計算動力學(xué)第六章

1、運載工程與力學(xué)學(xué)部 Passive SystemSemi-Active SystemActive System消振消振:振源是系統(tǒng)產(chǎn)生過度振動的根源，如果能減小振源產(chǎn)生的激勵能量(例如，減小安裝在結(jié)構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)機械的偏心度)，則系統(tǒng)的過度振動就不會出現(xiàn)。這種減小振源激勵能量的技術(shù)措施，稱之為消振。 控制方法：隔振隔振:改變振源對需減振系統(tǒng)激勵能量的頻譜結(jié)構(gòu)，減小能夠傳遞到系統(tǒng)的所謂通過頻率的激勵能量，從而使系統(tǒng)的振動受到抑制，這種措施稱為隔振。它要在振源與需減振的系統(tǒng)之間安裝附加子系統(tǒng)，將振源與系統(tǒng)分隔開來，從而達到減振目的。 吸振吸振：在需要減振的結(jié)構(gòu)上附加輔助子系統(tǒng)，使振源的激勵能量分配到結(jié)

2、構(gòu)與輔助子系統(tǒng)上，并使分配到結(jié)構(gòu)上的能量最小，這樣就可達到結(jié)構(gòu)減振的目的。這種方法稱為吸振，相應(yīng)的輔助子系統(tǒng)稱為動力吸振器。吸振器給系統(tǒng)提供抵消激振力的所謂吸振力，從而減小了系統(tǒng)本身的動響應(yīng)。 Tuned Mass DamperRubber Bearings(Base-Isolation system)Viscous DamperHysteretic Steel,Friction Damper2 振動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀振動控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀StructureActive control system ResponseExcitationFeedback loopSensorsSensorsFe

3、edforward loopPower ControllerActuatorU(t)Active Mass DriverActive Tendon SystemRubber Bearings(Base-Isolation System)Actuators抗震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的區(qū)別隔震結(jié)構(gòu)的區(qū)別抗震結(jié)構(gòu)：抗震結(jié)構(gòu)：利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力和變形能力抵御地震作用，吸收地震能量。作用，吸收地震能量。 立足于立足于“抗抗”。隔震結(jié)構(gòu)：隔震結(jié)構(gòu)：在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移層，阻止地震能量向上傳遞。阻止地震能量向上

4、傳遞。 立足于立足于“隔隔”。為達到明顯減震效果，通常基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：為達到明顯減震效果，通?；A(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：(1)(1)承載特性：具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量；承載特性：具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量；(2)(2)隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持隔震特性：具有足夠的水平初始剛度，在風(fēng)載和小震作用下，體系能保持 在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平 剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系；剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系；(3)(3)復(fù)

5、位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。復(fù)位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。(4)(4)耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從 而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。隔震系統(tǒng)應(yīng)用隔震系統(tǒng)應(yīng)用 基礎(chǔ)隔震的概念早在基礎(chǔ)隔震的概念早在1919世紀已有人提過，廣義的隔震方案則更是世紀已有人提過，廣義的隔震方案則更是源淵流長，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層；現(xiàn)代的源淵流長，如北京故宮就設(shè)有糯米加石灰的柔性減震支座層；現(xiàn)代的基礎(chǔ)隔

6、震理論和實踐開始于上世紀基礎(chǔ)隔震理論和實踐開始于上世紀7070年代，基礎(chǔ)隔震方案很多，下面年代，基礎(chǔ)隔震方案很多，下面作簡單介紹作簡單介紹1.早期隔震技術(shù)河合浩藏（Kawai）的“地震時不受大震動的結(jié)構(gòu)” 右圖是1891年河合浩藏的“地震時不受大震動的結(jié)構(gòu)”。其隔震思路是在地基上并排鋪設(shè)了數(shù)層圓木，并且把建筑物周圍挖空，從而地震時可對上部建筑起到隔震J.A.CalantarientsJ.A.Calantarients提出的隔震結(jié)構(gòu)提出的隔震結(jié)構(gòu) 右圖是J.A.Calantarients于1909年提出的隔震結(jié)構(gòu)(Base-isolated building )方案。這種隔震結(jié)構(gòu)在建筑物結(jié)構(gòu)與基

