现代控制理论论文

硕士研究生读书报告
题目对《现代控制理论》认识与感想
作者姓名魏振凯
作者学号 21225096
指导教师唐建中
学科专业机械设计及理论
所在学院机械系
提交日期 2012年 11月
对<<现代控制理论>>的认识与感想
摘要：现代控制理论与社会生产和科学技术的发展密切相关，它被成功的运用到工农业生产、军事、生物医学、社会经济及人类生活的多个领域。

它以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析和设计控制系统，使得系统实现一定程度的最优化。

短暂8周对现代控制理论的学习让我受益匪浅，接下来我将就自己所感兴趣的地方和对这门课程的感想作简短的介绍。

关键词：现代控制理论、学习兴趣、学习感想
一、现代控制理论概述
现代控制理论是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。

经典控制理论只研究一个输入输出变量，且固定参数的定常系统。

其数学基础是拉普拉斯变换，分析综合的方法为频率响应特性等。

然而，即使传递函数相同，系统内部结构也可以不同。

因此，用传递函数描述系统有时是不完整的。

如果只知道端部状态，对于充分了解一个系统的运动状况和掌握系统的整体性质也是不够的。

而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。

现代控制理论已在航空航天技术、军事技术、通信系统、生产过程等方面得到广泛的应用。

现代控制理论的某些概念和方法，还被应用于人口控制、交通管理、生态系统、经济系统等研究中。

二、现代控制理论的发展
现代控制理论形成于20世纪50-70年代。

这个时期，由于计算机技术、航空航天技术的迅速发展，以及许多新的研究工具的引入，控制理论迅速拓展并取得了许多重大成果。

它所研究的对象不再局限于单输入单输出的、线性的、定常的、连续的系统，而扩展为多输入多输出的、非线性、时变的、离散的系统。

它不仅涉及系统辨识和建模、统计估计和滤波、线性控制、非
线性控制、最优控制、鲁棒控制、自适应控制、大系统或者复杂系统以及控制系统CAD等理论和方法，同时，它在于社会经济、环境生态、组织管理等决策活动，与生物医学中诊断及控制，与信号处理、软计算等邻近学科相交叉中又形成了许多新的研究分支。

其中，线性系统理论是发展最完善也是最活跃的分支。

它以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析和设计控制系统。

在状态空间法的基础上，又出现了线性系统的几何理论、线性系统的代数理论和线性系统的多变量频域方法等。

现代控制理论分析和综合系统的目标是在揭示其内在规律的基础上，实现系统在某种意义上的最优化，同时使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式。

和经典控制理论一样,现代控制理论的分析、综合和设计都是建立在严格和精确的数学模型的基础之上的。

现代社会，被控制对象的规模日趋扩大，环境的复杂性日益提高，以及被控制对象的不确定性与控制任务的多目标性和时变性，这些都促使现代控制理论向更深层次发展。

三、现代控制理论的研究内容及方法
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。

现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。

1)线性系统基本理论
线性系统理论是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法，而能控性和能观性是状态分析方法的根本问题，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。

2）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。

3）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。

4）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英文为
Model Reference AdaptiveControl。

自校正自适应控制英文为Self-Turning Adaptive Control。

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。

四、现代控制理论的学习感想
在秋学期整个学期中，唐老师向我们讲述了现代控制理论最基本的知识和方法，我了解到现代控制理论的主要内容以线性系统理论基本知识为基础，以系统状态空间描述、线性系统结构特性分析、线性定常系统状态反馈综合为重点，还对非线性系统分析及最优控制、最优估计有了初步知识。

唐老师在课堂上经常告诉我们，即使一门课考了一百分也不说明什么，作为一名研究生就该把理论运用到实践中去。

学习控制理论这门课，个人觉得还是很难的，我觉得现代控制理论是一门工程理论性强的课程，概念抽象，不易掌握；我觉得在学完之后，如果想用现代控制论的基本原理去解决生产实际问题也会很难的问题，但是只要人真难对待，好好学习，就会有所收获。

在对控制系统的文献阅读中，我总结到，在实践中首先遇到的问题是将实际系统抽象为数学模型，有了数学模型，才能有效地去研究系统的各个方面。

许多机电系统、经济系统、管理系统常可近似概括为线性系统。

线性系统和力学中质点系统一样，是一个理想模型，
理想模型是研究复杂事物的主要方法，是对客观事物及其变化过程的一种近似反映。

现代控制论从自然和社会现象中抽象出的理想模型，用状态空间方法表示，再作理论上的探讨。

要将现代控制理论付诸实践，必须架起一座联通数学理论与真实世界的桥梁。

这座桥梁就是建模过程。

工程师和科学家们常常要研究真实世界中的问题，提出解决办法。

首先必须为研究的现象建立数学模型。

这个模型既不能太简单，也不能太复杂。

否则不能得出有效的结论，或者是给分析过程增加不必要的难度。

查阅资料,我知道了建模的基本过程为：
1.明确建立模型的详细目标。

2.确定系统边界：系统与环境的分界。

3.定义系统内部各部分之间的相互作用。

4.确定各变量的值。

5.用数学方法表达出每个系统元素。

6.根据物理定律列方程。

7.将所得模型与真实系统比较。

建模过程中，列出了反应系统内部行为特性的方程组。

从原来经典控制理论的简单模型转化为更接近现实的模型，使过去被忽略掉的一些方面，如系统内部各元素的交互作用和反馈，都被考虑进去了。

控制理论里的线性系统理论是一门严谨的科学。

线性系统理论是建立在线性空间的基础上的，它大量使用矩阵论中深奥的内容，比如线性变换、子空间等，是分析中最常用的核心的内容，要深入理解，才能体会其物理意义。

比如，状态空间分解就是一种数学分析方法。

在控制论中把实际系统按能控性和能观性化分成四个子空间，它们有着确切的物理概念。

线性变换的核心思想在于：线性系统的基本性质(如能控性、能观性、极点、传递函数等)在线性变换下都不改变，从而可将系统化为特定形式，使问题的研究变得简单而透彻。

因为本学期课程短暂，学习课程集中，没能更多的将控制理论运用到解决实际问题中是最遗憾的事情。

幸好，在紧接着的研究生生涯中，跟着老师做项目、做研究肯定还会遇到很多要运用控制知识的地方，我希望那时候能
更深的去探索控制系统的奥秘。

最后，再次感谢唐建中老师这学期对我们堕怠的容忍和督促以及孜孜不倦的教授我们知识。

参考文献：
[1 ] 胡包钢,应浩. 模糊PID 控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问
题[J ] . 自动化学报, 2001 , 27 (4) :567 —579.
[2 ] 何彦民 , 周雪松 , 马幼捷 , 李成伟 , 李季. 控制理论研究的现状分
析及发展动态[J] . 天津理工学院学报, 2004 ，3 .
[3 ] 周克敏,Doyle J C ,Glover K. 鲁棒与最优控制[M] . 毛剑琴译. 北京:
国防工业出版社,2002. 7.
[4 ] 王凡，王思文，郑卫刚. 现代控制理论概述及实际应用意义[M] . 武汉理
工大学能源与动力工程学院.2012.。