现代控制理论概述及实际应用意义
现代控制理论介绍综述
现代控制理论主要内容：
1、多变量系统的分析与设计 2、最优控制 3、估计理论 4、自适应理论 5、系统辨识
目前发展的方向：大系统理论、复杂系
统、人工智能、模糊控制等分支。
百度文库
对现代控制理论做出杰出贡献的有： 贝尔曼Bellman——动态规划法 庞特里亚金Ponteryagin——极值原理（苏） 卡尔曼Kalman——能控性、能观测性、 Kalman滤波（美）
现代控制理论
授课教师：刘洪锦
天津理工大学自动化系
•E-mail ：liu200718@126.com
现代控制理论是在50年代末，60年代初 形成的。称其为现代控制理论是与经典控 制理论比较而言的。 无论在分析方法还是在使用工具上与经典 理论比较，均有许多本质的不同。
●经典控制理论(classical methods)
《现代控制工程》
值得注意的是：学习本课的目的不
仅在于学习一门新课，而要学习有关 分析方法，以达到用控制理论思想分 析及处理问题的目的。
本课介绍：现代控制理论基础 主要内容：多变量系统的分析方法与 设计（线性系统理论） 具体内容： 1、状态空间的表达式 2、能控性、能观测性 3、李亚谱诺夫稳定性方法 4、线性系统的综合（状态反馈、观 测器）
参考书：
科学出版社 夏超英 《现代控制理论》2012.6 第一版 科学出版社 胡寿松主编 《自动控制理论》2007.6 第五版 电子工业出版社 Katsuhiko Ogata
现代控制理论实际应用
现代控制理论实际应用
引言
现代控制理论是控制工程领域中的重要理论体系，它具有
广泛的实际应用。在各个领域中，现代控制理论能够帮助我们设计和优化控制系统，提高系统的性能和稳定性。本文将介绍现代控制理论的一些实际应用，并探讨其在这些应用中的作用。
自动化生产线控制
在自动化生产线中，现代控制理论可以帮助我们优化生产
过程，提高生产效率和产品质量。通过对生产线中的各个环节进行建模和控制，我们可以使用现代控制器来实现自动化控制，有效地减少人为操作的干预，提高生产线的稳定性和一致性。此外，现代控制理论还可以应用于故障检测和诊断，及时发现和修复生产线中的故障，保证生产线的正常运行。
机器人控制
现代控制理论在机器人控制方面也有着广泛的应用。通过
建立机器人的动力学模型，并利用现代控制器进行控制，可以实现机器人的高精度运动控制和轨迹规划。在工业领域中，机器人的精确控制可以帮助我们完成各种复杂的任务，如焊接、
装配和搬运等。此外，现代控制理论还可以应用于机器人的感知和定位，提高机器人的自主导航能力。
飞行器姿态控制
在航空领域，现代控制理论被广泛应用于飞行器姿态控制。通过建立飞行器的动力学模型，并设计合适的控制器，可以实现飞行器的稳定飞行和精确姿态控制。现代控制理论能够帮助我们解决飞行器受到外界干扰时的姿态调整问题，提高飞行器的飞行安全性和稳定性。此外，它还可以应用于飞行器的自动导航和路径规划，实现飞行任务的自主完成。
轨道交通信号控制
在轨道交通系统中，现代控制理论可以协助我们设计和优
化交通信号控制系统，提高交通系统的效率和安全性。通过对交通流的建模和分析，我们可以应用现代控制器来优化交通信号的控制策略，实现道路上交通流的合理分配和调度。现代控制理论还可以应用于轨道交通列车的运行控制，提高列车的运行速度和准确性，有效地缩短乘客的出行时间。
现代控制原理
现代控制原理
现代控制原理是指在工程技术中应用的一种控制理论，它主要是研究如何通过对系统的输入和输出进行监测和调节，以实现系统稳定运行或者达到特定的控制目标。现代控制原理是自动控制领域中的重要理论基础，它在工业生产、航空航天、交通运输等领域都有着广泛的应用。
现代控制原理的核心概念包括反馈、稳定性、鲁棒性、性能等。其中，反馈是指系统输出的一部分被返回到系统输入端，用于调节系统的运行状态；稳定性是指系统在受到外部干扰或参数变化时，能够保持稳定的运行状态；鲁棒性是指系统对于参数变化或者环境扰动具有一定的适应能力；性能则是指系统在实现控制目标时的效果和速度。
