqCqqqgq()(,)()10b.石油钻井平台11C.高速列车12解决非线性系统的分析与控制问题是非常重要的三、本课程主要内容1.非线性现象与典型非线性控制系统2.描述函数分析3．相平面分析方法4．反馈线性化控制5.滑模变结构控

7、制6.反步设计方法7.非线性控制理论应用（1）机器人控制（2）高速数控机床运动控制四、参考文献以讲义为主，参考下列资料：a.应用非线性控制，Jean-JacquesE.Slotine,麻省理工学院13b.非线性系统理论，方勇纯，清华大学出版社