7、礎(chǔ)之間用滑石層隔開，地震時建筑物可以滑動。中村太郎的隔震結(jié)構(gòu) 右圖是中村太郎于1927年提出的隔震結(jié)構(gòu)方案。在這種隔震系統(tǒng)中已使用阻尼泵來耗散地震動的能量，并且在該建筑地下層柱的上下端采用鉸接構(gòu)造，建筑物可以水平自由移動。 柔性層隔震結(jié)構(gòu)柔性層隔震結(jié)構(gòu)( (Flexible first-story buildingFlexible first-story building) ) 柔性層結(jié)構(gòu)隔震概念由Martel在1929年提出，由Green(1935年)和Jacobasen(1938年)進一步加以研究與完善；下圖是真島健三郎于1934年的柔性層結(jié)構(gòu)。地震時，柔性層進入塑性，結(jié)構(gòu)的剛度變小，結(jié)構(gòu)

8、的基本周期延長，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小。 滾動支撐類隔震系統(tǒng)滾動支撐類隔震系統(tǒng)（Roller bearing systemRoller bearing system） 為克服柔性層結(jié)構(gòu)所帶來的缺陷，科學(xué)家們相繼提出了多種滾動支撐類隔震系統(tǒng)，工作元件有球形和橢圓形等多種，但由于其隔震是有向性的，而地震是具有無向性，這些類型的隔震系統(tǒng)均未能推廣應(yīng)用。 最新隔震技術(shù)隔震橡膠支座隔震橡膠支座( (The laminated rThe laminated rubber bearing) )隔震系統(tǒng)。隔震系統(tǒng)。 南加州大學(xué)醫(yī)院南加州大學(xué)醫(yī)院( (The University of Southe

9、rn California Teaching Hospital)是橡膠支座隔震系統(tǒng)，這棟八層醫(yī)院基礎(chǔ)加速度為是橡膠支座隔震系統(tǒng)，這棟八層醫(yī)院基礎(chǔ)加速度為 0.49g，而頂，而頂層加速度只有層加速度只有0.21g, 加速度折減系數(shù)為加速度折減系數(shù)為1.8。而抗震結(jié)構(gòu)橄欖景醫(yī)院。而抗震結(jié)構(gòu)橄欖景醫(yī)院(The Olive View Hospital)的底層加速度為的底層加速度為 0.82g，而頂層加速度為，而頂層加速度為2.31g, 加速加速度放大系數(shù)為度放大系數(shù)為2.8，由此可見橡膠支座隔震系統(tǒng)的優(yōu)越性。，由此可見橡膠支座隔震系統(tǒng)的優(yōu)越性。中南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu)）中南加州大學(xué)醫(yī)院（隔震結(jié)構(gòu)）橄

10、欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)） 19941994年年1 1月月1717日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級日，美國圣菲爾南多發(fā)生洛杉磯地震，震級M=6.7M=6.7，直下，直下型地震，死亡型地震，死亡5656人，傷人，傷73007300人，損失很大。人，損失很大。 震中附近有兩座醫(yī)院，一座為隔震結(jié)構(gòu)，另一座為抗震結(jié)構(gòu)。震中附近有兩座醫(yī)院，一座為隔震結(jié)構(gòu)，另一座為抗震結(jié)構(gòu)。中南加州大學(xué)醫(yī)院中南加州大學(xué)醫(yī)院 地下一層，地上地下一層，地上7 7層，建筑面積：層，建筑面積：3300033000平方米；占地：平方米；占地：41004100平米；平米；最高高度：最高高度：3636。0m0m；

11、鉛芯多層橡膠隔震器；鉛芯多層橡膠隔震器6868個，多層橡膠隔震器個，多層橡膠隔震器8181個。個。 中南加州大學(xué)醫(yī)院在這次地震及其其后的余震中，中南加州大學(xué)醫(yī)院在這次地震及其其后的余震中，6-86-8英尺高的花瓶英尺高的花瓶等沒有一個掉下來，建筑物內(nèi)的各種機器等均未損壞，醫(yī)院功能得到維等沒有一個掉下來，建筑物內(nèi)的各種機器等均未損壞，醫(yī)院功能得到維持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。持，成為防災(zāi)中心，起到十分重要的作用。橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)）橄欖景醫(yī)院（抗震結(jié)構(gòu)） 橄欖景醫(yī)院在橄欖景醫(yī)院在19711971年圣費爾年圣費爾南多地震中受到較大損害，南多地震中受到較大損害，1010年年后重建，并增加