现代控制原理的研究内容主要包括建立系统的数学模型、设计控制器、分析系统的稳定性和性能等。在建立系统的数学模型时，通常会采用传递函数或者状态空间模型来描述系统的动态特性；在设计控制器时，可以采用比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器、神经网络控制器等不同类型的控制器；在分析系统的稳定性和性能时，可以利用根轨迹、频率响应等方法进行分析。
现代控制原理的应用非常广泛，例如在工业生产中，可以利用现代控制原理实现对生产过程的自动化控制，提高生产效率和产品质量；在航空航天领域，可以利用现代控制原理设计飞行器的自动驾驶系统，提高飞行安全性和航行精度；在交通运输领域，可以利用现代控制原理设计交通信号灯控制系统，优化交通流量，减少交通拥堵。
总之，现代控制原理作为自动控制领域的重要理论基础，对于提高系统的稳定性、鲁棒性和性能具有重要意义。随着科学技术的不断发展，现代控制原理的研究和应用将会更加深入和广泛，为人类社会的发展和进步做出新的贡献。
现代控制理论的概念、方法
目录
• 现代控制理论概述 • 现代控制理论的基本概念 • 现代控制理论的主要方法 • 现代控制理论的应用领域 • 现代控制理论的挑战与展望
01 现代控制理论概述
定义与特点
定义
现代控制理论是研究动态系统状态和 控制行为的科学，通过数学模型和计 算机仿真来描述系统的动态行为，并 寻求最优控制策略。
03 现代控制理论的主要方法
状态空间法
总结词
状态空间法是一种通过建立状态方程和输出方程来描述动态 系统的数学方法。
详细描述
状态空间法将系统的输入、输出、状态变量及其相互关系用 数学方程进行描述，以便于进行系统分析和设计。这种方法 能够全面地反映系统的动态特性，便于进行系统分析和控制 设计。
极点配置法
控制系统的智能化与自主化
总结词
智能化和自主化是现代控制理论的重要发展方向，旨在提高控制系统的自主决策和学习 能力。
详细描述
随着人工智能和机器学习技术的快速发展，现代控制理论正朝着智能化和自主化的方向 发展。通过集成人工智能和机器学习技术，控制系统能够实现自主感知、决策和学习，
以适应不断变化的环境和任务需求。
控制系统的网络化与安全防护
总结词
随着控制系统的网络化，网络安全问题成为 现代控制理论必须面对的重要挑战。
详细描述
网络化控制系统面临着来自内部和外部的安 全威胁，如黑客攻击、病毒传播等。因此， 现代控制理论需要发展安全防护技术，以确 保控制系统的安全稳定运行。这包括建立安 全防护机制、开发安全控制算法以及加强系
现代控制理论-系统综合
性等方面的研究。
最优控制
最优控制是现代控制理论的一个重要分支，主要研究如何优化控制系统的 性能指标。
最优控制方法包括极值原理、动态规划、庞特里亚金极大值原理等，通过 这些方法可以找到最优的控制策略。
最优控制在实际应用中具有广泛的应用，如航天器轨道控制、电力系统优 化等。
鲁棒控制
01
鲁棒控制是现代控制理论中研 究不确定性和干扰对控制系统 性能影响的一个分支。
鲁棒控制系统综合
总结词
考虑系统的不确定性，实现鲁棒控制系统的综合设计。
详细描述
鲁棒控制系统综合是一种考虑系统不确定性因素的控制策略，通过设计鲁棒控制器实现对不确定系统 的稳定控制。这种方法适用于具有不确定性和扰动的控制系统。
04
系统综合应用
工业控制系统
自动化生产线控制
通过现代控制理论，实现生产线上的设备自动化控制， 提高生产效率。
02
鲁棒控制的主要目标是设计控 制器，使得系统在面对模型误 差、参数不确定性和外部干扰 时仍能保持良好的性能。
03
鲁棒控制方法包括H∞控制、鲁 棒优化等，这些方法在实际工业 控制系统中得到了广泛应用。
自适应控制
01
02
03
自适应控制是现代控制理论中研 究如何使控制系统自动适应被控 对象特性的变化的一个分支。
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现代控制理论
现代控制理论的主要特点
· 研究对象: 线性系统、非线性系统、时变系统、多 变量系统、连续与离散系统
· 数学上：状态百度文库间法
· 方法上：研究系统输入/输出特性和内部性能
· 内容上：线性系统理论、系统辩识、最优控制、自 适应控制等
3.智能控制理论 （60年代末至今）
