第1章 概述 MATLAB控制系统设计与仿真 教学课件.pptVIP

第1章 概述 1.1 控制系统简介 1.2 MATLAB 6.X中的控制产品集 1.3 数学准备 1.1 控制系统简介 1.1.1 控制理论的发展 进入20世纪以来, 现代科学技术的发展对自动控制的精度、 速度和适应能力的要求越来越高, 从而推动了自动控制理论和控制技术的迅速发展。 特别是20世纪60年代以来, 计算机技术的迅猛发展, 奠定了自动控制理论和控制技术的物质基础。 于是, 现代控制理论逐步形成了一门现代科学分支。 控制理论的发展过程是由简单到复杂、 由量变到质变的辩证发展过程。 从发展的不同阶段来看, 控制理论的发展大致经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段。 经典控制理论主要研究简单的单输入单输出（SISO）系统, 所涉及的系统大多是线性时不变（LTI）系统, 即使是用于解决非线性系统问题的相平面法， 也只能处理两个状态变量的情况。 常接触到的系统, 如电机的位置和速度控制、 冶炼炉的温控系统都被简化成SISO线性定常系统来处理。 控制系统设计的常用方法包括频域法、 根轨迹法、 奈奎斯特稳定判据、 期望对数频率特性综合等。 这些方法在精确度、 准确度不高的情况下是完全适用的。 经典控制理论是与生产过程的局部自动化相适应的, 具有明显的依靠手工进行分析和综合的特点。 这个特点是与40~50年代生产发展的状况以及计算机技术的发展水平尚处于初期阶段密切相关的。 1.1.2 经典控制理论 经典控制理论对SISO LTI系统的分析和综合是有成效的。 它主要以Laplace变换和Z变换为数学工具, 用传递函数方法描述系统的动态特性, 用频域响应、 根轨迹分析和极点配置等理论研究设计控制系统。 经典控制理论主要有以下特点： （1） 经典控制理论本质上是一种频域方法, 它以系统的输出输入特性作为研究的依据, 着眼于系统的输出； 而现代控制理论本质上是一种时域方法, 它是建立在状态变量描述方法的基础上的。 （2） 经典控制理论是在一类特定的输入情况下分析输出的响应。 在综合问题上, 是根据给定的某种指标来设计系统的校正网络的。 （3） 经典控制理论的控制器即校正装置, 是由能实现典型控制规律的调节器构成的。 而现代控制理论的控制器则是能实现任意控制规律的数字机。 （4） 经典控制理论的基本内容有时域法、 频域法、 根轨迹法、 描述函数法、 相平面法、 代数与几何判据、 校正网络设计等, 研究的主要问题是稳定性问题。 1.1.3 现代控制理论 现代控制理论以线性代数为数学工具, 用状态空间方法描述系统内部的动力学性能, 研究系统的稳定性、 能控性、 能观性等问题, 用极点配置、 最优控制、 状态方块等理论研究设计控制系统。 现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的, 主要有以下特点： （1） 现代控制理论是以多变量、 线性及非线性系统为研究对象的。 在近代的工业过程控制、 飞行器控制等许多领域中, 被控对象变得日益复杂, 其中包括了多变量耦合问题、 参数时变问题和非线性问题。 现代控制理论正是为了处理这样的复杂控制系统而发展起来的。 （2） 现代控制理论以时域中的状态空间方法对系统进行数学描述, 并在此基础上对系统进行各种定性和定量的分析以及希望的控制规律设计。 （3） 现代控制理论以现代数学方法为主要分析手段, 如线性代数、 微分方程和微分几何等现代数学理论在最优控制、 非线性系统的控制问题中都有广泛的应用, 甚至像模糊数学、 混沌及神经网络等必威体育精装版的数学方法也已经在许多控制领域得到应用。 （4） 现代控制技术的研究是以计算机为主要计算和分析工具的, 计算机技术的发展极大地促进了控制理论研究的广泛应用与推广。 （5） 现代控制技术的研究对象还包括没有或不能用精确数学模型进行描述的广泛意义上的非线性系统, 其中诸如神经网络控制、 自适应控制等先进控制技术已成功应用到卫星、 航天等大系统的控制中。 现代控制技术能够处理复杂非线性、 相互耦合、 外界干扰、 多输入多输出、 参数时变等复杂对象, 研究的范围与经典控制理论相比有了极大的扩展。 1.1.4 控制系统的计算机辅助设计 控制系统计算机辅助设计是一门以计算机为工具进行的控制系统设计与分析的技术。 大部分从事科学研究和工程应用的技术人员常常