12、了抗震強度。后重建，并增加了抗震強度。 在此次地震中，剪力墻產(chǎn)生在此次地震中，剪力墻產(chǎn)生剪切裂縫，設(shè)備機器、醫(yī)療機械剪切裂縫，設(shè)備機器、醫(yī)療機械及家具等翻倒，病歷等資料掉下、及家具等翻倒，病歷等資料掉下、散亂。而且水管破裂，各層浸水，散亂。而且水管破裂，各層浸水，建筑物不能使用，完全喪失了醫(yī)建筑物不能使用，完全喪失了醫(yī)院的功能。院的功能。 一九九四年九月十六日，臺灣海峽發(fā)生了一九九四年九月十六日，臺灣海峽發(fā)生了7.3級地震，震源距離級地震，震源距離汕頭市約汕頭市約200公里，汕頭市烈度為公里，汕頭市烈度為6度，各類房屋搖晃厲害，居民驚度，各類房屋搖晃厲害，居民驚惶失措，水桶里的水濺出了惶失措，

13、水桶里的水濺出了1/3左右左右而陵海路隔震樓上的人并沒而陵海路隔震樓上的人并沒有感到晃動，聽到毗鄰樓房和鄰街喧鬧聲后下樓才知道發(fā)生了地震。有感到晃動，聽到毗鄰樓房和鄰街喧鬧聲后下樓才知道發(fā)生了地震。日本阪神大地震日本阪神大地震 一九九五年一月十七日發(fā)生了日本阪神大地震。震級7.2級，是日本戰(zhàn)后最大地震災(zāi)害。在這次地震中，有二幢隔震結(jié)構(gòu)建筑得到了地震觀測記錄。從這些記錄可以看到隔震房屋在大地震中發(fā)揮了隔震效果，證實了隔震結(jié)構(gòu)的有效性。WEST大廈(西部郵政大樓)建筑面積46000m2，6層，是日本最大的隔震建筑。該建筑距震源東北35公里，在基礎(chǔ)、l層和6層進行了地震記錄觀測。213263300基

14、礎(chǔ)基礎(chǔ)193571061層層377751036層層上下上下南北南北東西東西地震觀測地震觀測位置位置方向方向 下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑下圖分別是世界上第一棟采用鉛芯橡膠支座隔震的建筑(The William Clayton Building, New Zealand)和世界上使用鉛芯橡膠支和世界上使用鉛芯橡膠支座中基底面積最大的建筑座中基底面積最大的建筑(日本日本)。 日本日本19971997年度評定的隔震建筑中，采用鉛芯橡膠支座隔震房屋占總年度評定的隔震建筑中，采用鉛芯橡膠支座隔震房屋占總數(shù)的數(shù)的40%40%，美國在，美國在19851985年以后興建的隔震房屋中，完全或

15、部分采用鉛芯年以后興建的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60.7%60.7%，我國在已建成的隔震房屋中，完，我國在已建成的隔震房屋中，完全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的全或部分采用鉛芯橡膠支座的隔震房屋占總數(shù)的60%60%。AMD-1AMD-2Control ComputerSensorSensorSensor（1） 粘彈性阻尼器 粘彈性阻尼器是由兩塊T型鋼板與一塊中心板夾兩層粘彈性物質(zhì)組成。將阻尼器的兩塊T型鋼板和中間所夾的中心板分別安裝于鋼結(jié)構(gòu)的柱上和格架下弦處，當(dāng)由于外力作用(振動)引起柱與桁架下弦之間產(chǎn)生錯動時，可令兩塊粘彈性

16、物質(zhì)剪切變形，并耗散能量，從而達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。 粘彈性模型：第一階段: 經(jīng)典(自動)控制理論 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論即古典控制理論古典控制理論,也稱為自動控制理論自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程：一一 萌芽階段萌芽階段 如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽萌芽。控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個發(fā)展階段：1. 兩千年前我國發(fā)明的 指南車指南車，就是一種開開 環(huán)環(huán)自動調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。指南車2. 公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我國發(fā)明的水運儀象臺水運儀象臺， 就是一種閉環(huán)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系 統(tǒng)。水運儀象臺二二 起步階段起步階段

17、隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀十八世紀，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特瓦特（J.WattJ.Watt）發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特瓦特三三 發(fā)展階段發(fā)展階段1. 1868年馬克斯韋爾（馬克斯韋爾（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）解決了蒸汽機調(diào)速 系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn) 定性代數(shù)判據(jù)。馬克斯韋爾（馬克斯韋爾（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）2. 1895年勞斯（勞斯（RouthRouth）與赫赫爾維茨（爾維茨（HurwitzHurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴展到高階微分方程描述

18、的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀初期控制工程師的需要。 赫爾維茨（赫爾維茨（HurwitzHurwitz）3.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài) 準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。 奈奎斯特奈奎斯特4.1948年伊萬斯（伊萬斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬斯的根軌跡法