· 1970——1980 大系统理论 控制管理综合 · 1980——1990 智能控制理论 智能自动化 · 1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化
· 《现代控制理论》（第二版）刘豹主编 机械工业出版社
参考书 现代控制理论与工程 西安交大
· 现代控制理论 哈工大 机械专业硕研
现代控制理论
绪论
· 学习现代控制理论的意义： 1.是所学专业的理论基础 2.是研究生阶段提高理论水平的重要环节。 3. 是许多专业考博士的必考课。
二、控制理论发展史（三个时期）
·1．古典控制理论： （从30年代~50年代）
1 建模，传递函数 2 分析法(基于画图)，步骤特性，根轨迹，描
述建模，创造了许多经验模式。 分析法 状态空间 基于数字的精确分析。 几何法
现代 工具：状态空间法、研究系统内部、
输入－状态（内部）－输出 改善系统的方法：状态反馈 、输出反馈
四、本课程主要内容
· 系统描述：状态空间表示法 · 系统分析：状态方程的解、线性系统的能控
现代控制理论心得
现代控制理论心得
现代控制理论是控制工程的一门重要学科，它研究了系统建模、系统分析和系统控制的方法与理论。通过应用数学、工程和计算机科学等多学科的知识，现代控制理论为实际工程问题提供了一种系统性、科学性的解决方案。在学习和研究现代控制理论的过程中，我积累了一些心得与体会。
首先，现代控制理论的基础是系统建模。一个系统可以是一个机械系统、电气系统、化学系统等等。对于一个复杂系统的控制，我们需要对其进行合理的建模。在建模过程中，我们需要确定系统的输入、输出以及内部的状态变量，并建立它们之间的数学关系。这些数学关系可以是微分方程、差分方程、状态空间表示等等。建模的过程需要考虑系统的物理特性、动态特性和非线性特性等。在实际工程中，常常需要使用实验数据对系统进行辨识，以得到更准确的模型。
其次，在系统建模的基础上，我们可以进行系统分析。系统分析是对系统行为和性能特性的研究。通过分析，我们可以了解系统的稳定性、响应和鲁棒性等方面的特性。系统分析的方法包括频域分析、时域分析和状态空间分析等。在频域分析中，我们可以通过系统的频率响应曲线来分析系统的频率特性和幅频特性。在时域分析中，我们可以通过系统的脉冲响应、阶跃响应和频率响应来分析系统的时域特性和稳态误差特性等。在状态空间
分析中，我们可以通过研究系统的状态方程和观测方程来分析系统的可控性、可观性和稳定性等。
最重要的是，现代控制理论提供了各种控制方法和算法。在基本控制理论中，我们学习了比例控制、积分控制和微分控制三种基本控制方式。比例控制通过调节误差的大小来控制系统的输出，积分控制通过积累误差来控制系统的输出，微分控制通过监测误差的变化率来控制系统的输出。在现代控制理论中，我们还学习了状态反馈控制、输出反馈控制和模态控制等高级控制方法。状态反馈控制利用系统状态信息来控制系统行为，输出反馈控制利用系统输出信息来控制系统行为，模态控制通过选取合适的模态来控制系统的行为。此外，还有最优控制、鲁棒控制和自适应控制等高级控制方法。最优控制通过求解最优性准则来获得最优控制器，鲁棒控制通过设计具有鲁棒特性的控制器来弥补模型不确定性的影响，自适应控制通过不断调整控制器参数来适应系统变化。
现代控制原理的应用
现代控制原理的应用
1. 引言
现代控制原理是控制工程领域中的重要理论基础，其应用广泛且日益重要。通
过应用现代控制原理，可以实现对各种复杂系统的控制和优化，从而提高系统的性能和效率。本文将介绍现代控制原理的基本概念和应用领域，并列举几个典型的应用案例。
2. 现代控制原理的基本概念
现代控制原理是基于控制系统理论的一种控制方法，它主要包括了反馈控制、PID控制、状态空间方法等多种技术。下面我们将对其中的几个基本概念进行介绍。
2.1 反馈控制
反馈控制是现代控制原理的核心概念之一，它通过监测系统的状态或输出信号，并将其与期望的状态或输出进行比较，从而调整控制输入，使系统的实际状态或输出逼近期望值。反馈控制能够提高系统的稳定性和鲁棒性，减小系统受到扰动的影响。
2.2 PID控制
PID控制是一种反馈控制的方法，它包括比例、积分和微分三个控制环节。比
例环节根据当前误差大小进行控制输入调整，积分环节根据过去的误差累积值进行控制输入调整，微分环节根据误差变化率进行控制输入调整。PID控制器广泛应用
