機(jī)械控制工程精品課程2

1、,自動(dòng)控制理論教學(xué)內(nèi)容改革,浙江工業(yè)大學(xué) 王萬良wwl@zjut.edu.cn,2012年教育部高校教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)課程,目前，許多課程既需要“立”，更需要“破”！“立”——增加新的在工程中成功應(yīng)用的內(nèi)容。“破”——梳理內(nèi)容，刪除不是基本實(shí)用的內(nèi)容。關(guān)鍵是要大家討論，形成共識(shí)，共同改革！,,自動(dòng)控制理論教學(xué)內(nèi)容的精煉自動(dòng)控制理論新教學(xué)內(nèi)容的引進(jìn),在知識(shí)爆炸的今天，雖然許多理論與方法學(xué)生學(xué)了以后也是很有幫助的，但現(xiàn)代教育的關(guān)鍵是在

2、有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)到更多更有用的知識(shí)。任何一門科學(xué)總是遵循“創(chuàng)建­—擴(kuò)展—應(yīng)用—精煉”的過程。在擴(kuò)展階段，許多新方法被提出，有些方法通過在工程中應(yīng)用得到發(fā)展與保留，但有的方法不實(shí)用，被更好的方法取代。應(yīng)用自動(dòng)控制理論不同于研究自動(dòng)控制理論。因此，要對(duì)自控理論進(jìn)行梳理，保留基本實(shí)用的內(nèi)容。,（1）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)圖變換與簡(jiǎn)化是系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本技能。求取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是重要的，但教學(xué)重點(diǎn)不是在求取復(fù)雜系統(tǒng)傳遞函數(shù)的技巧，而

3、是在結(jié)構(gòu)圖變換。信號(hào)流圖對(duì)于控制系統(tǒng)CAD是非常重要的。梅森公式是用在計(jì)算機(jī)中簡(jiǎn)化信號(hào)流圖和結(jié)構(gòu)圖的。直接用梅森增益公式簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖方法看上去簡(jiǎn)單，但很容易出錯(cuò)，最好不介紹這種方法。,（2）代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)穩(wěn)定是系統(tǒng)工作的首要條件。穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是教學(xué)重點(diǎn)。系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件很重要，是各種穩(wěn)定判據(jù)的基礎(chǔ)。勞斯穩(wěn)定判據(jù)無論是手算，還是程序?qū)崿F(xiàn)都很簡(jiǎn)單。赫爾維茲穩(wěn)定判據(jù)、林-奇穩(wěn)定判據(jù)本質(zhì)上和勞斯判據(jù)等價(jià)，但手算

4、和程序?qū)崿F(xiàn)都不比勞斯穩(wěn)定判據(jù)簡(jiǎn)單?？梢圆恢v，也可以作為作業(yè)讓學(xué)生自己學(xué)習(xí)。,（3）暫態(tài)性能分析典型二階系統(tǒng)分析是教學(xué)重點(diǎn)，因?yàn)樵S多系統(tǒng)可以用典型二階系統(tǒng)描述，特別是欠阻尼典型二階系統(tǒng)的參數(shù)與性能指標(biāo)有簡(jiǎn)單的解析關(guān)系，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。暫態(tài)性能指標(biāo)是根據(jù)階躍響應(yīng)定義的，重點(diǎn)討論欠阻尼典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，對(duì)速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)以及非零初始狀態(tài)響應(yīng)不要太多介紹。,（3）暫態(tài)性能分析主要介紹高階系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)法。雖然主導(dǎo)極點(diǎn)法是近

5、似分析，但定性結(jié)論是完全正確的。有零點(diǎn)二階系統(tǒng)及三階系統(tǒng)等可以不講，是高階系統(tǒng)的特例，其參數(shù)與性能指標(biāo)沒有簡(jiǎn)單的解析關(guān)系，可以用MATLAB 計(jì)算，也可以讓學(xué)生自己分析。讓學(xué)生掌握系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布和性能指標(biāo)的關(guān)系很重要。,（4）根軌跡分析法根軌跡圖的優(yōu)點(diǎn)是非常直觀，可以很清楚地看出系統(tǒng)閉環(huán)特征根隨系統(tǒng)參數(shù)的變化，用來分析參數(shù)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響。在根軌跡圖上雖然可以進(jìn)行系統(tǒng)定量分析與設(shè)計(jì)，但由于根軌跡圖難以精確繪制，所以現(xiàn)在也逐漸

6、少用了。在教學(xué)中可以用較少的篇幅介紹根軌跡的基本概念和方法。一般不介紹根軌跡圖上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。,（5）頻域分析法奈氏圖難以精確繪制，使用MATLAB也是如此，適合分析穩(wěn)定性?；静挥媚问蠄D定量分析與設(shè)計(jì)。典型環(huán)節(jié)奈氏圖對(duì)繪制系統(tǒng)的奈氏圖沒有幫助，可以不講。伯德圖容易準(zhǔn)確繪制，適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一般介紹伯德圖校正方法。伯德穩(wěn)定判據(jù)看起來簡(jiǎn)單，但對(duì)非最小相位系統(tǒng)，在頻率0附近的半穿越不易掌握，不介紹為好。尼氏圖分析系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性指