19、基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。自動控制理論）。四四 標(biāo)志階段標(biāo)志階段 1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家韋納韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了控制論控制論關(guān)于在動物和機器中關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的科學(xué)控制與通訊的科學(xué)，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝缚刂普撝疙f納韋納2.我國著名科學(xué)家錢學(xué)森錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并與1954年出版了工程控制論工程控制論。錢學(xué)森錢學(xué)森1955年回國。1955年至1946年任中國科學(xué)

20、院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965年至1970年任第七機械工業(yè)部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學(xué)會第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會名譽會長，中科院主席團執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國科協(xié)第三屆全委會主席。1991年5月在中國科協(xié)第四次全國代表大會上當(dāng)選為科協(xié)名譽主席。1992年4月被聘為中科院學(xué)部主席團名譽主席。1994年6月當(dāng)選為中國工程院院士。 錢學(xué)森錢學(xué)森 錢學(xué)森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。

21、 1929年至1934年在上海交通大學(xué)機械工程系學(xué)習(xí)。1935年至1939年在美國麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)，獲碩士學(xué)位。1936年至1939年在美國加州理工學(xué)院航空與數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，獲博士學(xué)位。1939年至1943年任美國加州理工學(xué)院航空系研究員。1943年至1945年任美國加州理工學(xué)院航空系助理教授（其間：1940年至1945年為四川成都航空研究所通信研究員）。1945年至1946年任美國加州理工學(xué)院航空系副教授。1946年至1949年任美國麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動力學(xué)教授。1949年至1955年任美國加州理工學(xué)院噴氣推進中心主任、教授。 從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)

22、用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。第二階段 現(xiàn)代控制理論 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個重要的條件現(xiàn)代數(shù)學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計算機數(shù)字計算機。 現(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺。 在二十世紀五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)。 1.五十年代后期，貝

23、爾曼（貝爾曼（BellmanBellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在19571957年年提出了動態(tài)規(guī)劃。2.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念?？柭?. 羅森布洛克羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)3. 1

24、961年龐特里亞金（俄國人）提出了極?。ù螅┲翟?。龐特里亞金 L.S.Pontryagin4. 羅森布洛克羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯歐文斯（D.H.Owens）和麥克法輪麥克法輪（G.J.MacFarlane）研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)5. 20世紀70年代奧斯特隆奧斯特隆姆姆（瑞典）和朗道朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制理論理論和應(yīng)用方面作出了貢獻。 與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制

25、、離散時間系統(tǒng)系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自自適應(yīng)控制適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。 朗道朗道L.D.Landau第三階段 魯棒控制理論階段 1. 由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H等范數(shù)而 出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。2. 20世紀70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、 “智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系的結(jié) 構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等 問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制復(fù)雜大系統(tǒng)控制智能控制理論智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信 息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人

26、智能 的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機智能模糊控制機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)雜系統(tǒng)理論復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范 籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。 回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進入電氣化時代，并走向自動化、信息化、智能化時代。復(fù)雜航天器控制自動控制的定義：所謂自動控制，是指在沒有人的自動控制的定義：所謂自動控制，是指在沒有人的直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)制裝置或控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)

27、（即被控制稱被控制對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。1、發(fā)展過程：二戰(zhàn)時期工業(yè)制造的需要，到、發(fā)展過程：二戰(zhàn)時期工業(yè)制造的需要，到60年年代宇航技術(shù)的發(fā)展。代宇航技術(shù)的發(fā)展。 2、反饋控制原理、反饋控制原理 自動控制的概念自動控制的概念經(jīng)典控制理論人取書的反饋控制系統(tǒng)人取書的反饋控制系統(tǒng)設(shè)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)設(shè)單輸入單輸出線性定常系統(tǒng): : u(t(t) ) 輸入量輸入量 y(ty(t) ) 輸出量輸出量 在零初始條件下在零初始條件下: : 0)0()0()0()1(nyyy0)0()0()0()1(muuun個m個ububub

28、yayayammmnnn) 1(1)(0) 1(1)(0)()(11101110sUbsbsbsbsYasasasammmmnnnnnnnnmmmmasasasabsbsbsbsUsYsG11101110)()()(拉氏變換拉氏變換:傳遞函數(shù)傳遞函數(shù): :nm Y(s)=G(s)U(s)現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論狀態(tài)空間描述狀態(tài)空間描述DUCXYBUAXXHMBCMKMIAuHMxxCMKMIxxxxXxxXHuMKxMxCMxHuKxxCxM1111111110,000 所以，則令 例 在如圖所示的系統(tǒng)中，質(zhì)量為Ml和M2的兩個物塊在水平面上滑動，阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)如圖所示)()(212132