于工业控制系统中，能够实现良好的稳态和动态性能。
2.3 状态空间方法
状态空间方法是一种对系统动态特性进行描述和分析的方法，它将系统的状态
变量和输入输出变量用一组状态方程和输出方程进行表示。状态空间方法能够全面而简洁地描述系统的动态特性，广泛应用于控制系统设计和分析中。
3. 现代控制原理的应用领域
现代控制原理具有广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面。
3.1 工业自动化
现代控制原理在工业自动化领域中起着重要的作用。例如，在工业生产中，通
现代控制理论
现代控制理论
建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。 [1] 现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。
神经网络控制
神经网络是由所谓神经元的简单单元按并行结构经过可调的连接权构成的网络。神经网络的种类很多，控制中常用的有多层前向BP网络，RBF网络，Hopfield网络以及自适应共振理论模型（ART）等。 [4]
神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。神经网络在控制系统中可充当对象的模型，还可充当控制器。常见的神经网络控制结构有：
⑴参数估计自适应控制系统;
⑵内模控制系统；
⑶预测控制系统；
⑷模型参考自适应系统；
⑸变结构控制系统。
神经网络控制的主要特点是：可以描述任意非线性系统；用于非线性系统的辨识和估计；对于复杂不确定性问题具有自适应能力；快速优化计算能力；具有分布式储存能力，可实现在线、离线学习。
有人提出以Hopfield网络实现一种多分辨率体视协同算法，该算法以逐级融合的方式自动完成由粗到细，直至全分辨率的匹配和建立。又有人提出一种网络自组织控制器，采用变斜率的最速梯度下降学习算法，应用在非线性跟踪控制中。今后需进一步探讨的问题是提高网络的学习速度，提出新的网络结构，创造出更适用于控制的专用神经网络。
现代控制理论实际应用
现代控制理论实际应用
1. 引言
现代控制理论在工程技术中的应用越来越广泛。它提供了许多强大和灵活的技术工具，可应用于各种控制系统的设计和优化。本文将介绍现代控制理论的实际应用，从理论层面到实际工程应用，展示现代控制理论在实践中的重要性和优势。
2. 现代控制理论概述
现代控制理论主要包括状态空间方法、滑模控制、自适应控制等。这些方法在提高系统鲁棒性、响应速度和稳定性方面具有显著优势。它们不仅能够处理线性系统，还能够有效应用于非线性系统，并且能够通过设计不同的控制器结构来满足不同的系统要求。
3. 现代控制理论在机械工程中的应用
3.1 机器人控制
机器人控制是现代控制理论在机械工程中的一个重要应用领域。通过运用状态空间方法和自适应控制技术，可以实现对机器人系统的精确控制。现代控制理论能够处理机械系统的非
线性和时变特性，在机器人运动控制、路径规划和姿态控制等方面发挥重要作用。
3.2 汽车电子控制系统
现代汽车通常配备了复杂的电子控制系统，用于控制引擎、制动系统、悬挂系统等。现代控制理论可以应用于汽车电子控制系统的设计和优化。滑模控制可以提供强大的鲁棒性，使得汽车在各种不确定性和外部干扰的情况下仍能保持稳定的控制。
3.3 机电一体化系统
机电一体化系统是将机械、电子和计算机技术结合在一起
的一种复杂系统。现代控制理论在机电一体化系统的控制和优化方面发挥着重要作用。通过状态空间方法和自适应控制技术，可以实现对机电一体化系统的高效控制和优化。
4. 现代控制理论在电力系统中的应用
4.1 高压直流输电系统
现代控制理论在高压直流输电系统的控制方面具有重要的
现代控制理论介绍
采用方法：是以频域中传递函数为基础的 外部描述方法。包括频域响应法、根轨迹
法、相平面法、描述函数法等。 主要研究：单输入(single-input)——单输 出(single-output)系统的分析与设计问题
(SIS0 system) 采用工具：奈氏曲线(Nyquist analysis)、 伯德图（Bode diagram）、尼氏图、根轨
