现代控制理论刘豹第三版
课件-现代控制理论-刘豹第三版-0绪论
1.1 控制理论的发展历程
经典控制理论 现代控制理论 新发展——大系统理论 智能控制
发表了《Cybernetics》－ －控制学科诞生
经典控制理论（1935-1950）
存在的问题
1、简单对象 单输入单输出、线性、时不变系统
2、缺乏系统化方法 图形化方法，依赖于设计人员的经验
3、达到的性能要求较低，不能处理多目标性能。
面临的挑战
对象日益复杂化、控制性能要求不断提高。
3、解决的方法2---现代控制理论
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 代控制理论方法已不能取得应有的成效，于是出现了：
——大系统理论
是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，如 生产过程、交通运输、生物工程、社会பைடு நூலகம்济和空间技术等复 杂系统。 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
引言
面对未知及不断变化的世界，人 类发明了无数理论和工具，控制 论就是其中之一。
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。
引言
钱学森曾经从生产力，特别是技术革 命的进程分析了控制论的产生和发展。
课件-现代控制理论-刘豹第三版-第5章
能控性与能观性的判别方法
能观性判别方法
能控性判别方法
表示系统是否可以通过输入控制实现任意状态转移。若系统完全能控，则可以通过设计合适的控制器实现任意状态轨迹的跟踪或镇定；若部分能控或不能控，则存在状态无法被有效控制的风险。
能控性的物理意义
表示系统状态是否可以通过输出完全反映出来。若系统完全能观，则可以通过观测输出信号来准确估计系统状态；若部分能观或不能观，则存在状态无法被准确观测的风险，进而影响控制性能的实现。
控制系统稳定性分析是控制理论的核心内容之一，对于确保控制系统的正常运行具有重要意义。
章节内容结构
稳定性概念及定义
介绍稳定性的基本概念和定义，包括Lyapunov稳定性和BIBO稳定性等。
线性系统稳定性判据
详细阐述线性系统稳定性的判据，如Routh-Hurwitz判据、Nyquist判据和Bode图等。
图解法
状态转移矩阵的计算方法
1
2
3
状态转移矩阵反映了系统在时间间隔内从初始状态到最终状态的动态变化过程。
描述系统状态的动态变化过程
若系统稳定，则状态转移矩阵将逐渐趋于零，表示系统状态将逐渐趋于稳定。
反映系统稳定性
状态转移矩阵是进行系统分析和设计的重要工具，可用于研究系统的稳定性、能控性、能观性等性质。
非线性系统稳定性分析
介绍非线性系统稳定性分析方法，如相平面法、Lyapunov直接法等。
熟练掌握线性系统稳定性的判据和分析方法，能够应用所学知识分析和设计线性控制系统。
了解非线性系统稳定性分析方法的基本原理和应用范围，能够运用所学知识分析和设计简单的非线性控制系统。
掌握稳定性的基本概念和定义，理解不同稳定性定义之间的联系与区别。
现代控制理论第3版(刘豹_唐万生)课后答案资料
第一章答案1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。
图1-27系统方块结构图解：系统的模拟结构图如下：图1-30双输入--双输出系统模拟结构图系统的状态方程如下：u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x pp p p n p b1611166131534615141313322211+--=+-==++--===••••••令y s =)(θ，则1x y =所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡••••••654321165432111111112654321000001000000000000010010000000000010x x x x x x y uK K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p pp npb1-2有电路如图1-28所示。
以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。
U图1-28 电路图解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y =有电路原理可知：•••+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得22213322222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=•••写成矢量矩阵形式为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡32121321222111321000*********x x x R y u L x x x CCL L R L L R x x x 。
《现代控制理论》第三版(刘豹
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现代控制理论绪论 第三代 刘豹
绪论
控制理论的产生和发展要分为以下几 个发展阶段：
经典（自动）控制理论 (Classical Control Theory) 现代控制理论 (Modern Control Theory) 鲁棒控制理论(Intelligent Control Theory)
Modern Control Theory
Modern Control Theory
绪论
5. 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。
朗道 ndau
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。
Modern Control Theory
Modern Control Theory
绪论
[课堂小结]
1. 现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和 应用； 2. 经典控制理论与现代控制理论的比较； 3. 现代控制理论的应用。
End
Modern Control Theory
指南车
指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世 界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史 专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说 是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人 类“第一架体内稳定机”。 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱 里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大 平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车 子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平 轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此， 只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向 左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的 原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中 差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化 设备。
《现代控制理论》第3版(刘豹)课后习题答案
《现代控制理论参考答案》第一章答案1-1 试求图1-27系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。
11K s K K p +sK s K p 1+s J 11sK n 22s J K b -++-+-)(s θ)(s U 图1-27系统方块结构图解：系统的模拟结构图如下：)(s U )(s θ---+++图1-30双输入--双输出系统模拟结构图1K pK K 1pK K 1+++pK n K ⎰⎰⎰11J ⎰2J K b ⎰⎰-1x 2x 3x 4x 5x 6x系统的状态方程如下：u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x pp p p n pb1611166131534615141313322211+--=+-==++--===∙∙∙∙∙∙令y s =)(θ，则1x y =所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∙∙∙∙∙∙654321165432111111112654321000001000000000000010010000000000010x x x x x x y uK K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p pp npb1-2有电路如图1-28所示。
以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。
