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1、自动控制理论的发展第1页，共14页，编辑于2022年，星期二控制理论发展的历史控制理论发展的历史,现状及前景现状及前景1经典控制理论经典控制理论以单变量控制，随动以单变量控制，随动/调调节为主要内容，以微分节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学方程和传递函数为数学模型，以频率响应法为模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：主要方法。数学工具：微分方程，复变函数微分方程，复变函数3后现代控制理论后现代控制理论大系统、大系统、智能控制智能控制 ；以；以 网络、通讯、人机交互为网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化代表的信息自动化 集成的集成的理论与技术。理论与技术。2现代控制理论现代控制理论 现
2、代控制理论以多变量控现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：为数学模型。数学工具：线性代数，线性代数，泛函分析泛函分析第2页，共14页，编辑于2022年，星期二经典控制理论经典控制理论经典控制理论，以单变量控制，随动/调节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学模型，所用的方法主要以频率响应法为主。数学工具：微分方程，复变函数第3页，共14页，编辑于2022年，星期二第一阶段：经典控制理论第一阶段：经典控制理论 (一)、经典控制理论阶段 闭环的自动控制装置的应用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt
3、）发明的飞锤调速器的研究。然而最终形成完整的自动控制理论体系，是在20世纪40年代末。最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年到1年中使用的浮子调节器。凯特斯比斯（Kitesibbios）在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。第4页，共14页，编辑于2022年，星期二第一阶段：经典控制理论第一阶段：经典控制理论 19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期，1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定 性 条 件。1877年 劳 斯（E.J.Routh）,1895年 霍 尔 维 茨（A.Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据；
4、另一方面，1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性 系 统 的 稳 定 性 判 据。在 同 一 时 期，维 什 哥 热 斯 基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。上述方法基本上是时域方法。第5页，共14页，编辑于2022年，星期二第一阶段：经典控制理论第一阶段：经典控制理论 1932年柰奎斯特(Nyquist)提
5、出了负反馈系统的频率域稳定性判据，这种方法只需利用频率响应的实验数据。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。第二次世界大战结束时，经典控制技术和理论基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。至此,复数域与频率域的方法进一步完善。第6页，共14页，编辑
6、于2022年，星期二第一阶段：经典控制理论第一阶段：经典控制理论总结总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。第7页，共14页，编辑于2022年，星期二控制理论发展的历史控制理论发展的历史,现状及前景现状及前景1经典控制理论经典控制理论以单变量控制，随动以单变量控制，随动/调调节为主要内容，以微分节为主要内容，以微分方程和传递函数为数学方程和传递函数为数学模
7、型，以频率响应法为模型，以频率响应法为主要方法。数学工具：主要方法。数学工具：微分方程，复变函数微分方程，复变函数3后现代控制理论后现代控制理论大系统、大系统、智能控制智能控制 ；以；以 网络、通讯、人机交互为网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化代表的信息自动化 集成的集成的理论与技术。理论与技术。2现代控制理论现代控制理论 现代控制理论以多变量控现代控制理论以多变量控制、最优控制为主要内容，制、最优控制为主要内容，采用时域法，以状态方程采用时域法，以状态方程为数学模型。数学工具：为数学模型。数学工具：线性代数，线性代数，泛函分析泛函分析第8页，共14页，编辑于2022年，星期二现代控制理论
8、、后现代控制理论现代控制理论、后现代控制理论 现代控制理论 60年代初形成并迅速发展起来的 现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化后现代控制理论 80年代以后，控制理论向广度与深度发展 大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人
9、，智能主体等。21世纪 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。第9页，共14页，编辑于2022年，星期二第二阶段：现代控制理论第二阶段：现代控制理论 20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，形成了所谓的“现代控制理论”。为现代控制理论的状态空间法的建立作出贡献的有，1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论，1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的 极 大 值 原 理，和1960年 卡 尔 曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。频域分析法在二战后持续占着主导地位，特别是拉普拉斯变换和傅里叶变换的发展。在20世纪50年代
10、，控制工程的发展的重点是复平面和根轨迹的发展。进而在20世纪80年代，数字计算机在控制系统中的使用变得普遍起来，这些新控制部件的使用使得控制精确、快速。第10页，共14页，编辑于2022年，星期二第三阶段：大系统控制第三阶段：大系统控制 20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定
11、性；（4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。第11页，共14页，编辑于2022年，星期二第四阶段：智能控制第四阶段：智能控制 智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。智能控制的方法包括模糊控
12、制，神经元网络控制，专家控制等方法。第12页，共14页，编辑于2022年，星期二目前的发展趋势目前的发展趋势1突出含机、电、突出含机、电、计算机、通信网计算机、通信网络的大系统、复络的大系统、复杂系统与人机交杂系统与人机交互系统的集成；互系统的集成；3人才培养：多学人才培养：多学科交叉、基础雄科交叉、基础雄厚、适应面宽。厚、适应面宽。培养宽口径、多培养宽口径、多面手、复合型人面手、复合型人才才2控制论的根本是控制论的根本是信息的控制，信息的控制，包包括模型的建立括模型的建立（数学特征），（数学特征），信息的处理（计信息的处理（计算机微电子技术）算机微电子技术）与实体的控制与实体的控制（领域知识
13、，工（领域知识，工程特征）程特征）第13页，共14页，编辑于2022年，星期二我国控制理论的教学 1949.1949.上海交大上海交大 张钟俊张钟俊 伺服系统伺服系统1950 清华大学清华大学 钟士模钟士模 自动调节原理自动调节原理5060年代年代 随动系统，自动调节原理随动系统，自动调节原理 70年代末年代末80年代年代 现代控制理论，最优控制现代控制理论，最优控制，自适应控制，自适应控制，系统辨识，系统辨识，随机控制，大系统理论（运筹学），鲁棒控制随机控制，大系统理论（运筹学），鲁棒控制90年代年代 模糊控制，模糊控制，智能控制，系统集成智能控制，系统集成新世纪新世纪 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统信息网络技术，生物信息技术，嵌入式系统信息自动化自动化要求：厚基础要求：厚基础 宽口径宽口径 学科交叉学科交叉 科学思维方法科学思维方法 勇于实践和探索勇于实践和探索第14页，共14页，编辑于2022年，星期二