目前发展的方向：大系统理论、复杂系
统、人工智能、模糊控制等分支。
对现代控制理论做出杰出贡献的有：
贝尔曼Bellman——动态规划法 庞特里亚金Ponteryagin——极值原理（苏） 卡尔曼Kalman——能控性、能观测性、
Kalman滤波（美）
本课介绍：现代控制理论基础
主要内容：多变量系统的分析方法与 设计（线性系统理论） 具体内容： 1、状态空间的表达式 2、能控性、能观测性 3、李亚谱诺夫稳定性方法 4、线性系统的综合（状态反馈、观 测器）
迹(root locus)等
●现代控制理论 (modern control
theory)
采用方法：是以时域中（状态变量）描述 系统内部特征的状态空间方法为基础的内 部描述方法 。the concept of state and of
state variable state-space form 主要研究：多输入——多输出系统
现代控制理论pdf
现代控制理论pdf
1 现代控制理论
现代控制理论是一种控制策略，主要针对复杂系统而设计。它将
传统的算法和最新的技术结合在一起，旨在实现平衡及对系统即时控制、自行调节。简而言之，现代控制理论是一种使复杂系统更稳定更
健壮的以自适应为主的控制理论系统，该理论以创新的参数估计和变
化条件的识别而着称。
现代控制理论的基本原理是系统的全局预测，通过分析所有可能
的变化，对系统作出及时的反应和控制，以达到系统的最佳性能。此外，现代控制理论更注重对系统的实时调节和迭代，以达到更高精度
的控制。在系统变更和失效时，可以使用现代控制理论进行快速调节，以快速恢复系统性能。
数字控制系统是现代控制理论大部分应用于实践中的主要形式。
这种系统使用算法来跟踪系统状态，并使系统按照计划行动；同时，
它也允许实时调节以保持系统的预期性能。实践中，该系统被广泛应
用于汽车、机器人和工业控制系统中。
另外，现代控制理论还使用多种优化算法，如模拟退火、遗传算
法等，以确定系统参数，使系统更自动化和准确。现代控制理论也会
联合智能控制方法，有利于实现更复杂的控制效果，尽可能减少失常，从而实现系统的智能化运行。
综上所述，现代控制理论充分利用最新技术和自适应元素，为系统提供更可靠的稳定性，可以有效解决复杂系统的稳定性和可靠性等问题，是当前国际上先进的控制理论之一。
现代控制理论及其在工程中的应用
现代控制理论及其在工程中的应用现代控制理论是指以数学和理论为基础的系统控制方法和技术，它
通过对系统的建模、分析和设计，使得工程系统能够以最佳方式运行。现代控制理论的应用广泛，可以涵盖从自动化工程到航空航天工程等
各个领域。本文将探讨现代控制理论的基本原理以及它在工程中的实
际应用。
一、现代控制理论基本原理
现代控制理论的基本原理包括控制系统原理、线性控制理论、非线
性控制理论、自适应和鲁棒控制等。在控制系统原理中，主要研究控
制系统的基本概念和结构，包括反馈控制、前馈控制等。线性控制理
论主要用于研究线性控制系统的建模和设计方法，其中包括经典控制
理论和现代控制理论。非线性控制理论则是用于研究非线性系统的建
模和分析方法，它考虑了系统中的非线性因素。自适应和鲁棒控制则
是用于处理控制系统中的不确定性和变化环境的方法。
二、现代控制理论在工程中的应用
1. 自动化工程
现代控制理论在自动化工程中得到了广泛的应用。例如，在工业生
产中，通过引入现代控制理论，可以提高生产效率和质量。自适应和
鲁棒控制方法可以应对系统参数变化和外部干扰，使得系统能够更加
稳定地运行。另外，在自动化系统中，控制器的设计对系统性能至关
重要，通过利用现代控制理论的方法，可以设计出更优秀的控制器，提高系统的响应速度和稳定性。
2. 电力工程
在电力工程中，现代控制理论被广泛应用于电力系统的运行和控制中。例如，在电力系统的稳定性分析中，线性控制理论可以用于建立电力系统的传输方程，从而评估系统的稳定性。另外，在电力系统的控制中，现代控制理论的方法可以用于设计和优化发电机、变压器等设备的控制系统，提高电力系统的响应能力和稳定性。
现代控制理论与应用
现代控制理论与应用
自从20世纪初现代控制理论被提出以来，这个学科领域便迅速获得了广泛的