7、標(biāo)比較復(fù)雜，現(xiàn)在很少用了，不如用MATLAB直接檢驗(yàn)時(shí)域指標(biāo)。所以，現(xiàn)在自動(dòng)控制理論中很少介紹尼氏圖方法。,（6）系統(tǒng)校正方法目前主要介紹基于伯德圖的校正方法?；诟壽E的校正方法基本不介紹了。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是串聯(lián)校正，所以當(dāng)學(xué)時(shí)有限時(shí)可以不介紹反饋校正。超前校正、遲后校正、遲后—超前校正等串聯(lián)校正本質(zhì)上就是廣為應(yīng)用的PID控制，但學(xué)生不能和PID聯(lián)系起來。教學(xué)中要解釋串聯(lián)校正與PID控制器之間的聯(lián)系。最好介紹控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

8、方法。不僅簡(jiǎn)單直觀，又能掌握PID整定的概念，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際。對(duì)少學(xué)時(shí)專業(yè)，可以只介紹工程設(shè)計(jì)方法。,（7）離散系統(tǒng)控制理論目前自動(dòng)控制幾乎是計(jì)算機(jī)控制，需要詳細(xì)介紹離散控制理論。特別是差分方程及微分方程的差分化，為計(jì)算機(jī)控制程序設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。應(yīng)側(cè)重離散控制系統(tǒng)本身的理論與方法，不要過多介紹將連續(xù)系統(tǒng)方法變換到離散系統(tǒng)中的一些方法。對(duì)于最少拍離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以適當(dāng)減少，或者直接介紹無紋波離散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有人認(rèn)為離散

9、控制理論可以放到《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程里介紹，這是不合適的。,（8）非線性控制非線性系統(tǒng)特性，和線性系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。描述函數(shù)法：非線性系統(tǒng)的自激振蕩。對(duì)于一般非線性系統(tǒng)的定量分析就不介紹了，一方面由于其復(fù)雜性，另一方面可以利用仿真技術(shù)求解。相平面法：奇點(diǎn)、極限環(huán)等特性。不是著重定量計(jì)算。相軌跡的繪制著重介紹解析法和定性控制法，了解相軌跡的重要特性。等傾線法等圖解法可以作為定性控制法一部分。,（9）狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型狀態(tài)的概念以

10、及狀態(tài)空間模型的建立方法。系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的實(shí)現(xiàn)，主要是建立狀態(tài)空間模型和微分方程、傳遞函數(shù)等模型之間的關(guān)系。不要過多介紹各種實(shí)現(xiàn)方法，例如傳遞函數(shù)有多重極點(diǎn)時(shí)的實(shí)現(xiàn)等。,（10）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析連續(xù)、離散系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性定義、條件、穩(wěn)定判據(jù)。線性連續(xù)、離散系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的定義、性質(zhì)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的拉氏變換或Z變換計(jì)算方法。能控性能觀性的概念、判別準(zhǔn)則。狀態(tài)空間模型的對(duì)角線標(biāo)準(zhǔn)型、能控標(biāo)準(zhǔn)型與能觀標(biāo)準(zhǔn)型以及

11、傳遞函數(shù)的幾種標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)法。對(duì)偶原理和線性系統(tǒng)的規(guī)范分解。,（11）控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋配置系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的方法。全維狀態(tài)觀測(cè)器、降維狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)方法。帶狀態(tài)觀測(cè)器的狀態(tài)反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。最優(yōu)控制的概念，然后介紹用變分法求解最優(yōu)控制問題的方法，和龐德里亞金的極小值原理。線性二次型最優(yōu)控制問題。對(duì)于少學(xué)時(shí)專業(yè)，可以在介紹最優(yōu)控制數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，直接介紹線性二次型最優(yōu)控制問題。,（12）MATLAB教學(xué)學(xué)生普遍感覺

12、自動(dòng)控制理論中計(jì)算和繪圖多，望而生畏。讓學(xué)生掌握MATLAB是當(dāng)前自控理論教學(xué)的普遍做法，但只能簡(jiǎn)明介紹，避免沖淡教學(xué)主題。MATLAB對(duì)于控制系統(tǒng)CAD很有用，但僅是數(shù)值計(jì)算，只能作為輔助分析的工具，不能成為建立一般控制理論的基礎(chǔ)，不能替代控制理論分析與設(shè)計(jì)方法。MATLAB是一種軟件，學(xué)生自己很容易學(xué)會(huì)使用。教學(xué)中主要是引導(dǎo)學(xué)生去使用。最合適的方法是在教材每章最后進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，這樣在教學(xué)中可以靈活處理。,自動(dòng)控制理論教學(xué)內(nèi)容的

