现代控制理论-第一章+绪论-567

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1.2.1 经典控制理论
现 6、经典控制理论的局限性：
代
控 制
① 难以有效地应用于时变系统、多变量系统
理
论 ② 难以有效地应用于非线性系统
③ 难以描述系统内部的结构及其状态变量， 无法揭示系统更深刻的特性。
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1.2.2 现代控制理论
现 1、形成和发展
代 控
① 在20世纪50-60年代形成
理 论
（若只需确定参数，即结构已知，则称为参数估计Parameter Estimation 。）
5. 最优滤波理论（最优估计）
当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其不确定性须应 用概率和统计方法进行处理。
即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计 方法获得有用信号的最优估计。
Kalman滤波器
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经典与现代控制理论--小结
经典控制理论:
数学模型：线性定常高阶微分方程和传递函数;
现 代 控 制 理论
分析方法： 时域法(低阶1～3阶) 近似分析 根轨迹法 频域法
适应领域：单输入－单输出（SISO）线性定常系统 缺 点：只能反映输入－输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构和运行状态。
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1.1 控制理论的发展历程
现 1788年，英国瓦特（J.Watt）利用负反馈原理
代 设计的用来控制蒸汽机转速的离心调速器，亦称
控 制
飞球调速器/控制器-----第一个自动控制系统，首
理 次应用于工业，拉开了控制理论发展的序幕。
论
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离心式飞球调速器：
现 代 控 制 理 论
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第一章 绪 论
现 引言
代
控 制
1.1 控制理论的发展历程
理 论
1.2 控制理论的分析比较
1.3 现代控制理论的特点
1.4 现代控制理论的基本内容
1.5 本课程的主要内容
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引言
面对未知及不断变化的世界，
现 代
人类发明了无数理论和工具，
控 制
控制论就是其中之一。
理
论、量子论和控制论，也许可以称它们为三
项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞
跃。”
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引言
随着社会的发展和科学的进步，控制的必要性体现在方方
现 面面：
代
控 飞机的自动驾驶系统、宇宙飞船系统和导弹制导系统；
制 理
数控机床，工业过程中流量、压力、温度的控制；
论 机器人控制、城市交通控制、网络拥塞控制；
应用：生物控制、经济控制、社会控制等
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控制理论的发展历程—小结
现 代
控制论：1948年 美国数学家维纳《控制论》
控 制
1940——1950 经典控制理论 单机自动化
理论 1960——1970 现代控制理论 机组自动化
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
-----能充分利用这两种方法，而时域法对动态描
论 述要更为直观。
④ 使用更多的数学工具。
除经典理论中使用的拉氏变换外，还大量使用线 性代数、矩阵理论和微分方程理论等。
-----能探讨更一般更复杂的问题。
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1.4 现代控制理论的基本内容
现代科代学控在制发理展 论， 指控 的制 是论五也六在十不年断代发所展产。生实的际一上些，控制一理般论讲的。现
控制理• •
1961年前苏联载人航天（东方一号，加加林）； 1962年美国制造出第一台工业机器人；
论• 1966年前苏联首次月球软着陆（月球9号）；
• 1969年美国阿波罗登月。
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1.3 现代控制理论的特点
现 ① 研究对象是多变量系统；
代 控
（经典理论主要以单输入单输出系统为研究对象）
一般原理和方法。－－标志控制学科正式诞生。
控制论Cybernetics ：研究动物（包括人类）和 机器内部控制和通信的一般规律的学科。
1954年，钱学森的《工程控制论》在美国出版。 －－－奠定了工程控制论的基础
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1.1.2 现代控制理论
1956年，美国贝尔曼R.Bellman发表《动态规划理论在
制 理
-----具有大得多的适用范围。
论
② 除输入、输出特性外，还着重研究系统内部状态“白箱子”
（经典理论只考虑系统的外部性能-“黑箱子”）
---- 所考虑的问题更为全面和深刻。
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1.3 现代控制理论的特点
③ 分析方法以时域法为主，兼用频域法；
现
代 （经典理论主要采用频域法）
控
制 理
生物系统、生物医学系统、社会经济系统。
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1.1 控制理论的发展历程
现经典控制理论 代控现代控制理论 制理新发展——大系统理论 智能控制 论1.1.1 经典控制理论
自动控制思想及其实践历史悠久，可以追溯到久远的古代： 如公元前300年-200年在古希腊出现的水钟； 公元前14-11世纪中国、埃及和巴比伦的自动滴漏计时器； 古罗马简单的水位调节装置等。 但，仅是自控系统的萌芽。
1990——21c 集成控制理论 网络控制自动化
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1.2 控制理论的分析比较
1.2.1 经典控制理论
现
代控1、形成和发展
制 理
① 在20世纪30-40年代，初步形成。
论 ② 在20世纪40年代形成体系。
2、主要研究对象：单机自动化，SISO线性定常系统 3、主要数学工具：常微分方程、拉氏变换 4、主要研究方法：根轨迹法、频域法和传递函数 5、主要研究问题：控制系统的快速性、稳定性及其精度
现 代
控制过程中的应用》，建立了最优控制的理论基础。
控 制
1956/1958年，前苏联的庞德里亚金发表了《最优过程
理 的数学理论》，提出了极大值原理（Maximum
论 Principle）。
1960年，美籍匈牙利人卡尔曼R.E.Kalman 发表了“On the General Theory of Control Systems”，引入状态空间法分析系统，提 出了能控性、能观性、卡尔曼滤波等概念， 奠定了现代控制理论的基础。
制 理
② 上世纪60年代末至80年代迅速发展
论
大系统 智能系统
2、主要研究对象：机组自动化，MIMO线性、非线性、 定常与时变系统
3、主要数学工具：一次微分方程组、矩阵论、线性代数 4、主要研究方法：状态空间法（时域方法）
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1.2.2 现代控制理论
5、取得的成就
现
代•