认可与发展。有别于前几个世纪的传统控制理论，现代控制理论强调利用数学模型和科技手段，优化系统的控制效果。这个理论在许多工业和科技领域中都得到了应用，如机器人、汽车、飞机、通信、自动化等行业中，控制系统的发展和应用是现代科技的关键之一。
在现代控制理论的发展中，传统控制理论的第一个问题解决了，即如何建立合
适的数学模型来描述过程系统。现代控制理论包括三个重要的部分：状态空间表示、频率域表示和优化控制。
在状态空间表示中，系统的状态以一个或多个状态变量的形式来描述。状态方
程和输出方程可以用来计算控制系统的行为。这种描述方式提供了区分系统行为的一些基本特征。
在频率域表示中，使用传递函数和相关的频率域分析技术来描述系统的行为。
这种方法很实用，因为它可以很容易地分析复杂和非线性系统，并通过控制系统的系统响应来进行精确的设计。
在优化控制中，可以使用现代优化方法来确定最优的控制策略。这种方法通常
包括使用数值方法来解决通常涉及很多未知因素的优化问题。这有助于找到对控制系统的要求最小的控制方案。
现代控制理论不仅提高了控制系统的性能，而且能够解决更复杂和非线性的系统。同时，这个理论也为控制领域的应用提供了新的思路和方法。现代控制理论的成功应用很大程度上得益于计算机技术的快速发展。现代控制理论的方法和算法可以用来设计和优化系统性能，不仅提高系统的可靠性，而且提高了系统的效率和精确性。
在现代技术领域，控制系统是很多应用的重要组成部分。例如，机器人技术中的控制系统可以让机器人在不同的环境中自由移动和执行不同的任务。汽车工业中使用的反馈控制和故障诊断系统可以让汽车更安全、更智能地行驶。
现代控制理论的主要内容
现代控制理论的主要内容
介绍
现代控制理论是控制工程领域的一门重要学科，它主要研
究利用数学模型和计算机技术进行系统控制的方法和理论。现代控制理论从20世纪50年代开始快速发展，并且在工业生产、航空航天、交通运输等领域有着广泛的应用。本文将介绍现代控制理论的主要内容，包括控制理论的基本概念、常用的控制方法和现代控制系统的设计原则。
控制理论的基本概念
系统
在控制理论中，系统指的是需要被控制或调节的对象，可
以是一个物理系统、一个工艺流程或是一个经济系统等。系统可以被描述为由输入和输出组成的黑箱模型，通过对输入信号的调节，可以实现对输出信号的控制。
控制系统
控制系统是由传感器、执行器、控制器和控制算法组成的
一系列组件的集合。控制系统的作用是通过对输入信号的调节，
使得系统的输出达到预期的目标。控制器根据传感器的反馈信息，通过控制算法计算出相应的控制信号，然后通过执行器对系统进行控制。
反馈控制
反馈控制是控制系统中常用的一种控制方法。它通过对系
统输出的实时反馈信息进行测量和分析，然后根据反馈误差调节输入信号，使得输出信号逼近预期目标。反馈控制能够提高系统的稳定性和鲁棒性，并且对系统参数变化有一定的适应性。
常用的控制方法
比例积分微分控制（PID控制）
PID控制是一种经典的控制方法，它根据误差的比例、积
分和微分部分来计算控制信号。比例部分根据当前误差与目标值之间的差异来计算控制信号，积分部分根据误差的累积值来计算控制信号，微分部分根据误差变化的速率来计算控制信号。PID控制具有简单易实现、鲁棒性好的特点，在工业自动化控制中得到了广泛的应用。
现代控制理论概述
现代控制理论概述
目前，自动控制技术已广泛地应用于工农业生产交通运输和国防建设指导自动控制系统分析和设计的控制理论也有了很大的发展，在2世纪4和5年代中发展起来的经典控制理论至今仍被成功地应用于单变量定常系统的分析和
设计中在50年代末60年代初发展起来的现代控制理论具有更广泛的适用性，它可以用于多变量定常或时变系统，所讨论的问题更复杂和深入现代控制理论的概念方法和体系已经渗透到许多学科领域在现代控制理论的形成和发展的历史上，人们常常提到以下几个著名的成果：系统的可控性可观测性概念；最优控制中的极小值原理与动态规划方法；卡尔曼递推滤波基本内容：
第一篇为线性系统理论，介绍了线性时不变系统，包括系统的动态方程系统的可控性与可观测性标准形及传递函数阵的实现状态反馈设计极点配置问题跟踪问题解耦问题状态观测器设计以及系统稳定性分析为了后面两篇的需要，还简单介绍了线性时变系统的基本概念和连续时间系统的离散化问题
