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1、现代控制理论5/21/2023 1绪论 控制理论的发展史 现代控制理论与经典控制理论 现代控制理论的基本内容 现代控制理论的进一步发展 5/21/2023 2控制理论的发展史自动控制理论：简称控制理论，是关于自动控制系统的构成、分析和设计理论。系统：可以定义为处于自身相互关系中以及与环境的相互关系中的要素集合，系统是由按一定的关系作用和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体，由一定的边界将系统内部与系统外部(系统环境)区分开来。控制：是为了改善系统的性能或达到系统的目的，通过信息采集和加工而形成的施加在系统上的作用。自动控制系统：是代替或部分代替人的直接参与，使生产过程或其它过程按期望规律或预
2、定过程进行的控制系统。自动控制系统也简称为控制系统。自动控制理论是一门技术学科，而不是工程实践。5/21/2023 3经典控制理论诞生的标志l 1868年麦克斯韦发表论调速器，总结了无静差调速器理论 l 1876年维什涅拉茨基发表的论调节器的一般理论，进一步总结了调节器的理论 l 劳思在1875年，赫尔维茨在1895年分别独立地建立直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的判据 l 1922年米诺尔斯基发表关于船舶自动操舵的稳定性 l 1934年奈奎斯特建立了根据频率响应判别系统稳定性的判据 l 1934年黑曾发表自动调节理论 l 1938年米哈依洛夫发表频率法5/21/2023 4l 1945年
3、伯德发表专著网络分析和反馈放大器设计l 1947年詹姆斯等三人合著的第一本经典控制理论教材伺服机构理论出版 l 1948年维纳发表控制论，为控制论奠定了基础，同年香农发表通信的属性基础，为信息论奠定了基础 l 1954年钱学森发表工程控制论，全面总结了经典控制理论 经典控制理论成熟的标志5/21/2023 5经典控制理论很快就面临新的挑战工程实际和科学技术问题中大量出现多输入多输出的情况被控的系统不少是非线性的或者是参数时变的控制目标也有许多不同的情况等等5/21/2023 6学者们试图把经典控制控制理论推广到多变量系统的控制，都遭到了失败，需要寻求新的理论和方法，于是现代控制理论诞生了。现代
4、控制理论是通过对系统的状态变量描述来进行控制系统的分析和设计，基本的方法是时域方法。现代控制理论5/21/2023 7现代控制理论能处理的控制问题l 单变量系统和多变量系统l 线性系统和非线性系统l 定常系统和时变系统l 确定系统和非确定性系统 5/21/2023 8在空间技术等方面的推动下，关于现代控制理论的研究获得了积极的推进，并取得了一批杰出的成果：1956年，庞特里雅金创立了极大值原理，同年贝尔曼创立了动态规划，这两者为最优控制建立了理论基础1959年卡尔曼提出了卡尔曼滤波1960年卡尔曼提出了系统的可控性和可观测性现代控制理论形成的标志5/21/2023 91960年在第一届全美联合
5、自动控制会议上：l 把系统与控制领域中研究单变量控制问题的学科称为经典控制理论l 研究多变量控制问题的学科称为现代控制理论使用经典控制理论和现代控制理论这样两个学科名称，是历史的原因形成的，标志着自动控制理论发展的两个不同阶段。要避免一种误解，以为两者是没有内在联系的，甚至误以为经典控制理论是过时的，应予淘汰。实则两者存在着内在的联系；而且，用经典控制理论的方法分析研究单输入单输出的线性定常系统，往往是简单明了的，迄今仍然十分有效。经典控制理论与现代控制理论的划分5/21/2023 10大系统理论和智能控制理论的出现，使控制理论发展到一个新阶段：l 所谓大系统，是指规模庞大、结构复杂、变量众多
6、的信息与控制系统，它涉及生产过程、交通运输、生物控制、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题 l 智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的智能能机器人 大系统理论和智能控制理论5/21/2023 11现代控制理论与经典控制理论的比较 经典控制理论 现代控制理论对单输入单输出、线性定常系统的分析与综合是有成效的。可适用于线性和非线性、定常和时变、单变量和多变量、连续和离散系统适用领域的扩大，使其成为更有普遍性的理论。数学上是单变量的常系数微分方程问题拉氏变换为主要数学工具数学模型是传递函数 矩阵和向量空间理论是主要数学基础 5/21/2023 12经
7、典控制理论 现代控制理论种频域方法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 本质是一种时域方法建立在状态变量描述方法基础上的着眼于系统的状态 给定一类特定的输入情况下，分析输出的响应是根据给定的某种指标来设计系统的校正网络。总之，着眼于系统外部联系。揭示系统对控制和初始状态的依赖关系，指出其可能影响的性质和程度揭示系统在一定的指标提法和其它限制条件下可能达到的最佳状态，即最优控制 5/21/2023 13经典控制理论 现代控制理论控制器即校正装置，是由能实现典型控制规律的调节器构成的 控制器则是能实现任意控制规律的数字机 基本内容有时域法、频率法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代
8、数与几何稳定判据、校正网络设计等主要问题是稳定性问题 基本内容有线性系统基本理论、系统辨识、最优控制问题、自适应控制问题及最佳滤波问题等主要问题是最优化问题 研究控制系统输出的分析与综合的理论研究控制系统状态的分析与综合的理论 5/21/2023 14现代控制理论的基本内容 1、线性系统理论 状态空间法 状态空间表达式的解 可控性和可观测性 稳定性和李雅普诺夫方法 状态反馈和状态观测器 5/21/2023 152、最优控制按照控制对象的动态特性，选择一个容许控制，使控制对象按技术要求运动，同时使性能指标达到最优(极值)，这是最优控制。理论和方法有：变分法、极小值原理和动态规划 实施最优控制：主
9、要借助最优反馈控制主要有两类：l 使二次型性能指标取极小的控制l 使时间为最短的控制5/21/2023 163、随机最优估计和控制在具有随机信号、随机噪声和随机系统特性时，系统的最优估计和控制，包括：l 最优估计问题(包括预测、滤波和平滑问题)，即求状态向量的最优估计l 随机最优控制问题，主要是线性高斯二次型问题，它可分为两部分，一是用Kalman滤波技术求状态的估计值，另一是按确定性二次型最优控制问题，由上述估计值求状态反馈最优控制规律。5/21/2023 17l 鲁棒控制：控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使系统性能指标不变的属性称为鲁棒性。模糊控制：采用由模糊数学语言描述的控制律(控制规则)来操纵系统工作的控制方式 智能控制：在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制 多变量频率方法：用多项式矩阵理论把状态空间法同经典频域方法结合起来，研究线性定常多变量控制系统的一套理论和设计方法 非线性控制 现代控制理论的进一步发展5/21/2023 18