13、精煉自動(dòng)控制理論新教學(xué)內(nèi)容的引進(jìn),“現(xiàn)代控制理論”課程在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上，介紹以狀態(tài)空間模型的分析與設(shè)計(jì)方法。主要內(nèi)容:狀態(tài)方程數(shù)學(xué)模型、李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)、動(dòng)態(tài)性能分析、能控性和能觀性分析、狀態(tài)反饋控制與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)、極小值原理、線性二次型最優(yōu)控制方法等。這是現(xiàn)代控制的理論基礎(chǔ)，在空間技術(shù)、機(jī)電設(shè)備等確定性控制中得到成功應(yīng)用。,在狀態(tài)空間分析與設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，非常需要增加介紹一些在工程中已經(jīng)成功應(yīng)用的現(xiàn)代控制方法。如：簡(jiǎn)

14、單實(shí)用的最小二乘系統(tǒng)辨識(shí)方法，這是建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的重要方法?；谙到y(tǒng)在線辨識(shí)的自校正控制方法。工程中已經(jīng)廣泛應(yīng)用的預(yù)測(cè)控制方法。在工程中應(yīng)用非常廣泛的模糊控制、專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法。,1．系統(tǒng)辨識(shí)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是控制理論研究的基本問題?！跋到y(tǒng)辨識(shí)”是研究建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法。最小二乘法在理論上最為成熟，應(yīng)用最廣泛。主要內(nèi)容：介紹系統(tǒng)辨識(shí)的基本概念、最小二乘參數(shù)估計(jì)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)辨識(shí)等基本內(nèi)容。較詳細(xì)

15、地介紹線性動(dòng)態(tài)離散模型的參數(shù)估計(jì)，特別是遞推算法 。,2．自適應(yīng)控制當(dāng)對(duì)象不能事先辨識(shí)，或經(jīng)常改變，不再是最優(yōu)控制。自適應(yīng)控制是一類能夠適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)的現(xiàn)代控制算法。以遞推最小二乘為參數(shù)估計(jì)方法，以最小方差為控制目標(biāo)函數(shù)的自校正控制得到了較多的應(yīng)用。主要內(nèi)容：介紹自適應(yīng)控制中很重要、本科生容易接受的的自校正控制。包括自校正控制的結(jié)構(gòu)、最小方差控制、自校正調(diào)節(jié)器、應(yīng)用實(shí)例。,3．預(yù)測(cè)控制最優(yōu)控制

16、需要被控對(duì)象精確模型，但難以得到工業(yè)過程精確數(shù)學(xué)模型，因此難以應(yīng)用于工業(yè)過程控制。預(yù)測(cè)控制是美國(guó)和法國(guó)公司在70年代提出的，很快在石油、電力和航空等工業(yè)中得到十分成功的應(yīng)用。預(yù)測(cè)控制對(duì)模型要求不高，又能實(shí)現(xiàn)最佳控制。主要內(nèi)容：從實(shí)際應(yīng)用角度，介紹動(dòng)態(tài)矩陣控制、模型算法控制、廣義預(yù)測(cè)控制等工程設(shè)計(jì)及其應(yīng)用。煉油廠主要裝置的預(yù)測(cè)控制。,4．模糊控制模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，由模糊推理進(jìn)行決策的一種高級(jí)計(jì)算機(jī)控制策略。模糊控制已在

17、過程控制、汽車電子、圖像處理、測(cè)量技術(shù)、機(jī)器人、故障診斷、家用電器等眾多控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被公認(rèn)為是簡(jiǎn)單而有效的控制技術(shù)。主要內(nèi)容：圍繞模糊控制系統(tǒng)組成，介紹模糊控制基本方法。包括模糊控制器的輸入輸出變量模糊化方法、模糊控制規(guī)則、模糊推理與判決等環(huán)節(jié)。典型的過程控制、洗衣機(jī)、照相機(jī)等家電的模糊控制系統(tǒng)。,5．專家控制20世紀(jì)80年代，專家系統(tǒng)被引入控制領(lǐng)域，形成了專家控制系統(tǒng)，成為智能控制的一個(gè)重要分支。專家系統(tǒng)一般包括人機(jī)接

18、口、推理機(jī)、知識(shí)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)和解釋機(jī)構(gòu)六部分。專家系統(tǒng)是專家控制系統(tǒng)的核心。主要內(nèi)容：介紹專家系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)的概念、知識(shí)表示、基本推理和搜索策略，專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。,6．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制隨著被控對(duì)象和環(huán)境越來越復(fù)雜，迫切希望控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制器或辨識(shí)器，解決非線性不確定性系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的控制問題。主要

19、內(nèi)容：最基本最典型的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)辨識(shí)與軟測(cè)量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及其應(yīng)用。,特別強(qiáng)調(diào)：現(xiàn)代控制方法很多，對(duì)于不同專業(yè)選其中部分內(nèi)容講授。這些內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，例如，預(yù)測(cè)控制、模糊控制、專家控制等，選擇其中部分內(nèi)容講授，仍可保持體系結(jié)構(gòu)的完整性。,教學(xué)中沒有普遍的正確方法，需要教師根據(jù)具體的教學(xué)對(duì)象選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法。上面談了一些作者在自動(dòng)控制理論課程教學(xué)中的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，肯定存在偏見，僅供同行參考，歡迎大家批評(píng)指正！,請(qǐng)各