29、2221213222212121tPtPyykkkkkkyyccccccyyMM 問題提法問題提法動態(tài)方程動態(tài)方程 ( )( ) ( )( ) ( )x tA t x tB t u t( )( ) ( )y tC t x t指標(biāo)泛函指標(biāo)泛函 0TTT11( )( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )d22TtJxT Sx Txt Q t x tut R t u tt使使求求( , )u x tJ有最小值有最小值此問題稱線性二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制問題此問題稱線性二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制問題( , )u x t通常稱通常稱為綜合控制函數(shù)為綜合控制函數(shù)指標(biāo)泛函的物理意義指標(biāo)泛函的物理意義

30、積分項，被積函數(shù)由兩項組成，都是二次型。積分項，被積函數(shù)由兩項組成，都是二次型。第一項過程在控制過程中，實際上是要求每個第一項過程在控制過程中，實際上是要求每個分量越小越好，但每一個分量不一定同等重要，所分量越小越好，但每一個分量不一定同等重要，所以用加權(quán)來調(diào)整，當(dāng)權(quán)為零時，對該項無要求。以用加權(quán)來調(diào)整，當(dāng)權(quán)為零時，對該項無要求。第二項控制能力能量消耗最小。對每個分量要第二項控制能力能量消耗最小。對每個分量要求不一樣，因而進行加權(quán)。要求正定，一方面對每求不一樣，因而進行加權(quán)。要求正定，一方面對每個分量都應(yīng)有要求，否則會出現(xiàn)很大幅值，在實際個分量都應(yīng)有要求，否則會出現(xiàn)很大幅值，在實際工程中實現(xiàn)不

31、了；另一方面，在計算中需要有逆存工程中實現(xiàn)不了；另一方面，在計算中需要有逆存在。在。指標(biāo)中的第一項是對點狀態(tài)的要求，由于對每個指標(biāo)中的第一項是對點狀態(tài)的要求，由于對每個分量要求不同，用加權(quán)陣來調(diào)整。分量要求不同，用加權(quán)陣來調(diào)整。末端自由問題末端自由問題構(gòu)造哈密頓函數(shù)構(gòu)造哈密頓函數(shù) TTTT1122( )( )( )( )Hx Q t xu R t uA t xB t u伴隨方程及邊界條件伴隨方程及邊界條件 T( )( )( ) ( )HtAtQ t x tx ( )( )TSx T最優(yōu)控制應(yīng)滿足最優(yōu)控制應(yīng)滿足 TT( ) ( )( )0HRt u tBtu*1T( )( )( ) ( )u t

32、Rt Btt 狀態(tài)調(diào)節(jié)器狀態(tài)調(diào)節(jié)器1T00( )( ) ( )( )( )( ) ( ), ( )x tA t x tB t Rt Bttx txT( )( ) ( )( ) ( ), ( )( )tA ttQ t x tTSx T( )( ) ( )tP t x t1T1T( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ( ) ( )( )( )( ) ( )( ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) ( )tP t x tP t x tP t x tP t A t x tB t Rt B ttP tP t A tP t B t Rt B t P t x t求導(dǎo) T

33、T( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) ( )tQ t x tA ttQ tA t P t x t T1T( )( ) ( ) ( )( ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( ) ( )Q tA t P t x tP tP t A tP t B t Rt B t P t x tT1T( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( )0P tP t A tAt P tP t B t Rt Bt P tQ t（矩陣黎卡提微分方程）（矩陣黎卡提微分方程） 邊界條件邊界條件 ( )P TS1T( )( )( ) ( )K tRt Bt P t令令

34、最優(yōu)控制是狀態(tài)變量的線性函數(shù)最優(yōu)控制是狀態(tài)變量的線性函數(shù)借助狀態(tài)變量的線性反饋可實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制借助狀態(tài)變量的線性反饋可實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 *1T( , )( )( ) ( )ux tRt Bt P t x *( , )( )ux tK t x ( )P t對稱半正定陣對稱半正定陣 例例1 1 , (0)1xaxux02221122( )( )( )dTtJsx Tqx trutt性能指標(biāo)泛函性能指標(biāo)泛函 *1( )up t xr 最優(yōu)控制最優(yōu)控制 黎卡提微分方程黎卡提微分方程 21( )2( )( ), ( )p tap tp tqp Tsr ()( )2dd12p TTp ttppapqr2 ()2 ()/()()/( )/1/b t Tb t Ts res rp trs res r2qar最優(yōu)軌線