第二篇为最优控制理论，介绍了变分的基本概念无条件约束和有等式约束的最优化问题连续系统和离散系统最小值原理最短时间控制最少燃料控制时间和燃料综合控制线性二次型指标的最优控制调节器问题以及跟踪问题
第三篇为最优估计和滤波，估计方法上介绍了最小二乘估计和线性最小方差估计为了更好地了解卡尔曼滤波的特点，简介了维纳滤波；在正交投影的基础上介绍了离散型卡尔曼最优预测方程和最优滤波方程，讨论了卡尔曼滤波的推广滤波的稳定性滤波发散以及克服发散的方法
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13/2012
59
现代控制理论概述及实际应用意义
王 凡 王思文 郑卫刚 武汉理工大学能源与动力工程学院
【摘 要】控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。本文介绍了现代控制理论的产生、发展、内容、研究
方法和应用以及经典控制理论与现代控制理论的差异，并介绍现代控制理论的应用。提出了学习现代控制理论的重要意义。【关键词】现代控制理论；差异；应用；意义
1.引言
控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。例如，我们的教学也使用了控制理论的方法。老师在课堂上讲课，大家在课堂上听，本身可看作一个开环函数；而同学们课下做作业，再通过老师的批改，进而改进和提高老师的授课内容和方法，这就形成了一个闭环控制。像这样的例子很多，都是控制理论在生活中的应用。现代控制理论如此广泛，因此学好现代控制理论至关重要。
2.现代控制理论的产生与发展现代控制理论的产生和发展经过了很长的时期。从现代控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。其产生和发展要分为以下几个阶段的发展。
2.1 现代控制理论的产生在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决。
科学技术的发展不仅需要迅速
地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。
2.2 现代控制理论的发展五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规则；1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念；1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理；罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、麦克法轮（G.J.MacFarlane）和欧文斯（D.H.Owens）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，ndau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。
与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。
3.现代控制理论的内容及研究方法
现代控制理论的内容主要有为系统辨识；最优控制问题；自适应控制问题；线性系统基本理论；最佳滤波或称最佳估计。
（1）系统辨识
系统辨识是建立系统动态模型的方法。根据系统的输入输出的试验数据，从一类给定的模型中确定一个被研究系统本质特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。
（2）最优控制问题
在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。主要方法有变分法、极大值原理、动态规划等极大值原理。现代控制理论的核心即：使系统的性能指标达到最优（最小或最大）某一性能指标最优：如时间最短或燃料消耗最小等。
（3）自适应控制问题
在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。模型参考自适应控制
