(第一讲)第一章 绪论

分析方法
设计方法 其他
频域(复域),频率响应和根轨迹法
PID控制和校正网络
复域、实域，可控和可观测
状态反馈和输出反馈
频率法的物理意义直观、实用， 易于实现实时控制和最优控制 难于实现最优控制
机械制造及自动化系
§ 1.4 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 和系统外部的干扰,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。
机械制造及自动化系
第一章 绪

论
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展

§ 1.2 现代控制理论的内容
§ 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异 § 1.4 现代控制理论的应用 主要内容
机械制造及自动化系


§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
1.1
引言 什么是自动控制? 在没有人的直接参与下,通过控制装置使受控对象的被控量按 照预定的规律变化。例如：
■往复式轧钢机的控制 ■电冰箱的温度控制 ■智能洗衣机的控制 ■空间飞行器飞行姿态的控制洗衣机智能控制 电冰箱温度控制
机械制造及自动化系
自动控制面临下列两个主要难点： 受控系统的复杂性：
系统静特性与动特性：
存在各种扰动阻碍系统的被控量按照预定的规律变化
Biblioteka Baidu
系统一般可分为静态系统和动态系统两大类。从物理的角度 看，它们的本质区别在于是否含有储能(或储存信息)的元器件。 含有储能(或储存信息) 元器件的系统则称为动态系统,又叫做动力 学系统。 动态系统的特点是:由于其存在储能(或储存信息)元器件, 如质量、弹簧、转动惯量、电感、电容、存储器或寄存器等，因 而描述系统各变量之间的关系必须用微分(或差分)方程；系统的 运动呈现惯性的特点，在外界输入信号作用下系统的响应不可能 立即完成而需要有个过程(称为过渡过程)，而过渡过程的 特性取决于系统的结构和各储能元器件的特性。
制系统的基本理论和方法，以指导工程实践。

自动控制理论讨论的中心问题是控制系统的性能
机械制造及自动化系
控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：
第一阶段: 经典(自动)控制理论 随着科学技术与工业生产的 发展，到十八世纪，瓦特 （J.Watt）发明的蒸汽机离心 调速器，代表着自动控制技术 逐渐应用到现代工业中，自动 控制理论进入起步阶段。
机械制造及自动化系
返回
§ 1.2 现代控制理论的内容
现代控制理论基础的内容为: 线性系统理论 最优估计理论 自适应控制理论 最优控制理论 系统辨识理论 智能控制理论
机械制造及自动化系
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：状态空间法 方法上：研究系统输入/输出特性和内部性能
奈奎斯特
机械制造及自动化系
第二阶段 现代控制理论
主要标志性阶段
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态 分析法；在1957年提出了动态规划。
2.1959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。 卡尔曼
机械制造及自动化系
机械制造及自动化系
控制理论研究的主要内容和方法:
研究的问题：如何根据被控对象和环境的特性，通过对系统
运动信息的采集、加工和处理，形成适当的控制作用，使系统在各种扰动 因素作用下能够正常地工作并具有预定的功能;
研究的基本方法：对各类物理属性完全不同的控制系统加以
抽象与概括，抓住其本质特征和影响系统特性的主要因素，用数学方程或 表达式（系统的数学模型）对系统加以描述，并总结出分析与设计自动控
机械制造及自动化系
4 模糊控制(FuzzyControl) 5 神经网络控制(NeuralNetworkControl)
20世纪70年代末，现代控制理论向着“大系统理 论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方 向发展：
机械制造及自动化系
大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结
构方案、总体设计中的分解方法和协调等 问题的技术基础理论。
机械制造及自动化系
3 鲁棒控制(RobustControl)
过程控制中面临的一个重要问题就是模型不确定性, 鲁棒控制主要解决模型的不确定性问题,但在处理方法上 与自适应控制有所不同.自适应控制的基本思想是进行模 型参数的辩识,进而设计控制器.控制器参数的调整依赖于 模型参数的更新,不能预先把可能出现的不确定性考虑进 去.而鲁棒控制在设计控制器时尽量利用不确定性信息来 设计一个控制器,使得不确定参数出现时仍能满足性能指 标要求
机械制造及自动化系
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原 理。
庞特里亚金 L.S.Pontryagin
机械制造及自动化系
4. 20世纪70年代奥斯特隆
姆（瑞典）和朗道（法国，
L.D.Landau）在自适应控制 理论和应用方面作出了贡献。 朗道 L.D.Landau
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。
名的稳定性判据—劳斯判
据和赫尔维茨判据。基本 上满足了二十世纪初期控 赫尔维茨（Hurwitz）
制工程师的需要。
机械制造及自动化系
由于第二次世界大战需要 控制系统具有准确跟踪与补 偿能力，1932年奈奎斯特 （H.Nyquist）提出了频域 内研究系统的频率响应法， 为具有高质量的动态品质和 静态 准确度的军用控制系 统提供了所需的分析工具。
机械制造及自动化系
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
机械制造及自动化系
返回
机器人控制
空间机器人控制
机械制造及自动化系
足球机器人控制
主要内容
第一章 绪 论 第二章 控制系统的状态空间描述
第三章 状态方程的解 第四章 线性系统的能控性与能观性
第五章 李亚普诺夫稳定性分析 第六章 状态反馈和状态观测器
现代控制理论
Modern Control Theory
教师：史恩秀
西安理工大学 机械制造及自动化系
主要参考




《Modern Control Engineering》 Katsuhiko Ogata 电子工业出版社 《自动控制原理》（下） 吴麒编 清华大学出版社 《现代控制理论》（第二版）刘豹编 机械工业出版社 《现代控制理论基础》 (机械类)何钺 西安交通大学
内容上：线性系统理论、系统辩识、最优控制、自适应控制等
润滑理论及轴承研究所
返回
返回 § 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异
经典控制理论 研究对象 单输入单输出系统(SISO) 高阶微分方程 研究方法 研究工具 传递函数法(外部描述) 拉普拉斯变换 现代控制理论 多输入多输出系统(MIMO) : 一阶微分方程 状态空间法(内部描述) 线性代数矩阵
机械制造及自动化系
第三阶段 鲁棒控制理论阶段
1 PID控制 2 自适应控制(AdaptiveControl) 自适应控制系统应具有三个基本功能:(1)辨识对象的结构 和参数,以便精确地建立被控对象的数学模型;(2)给出一 种控制律以使被控系统达到期望的性能指标;(3)自动修正 控制器的参数.因此自适应控制系统主要用于过程模型未 知或过程模型结构已知但参数未知且随机的系统.
复杂大系统控制
机械制造及自动化系
智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信
息传递过程的规律，研制具有某些拟人 智能的工程控制与信息处理系统的理论。
机器人神经网络控制
机械制造及自动化系
复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范
筹，以解决复杂系统的控制为目标。
复杂航天器控制
回顾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。
瓦特
机械制造及自动化系
自动控制理论进入发展阶段
1868年麦克斯韦尔
（J.C.Maxwell）解决了蒸汽
机调速系统中出现的剧烈振 荡的不稳定问题，提出了简 单的稳定性代数判据。 马克斯韦尔（J.C.Maxwell）
机械制造及自动化系
1895年劳斯（Routh）与赫
尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到描述的 更复杂的系统的高阶微分 方程中,各自提出了两个著