1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星；
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1.1 控制理论的发展历程
现 代
1868年，英国麦克斯韦（J.C.Maxwell）发表
控 了《论调速器》，指出微分方程特征根的位置
制 理
（在左半面或右半面）跟稳定有关，开辟用数
论 学方法研究控制系统中运动现象的途径。
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1.1.1 经典控制理论
1875年和1895年，英国劳斯Routh和德国赫尔维
1.4 现代控制理论的基本内容
现 3. 自适应控制（Adaptive Control ）
代 在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部
控 制 理
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。
论
a. 模型参考自适应控制
（Model Reference Adaptive Control)
现代控制理论
Modern Control Theory
崔明月 南阳师范学院 机电工程学院
自动化教研室
现
代
控 制
任课教师：崔明月
理
论 E-mail：cuiminyue@sina.com
联系电话：18338292246
地 址：科技楼336
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教材：
刘豹、唐万生主编，现代控制理论(第三版)，机械工业 现 出版社，2006
b. 自校正自适应控制
（Self-Turning Adaptive Control)
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1.4 现代控制理论的基本内容
4. 建模及系统辨识（System Identification ）
现代 建立系统动态模型的方法：
控 根据系统的输入输出的试验数据，确定一个与被研究系统本质 制 特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。
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1.1.1 经典控制理论
1945年，美国伯德Bode在《网络分析和反馈放大器设
现 计》中提出频率响应法－Bode图。
代 1948年，美国伊万斯(W. E. Evans)提出了复数域内研
控 制
究系统的根轨迹法。
理1948年，美国维纳（Wiener）在《控制论－关于在动物 论和机器中控制和通信的科学》中系统地论述了控制理论的
论 控制论是一种思想、一种方法、
一种工具、一门学科。
人类在20世纪所取得的巨大技 术成就，控制科学与技术的作 用非常显著。
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引言
钱学森曾经从生产力，特别是技术革命
现 代
的进程分析了控制论的产生和发展。
控
制
他强调：
理
论 “我们可以毫不含糊地说，从科学理论的
角度来看，20世纪上半叶的三大伟绩是相对
研究对象：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。
研究方法：时域法为主 重点：大系统多级递阶控制 核心装置：网络化的电子计算机
近年来成为控制理论界研究的热点，如鲁棒控制、非线性控制、自 适应控制、预测控制等一直长盛不衰。
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1.1.3 现代控制理论的发展
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1.1.3 现代控制理论的发展
70年代中期，自动化的应用开始面向大规模、复杂的系统，如大 现 型电力系统、交通运输系统、国民经济系统等，运用现代控制理 代 论方法已不能取得应有的成效，于是出现了：
控制——大系统理论
理 是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，如生产 论 过程、交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统。
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1.1.2 现代控制理论
现1957年成立了国际自动控 代控制联合会（IFAC： 制International Federation 理论of Automatic Control）。
60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、 卡尔曼滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方 法已经确立，标志着现代控制理论的形成。
现 茨Hurwitz先后提出了判别系统稳定性的代数方
பைடு நூலகம்
代 控
法（Routh-Hurwitz稳定判据
），奠定了经典控
制 理
制论中时域法的基础。
论
1892年，俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性的一
般问题》中建立了动力学系统的一般稳定性理论。
1932年，美国奈奎斯特Nyquist提出了 根据频率响应判断系统稳定性的准则， 奠定了频域法的基础。
现 2. 最优控制（Optimal Control ）
代 控
制
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。
理 论
主要方法：
变分法、极大值原理、动态规划等
极大值原理
最优控制的核心
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。
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控
制1. 线性系统理论—现代控制理论的基础
理
论主要研究线性系统在输入作用下状态运动的规律，建立和 揭示系统结构、参数和性能之间的关系。
主要包括：线性系统状态空间表达式--- 数学模型 能控性和能观性—核心内容 状态反馈和状态观测器设计—理论应用 李雅普诺夫稳定性理论---稳定性分析
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1.4 现代控制理论的基本内容
智能机器人。
信息技术以及计算机技术的发展为智能控制的发展提 供了坚实的基础。
主要内容：
模糊控制 神经网络控制 专家控制、遗传算法
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1.1.4 控制理论发展趋势
现 企业：资源共享、因特网、信息集成
代 控
信息技术+控制技术
集成控制技术
制
理 论
网络控制技术
计算机集成制造CIMS：（工厂自动化） Computer Integrated Manufacturing System
代 控 制
理 参考资料：
论 曲延滨、王新生主编，《现代控制理论基础》，哈尔滨工业大 学出版社，2005
张嗣瀛、高立群，现代控制理论，清华大学出版社,2006 俞立主编，《现代控制理论》，清华大学出版社，2007 袁德成等主编《现代控制理论》，清华大学出版社，2007
……………… 课时：32 考试方式：考勤10%+作业30%+期末考试60%
从控制论的观点看，人是最巧妙，最灵活的控制系统。
现 70年代始，人们开始尝试解决模拟人脑功能，形成了新的学科，
代 控 制
人工智能科学AI( Artificial Intelligence)，应用于控制系统后
——智能控制（Intelligent Control）
理 论
具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如