13/2012
英文为Model Reference Adaptive Control。自校正自适应控制英文为Self-Turning Adaptive Control。
（4）线性系统基本理论包括系统的数学模型、运动的分析、稳定性的分析、能控及能观测性及状态反馈与观测器等问题。
（5）最佳滤波或称最佳估计当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其综合必须应用概率和统计方法进行。即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法对系统状态估计。
建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法[1]。
4.经典控制理论与现代控制理论的差异
现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。
经典控制理论和现代控制理论有其共同点和差异。共同点主要表现在研究对象是一致的，都是系统。其区别主要表现在经典控制理论的研究工具是传递函数(结构图)，已有初始条件为零时才适用。现代控制理论状
态空间法、研究系统内部输入－状态（内部）－输出。
经典控制理论的特点研究对象是单输入、单输出线性定常系统。其解决方法主要有频率法、根轨迹法、传递函数。要用到的数学工具有拉氏变换、常微分方程。经典控制理论有其局限性主要表现在难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性。
现代控制理论是随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。其研究对象为多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。解决方法主要是状态空间法（时域方法）。
用到的数学工具为线性代数、微分方程。内容上是线性系统理论、系统辨识、最优控制、自适应控制等。
总之，现代控制理论与古典控制理论的主要共同点是研究对象是相同的，都是研究系统的，并且在主要内容上也有相同之处。两者都是在分析研究系统的原理和性能上改变系统的可能性（即综合性能）。主要区别表现在经典控制理论的研究对象是单入单出的（SISO）系统，以及线性定常系统。用到的工具有传递函数。只有在已有处事条件为零时才适用试探法解决问题。包括PID串联等。现代控制理论的研究对象是多入多出（MIMO）系统、线性定长系统、非线性系统以及时变系统。用到的工具有状态空间法、研究系统内部输入-状态（内部）—输出。改善系统的方法
有状态反馈以及输出反馈[2]。
5.现代控制理论的应用比起经典控制理论，现代控制理论考虑问题更全面、更复杂，主要表现在考虑系统内部之间的耦合，系统外部的干扰，但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。主要有倒立摆稳定控制、单级倒立摆稳定控制、二级倒立摆稳定控制、导弹稳定控制、地空导弹稳定控制、空空导弹稳定控制、航天器控制、卫星控制、月球车控制、机器人控制、空间机器人控制、足球机器人控制。总之现代控制理论在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域应用非常广泛[3]。
现代控制理论在战术上的应用主要是其在战术导弹上的应用。利用现代控制理论的方法寻找定制导弹的最优导引规律。如应用最优控制理论来研究自动导引的空-空或地-空导弹[4]。
现代控制理论在电机控制中也有重要的应用，1971年，德国学者Blaschke提出了交流电动机矢量控制，它的出现对电机控制技术的研究具有划时代的意义，使电机控制技术的发展步入了一个全新的阶段。1985年德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制理论，由于他直接控制定子磁链空间矢量和电磁转矩，使控制系统得以简化，并提高了快速响应能力。
现代控制理论在电机控制中的具体应用主要有三相感应电动机的矢量控制、永磁电动机矢量控制、三相