现代控制理论综述论文

论文题目：现代控制理论综述

摘要

本文是对现代控制理论课程的完整综述，现代控制理论的主要内容包括控制系统的状态空间表达式及其解，线性控制系统的能控性和能观性，稳定性与李雅普诺夫方法，线性定常系统的综合以及最优控制理论等部分。本文通过对控制理论各部分的阐述，构出了现代控制理论的主要框架及各部门的基本内容。

关键词：现代控制；状态方程；稳定性；最优控制；

Abstract

This article is a complete review of modern control theory course, the main contents of the modern control theory, including the control system of the state space expression and its solution, the controllability of linear control systems and can view, stability and Lyapunov method, the synthesis of linear time-invariant system and optimal control theory. This article through to all parts of the control theory, compose the main framework of modern control theory and the basic content of each department.

Keywords: Modern control; State equation;Stability;Optimal control

目录

摘要................................................................ I Abstract........................................................... I I

一、控制理论的发展历史 (1)

二、现代控制理论的基本内容 (2)

2.1 控制系统的状态空间表达式 (3)

2.2 线性控制系统的能控性和能观性 (3)

2.2.1 线性控制系统的能控性 (3)

2.2.2 线性控制系统的能观性 (4)

2.3 自动控制系统的稳定性 (5)

2.4 最优控制 (6)

三、控制理论的发展展望 (6)

四、总结 (6)

参考文献 (8)

一、控制理论的发展历史

控制理论是关于各种系统的一般性控制规律的科学，它研究如何通过信号反馈来修正动态系统的行为和性能，以达到预期的控制目的。

控制理论是有实践中发展而来的，自动控制理论的形成远比人们利用自动控制装置晚很多。工业中最早的自动控制装置是瓦特发明的蒸汽机中的调速器，但那时他并不是建立在理论的基础上，而是一种凭借经验的所为。当然也正是因为社会实践中遇到了很多的问题难以解决，才促使人们对其思考，总结，并逐渐形成今天我们所有的理论。控制理论也是这样的，实际系统往往含有许多未知的不确定因素，为了对它进行有效的控制，就要对它进行系统辨识，建模，跟踪，对测量信号进行包括滤波，预测以及状态估计在内的各种科学处理，然后设计反馈控制规律，使系统的某些性能达到预期的最优控制目标。

概括的讲，控制理论的发展大体经历了三个时期：

第一个阶段是20世纪40年代末到50年代的经典控制论时期，着重研究单机自动化，解决单输入单输出（SISO）系统的控制问题，它的主要数学工具是微分方程，拉普拉斯变换和传递函数，主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法，主要问题是控制系统的快速性，稳定性及其精度。20世纪20年代到40年代，马克斯威尔对装有调速器的蒸汽机系统动态特性的分析，马诺斯基对船舶驾驶控制的研究都是控制理论的开拓性工作。奈奎斯特，伯德等人对单回路反馈系统的研究结果显示出反馈系统即使在对系统情况知道不多时也能起到很好的作用。

第二个阶段是20世纪60年代的现代控制理论时期，着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输出（MIMO）系统的控制问题；主要数学工具是一次微分方程组，矩阵论，状态空间法等；主要方法是变分法，极大值原理，动态规划理论等；重点是最优控制、随即控制、核心装置是电子计算机。

20世纪50年代后期到60年代初期是控制理论发展的转折时期，第二次世界大战后华尔德的序贯分析和贝尔曼的动态规划是转折时期的开端，这些理论受到最优统计决策和资源分配中的序贯规划问题的研究的激发。他们在概念上的贡献是考虑了一大类以初始状态参数化了的动态优化问题，这个理论的中心问题是建立最优性能的动态规划方程，从它的解就可以确定最优反馈控制规律。与此同

时，优化领域中的另一个长期被忽视的强调不等式约束的线性和非线性规划也开始得到发展，这个领域的研究人员首先设计了便于计算机计算的数值方法，这种方法后来在控制中变得十分有用。苏联学者在20世纪50年代对包含非线性特性、饱和作用和受到限制的控制等因素的系统的最优瞬态的研究表现出很大的兴趣，这些学者的研究导致了庞特里亚金的“极大值原理”，极大值原理的贡献可说是20世纪50年代和60年代对于大量轨迹优化数值计算方法的研究和冲力，这种研究最后导致许多空间运载器的成功的设计，其中包括阿波罗计划和宇航飞行计划。

第三个阶段是20世纪70年代的大系统理论时期，着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题；方法以时域法为主，重点是大系统的多级递阶控制；核心装置是网络化的电子计算机。

随着人工智能的发展和引入了新的计算机结构，控制理论和计算机科学的联系愈来愈密切，近年来已有一些专家系统可以自动寻求最优随即控制和滤波问题的理论解和数值解。在控制框架上将符号运算和数值运算相结合的研究工作正在开展。智能控制的概念也在发展，其目的之一是将当前的控制理论和尚未成型的人工智能成功的合为一体。离散时间系统理论架起了一座通向扩展了的状态机器理论的桥梁，在将来可能为评价计算机系统的性能提供了一个建模工具。

二、现代控制理论的基本内容

现代控制一般是指20世纪五六十年代所产生的一些重要控制理论，主要包括：用状态空间法对多输入多输出复杂系统建模，并进一步通过状态方程求解分析，研究系统的可控性、可观性及其稳定性，分析系统的实现问题；用变分法、最大值原理、动态规划原理等求解系统的最优控制问题，其中常见的最优控制问题包括时间最短、耗能最少等，以及它们的组合优化问题，相应的有状态调节器、输出调节器、跟踪器等综合设计问题；最优控制往往要求系统的状态反馈控制，但许多情况下，系统的状态很难求出，往往需要一些专门的处理方法，如卡尔曼滤波技术等。