R1L1R2L2CU---------Uc---------i1i2图1-28 电路图解：由图，令32211,,x u x i x i c ===，输出量22x R y =有电路原理可知：∙∙∙+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得22213322222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=∙∙∙写成矢量矩阵形式为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡32121321222111321000*********x x x R y u L x x x CCL L R L L R x x x 。
现代控制理论课件(第三版)-刘豹主编-机械工业出版社
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 专家系统，模糊控制，人工智能 神经网络，人脑模型，遗传算法
Soft computing
控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术
Modern Control Theory
Modern Control Theory
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绪论
绪论
控制理论的发展历程
经典控制理论
形成和发展
在20世纪30-40年代，初步形成。 在20世纪40年代形成体系。 频率理论 根轨迹法
以SISO线性定常系统为研究对象。 以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在频率域中分析 与设计。 经典控制理论的局限性
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L01
绪论
绪论
关于自动化的介绍 Brief Introduction to Automation
自动化的理论基础
自动化技术是一门新兴的科学技术，它以控制论、信息 论和系统论为理论基础，以哲学的方法论为研究方法。 Cybernetics Information Theory Systemism
Modern Control Theory
L01
绪论
绪论
控制理论的发展历程 Progress of Control Theory
经典控制理论 (Classical Control Theory) 现代控制理论 (Modern Control Theory) 智能控制理论 (Intelligent Control Theory) 控制理论发展趋势 (Trend of Development of Control Theory)
现代控制理论课件(第三版)-刘豹主编-机械工业出版社
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网络交流
为了配合教与学，更好地掌握《现代控制理论》 知识，交流学习经验，交换学习信息，已在网 络上建立了《现代控制理论》社区。社区建在 Yahoo groups 上，社区名称为Modern Control Theory。此社区是针对现代控制理论 课程学习建立的，内容与教与学密切相关。鼓 励所有同学加入该社区。
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教学要求
参加本课程的同学必须
人手一册教材 出勤听课 记课堂笔记 完成作业
（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格。）
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现代控制理论
沈阳建筑大学 信息与控制工程学院
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绪论
建议：在Yahoo 上建立帐号 sjzu+校园卡编号，以此账号注册
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网络交流
社区所能提供的：
Lecture notes/slides, Related learning materials, Outline of the general review, Information and news in this course.
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关于自动化的介绍 Brief Introduction to Automation
自动化的理论基础
自动化技术是一门新兴的科学技术，它以控制论、信息 论和系统论为理论基础，以哲学的方法论为研究方法。 Cybernetics Information Theory Systemism
现代控制理论课后习题参考答案刘豹唐万生第三版
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现代控制理论习题参考答案
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现代控制理论习题参考答案
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸2.htm(第11／18页) [ -6-11 22:41:46]
现代控制理论习题参考答案
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸2.htm(第8／18页) [ -6-11 22:41:46]
现代控制理论习题参考答案
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸2.htm(第9／18页) [ -6-11 22:41:46]
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸2.htm(第18／18页) [ -6-11 22:41:46]
现代控制理论习题参考答案
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸3.htm(第1／15页) [ -6-11 22:43:09]
:8081/31zdhx/kzll/ÏÖ´ú¿ØÖÆÀíÂÛÏ°Ìâ²Î¿¼´ð°¸3.htm(第2／15页) [ -6-11 22:43:09]
《现代控制理论》第3版(刘豹_唐万生)课后习题答案
（本题思路：使用教材 P41 方法，专门用来把传递函数转化为约旦标准型）
6
7
10(−1)
解：(1)由 () = (+1)(+3)可得到系统表达式为
6(+1)
−4
−
10
3
3
(2)() = (+2)(+3)2 = (+3)2 + +3 + +2 +
2
则状态空间表达式为：
.
1
0
1
0 1
0
.
[2 ] = [ 0
0
1 ] [2 ] + [0]
.
−3 −7 −5 3
1
3
1
= [2 3 1] [ 2 ]
3
相应的模拟结构图如下：
1
3
+
u
-
-
2
+
+
y
5
x3
x2
x1
7
3
1-6
(−)
(+)
已知系统传递函数(1)() = (+)(+) (2)() = (+)(+)
11
0
1
0 11
当1 = −1时，[ 3
0
2 ] [21 ] = − [21 ]
31
−12 −7 −6 31
10
解得： 21 = 31 = −11
（或令11
令11 = 1
11
1
1 = [21 ] = [−1]
31
课件-现代控制理论-刘豹第三版-第三章PPT课件
能控性矩阵 M
离散时间系统的状态方程如下： (1)
当系统为单输入系统时，式中
为标量控制作用．控制阵 为 维
列矢量；G为系统矩阵
； 为状态矢量
。
能观性矩阵N 离散时间系统的能观性，是从下述两个方程出发的。
式中, 为 维列矢量；C 为
(2) 输出矩阵，其余同式(6)。
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根据3.3节中能观性定义，如果知道有限采样周期内的输出 ，就能唯
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3.5 时变系统的能控性与能观性
能控性判别
1.有关线性时变系统能控性的几点说明
1)定义中的允许控制
，在数学上要求其元在
绝对平方可积的，即
区间是
这个限制条件是为了保证系统状态方程的解存在且唯一。 2)定义中的 ，是系统在允许控制作用下，由初始状态 目标状态(原点)的时刻。
转移到
3)根据能控性定义，可以导出能控状态和控制作用之问的关系式。 4)非奇异变换不改变系统的能控性。
作用， 仅作无控的自由运动。显然，若不考虑
维子系统，便
可得到一个低维的能控系统。
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至于非奇异变换阵：
(7)
其中 个列矢量可以按如下方法构成，前 个列矢量
是
能控性矩阵M中的 个线性无关的列，另外的
个列
在
确保 为非奇异的条件下，完全是任意的。
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按能观性分解 设线性定常系统：
这是一个很重要的关系式，下面的几个推论都是由它推证出来的。
3)对系统作线性非奇异变换，不改变其能观测性。
4)如果
是不能观测的， 为任意非零实数，则
也是不能观
测的。
5)如果 和 都是不能观的，则