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《现代控制理论》课件
现代控制理论
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论
01
引言
什么是现代控制理论
现代控制理论是一门研究动态系统控制的学科，它利用数学模型和优化方法来分析 和设计控制系统的性能。
它涵盖了线性系统、非线性系统、多变量系统、分布参数系统等多种复杂系统的控 制问题。
20世纪60年代
线性系统理论和最优控制理论得到发展，为现代控制理论的建立奠定 了基础。
20世纪70年代
非线性系统理论和自适应控制理论逐渐发展起来，进一步丰富了现代 控制理论的应用范围。
20世纪80年代至今
现代控制理论在智能控制、鲁棒控制、预测控制等领域取得了重要进 展，为解决复杂系统的控制问题提供了更有效的工具。
01
利用深度学习算法对系统进行建模和学习，实现更高
效和智能的自适应控制。
多变量自适应控制
02 研究多变量系统的自适应控制方法，以提高系统的全
局性能。
非线性自适应控制
03
发展非线性系统的自适应控制方法，以处理更复杂的
控制系统。
06
鲁棒控制理论
鲁棒控制的基本概念
鲁棒控制是一种设计方法，旨在 提高系统的稳定性和性能，使其 在存在不确定性和扰动的情况下
自适应逆控制
一种基于系统逆动态特性的自适应控制方法，通过对系统 逆动态特性的学习和控制，实现系统的自适应控制。
自适应控制系统设计
系统建模
建立被控对象的数学模型，包括线性系统和非线性系统。
控制器设计
根据系统模型和性能指标，设计自适应控制器，包括线性自适应控制器和 非线性自适应控制器。
参数调整
根据系统运行状态和环境变化，调整控制器参数，以实现最优的控制效果 。
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论
01
引言
什么是现代控制理论
现代控制理论是一门研究动态系统控制的学科，它利用数学模型和优化方法来分析 和设计控制系统的性能。
它涵盖了线性系统、非线性系统、多变量系统、分布参数系统等多种复杂系统的控 制问题。
20世纪60年代
线性系统理论和最优控制理论得到发展，为现代控制理论的建立奠定 了基础。
20世纪70年代
非线性系统理论和自适应控制理论逐渐发展起来，进一步丰富了现代 控制理论的应用范围。
20世纪80年代至今
现代控制理论在智能控制、鲁棒控制、预测控制等领域取得了重要进 展，为解决复杂系统的控制问题提供了更有效的工具。
01
利用深度学习算法对系统进行建模和学习，实现更高
效和智能的自适应控制。
多变量自适应控制
02 研究多变量系统的自适应控制方法，以提高系统的全
局性能。
非线性自适应控制
03
发展非线性系统的自适应控制方法，以处理更复杂的
控制系统。
06
鲁棒控制理论
鲁棒控制的基本概念
鲁棒控制是一种设计方法，旨在 提高系统的稳定性和性能，使其 在存在不确定性和扰动的情况下
自适应逆控制
一种基于系统逆动态特性的自适应控制方法，通过对系统 逆动态特性的学习和控制，实现系统的自适应控制。
自适应控制系统设计
系统建模
建立被控对象的数学模型，包括线性系统和非线性系统。
控制器设计
根据系统模型和性能指标，设计自适应控制器，包括线性自适应控制器和 非线性自适应控制器。
参数调整
根据系统运行状态和环境变化，调整控制器参数，以实现最优的控制效果 。
现代控制理论课件PPT
西华大学电气与电子信息学院
▪ 系统辨识（系统辨识，参数估计） 未知系统的建模，在仅知道y和u，根据输入输出关系建立 系统模型。 包括两部分：模型结构及模型参数的确立。 系统辨识：包括模型结构及参数的辨识； 参数估计：模型结构已定，估计其参数；以下三阶系统： a3 y(3) a2 y(2) a1 y' a0 y b0u
问题称为极点配置问题。
3）使一个MIMO系统实现一个输入只控制一个输出作为
性能指标，相应的综合问题称为解耦问题。
4）将系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号 u(t) 的能
力，作为性能指标，相应的综合问题称为跟踪问题。
西华大学电气与电子信息学院
3 控制系统仿真 系统
建立数 学模型
仿真 实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
MATLAB工程软件简介
在控制类学科中， MATLAB/Simulink是首选的计算机 工具。 MATLAB软件中有大量的MATLAB配套工具箱 功能强大的控制系统仿真环境SIMULINK，它用形象的图 形环境为控制系统的分析设计提供了很好的试验工具。
西华大学电气与电子信息学院
F135-PW-100
西华大学电气与电子信息学院
蒸气发电机的谐调控制系统模型
西华大学电气与电子信息学院
0.1.2 现代控制理论和经典控制理 论的区别
经典控制理论
单输入单输出(SISO) 黑箱问题，不完全描述 近似分析、设计，采用拼凑法 无法考虑系统的初始条件（传递函数的定义） 传递函数、微分方程 时域法、根轨迹法、频域法
现代控制理论
宋潇潇 西华大学电气与电子信息学院
现代控制理论
地位和重要性 所需基础知识 知识构架 笔记和课件 出勤和考试
▪ 系统辨识（系统辨识，参数估计） 未知系统的建模，在仅知道y和u，根据输入输出关系建立 系统模型。 包括两部分：模型结构及模型参数的确立。 系统辨识：包括模型结构及参数的辨识； 参数估计：模型结构已定，估计其参数；以下三阶系统： a3 y(3) a2 y(2) a1 y' a0 y b0u
问题称为极点配置问题。
3）使一个MIMO系统实现一个输入只控制一个输出作为
性能指标，相应的综合问题称为解耦问题。
4）将系统的输出y(t)无静差地跟踪一个外部信号 u(t) 的能
力，作为性能指标，相应的综合问题称为跟踪问题。
西华大学电气与电子信息学院
3 控制系统仿真 系统
建立数 学模型
仿真 实验
结果分析
模型
计算机
建立仿真模型
MATLAB工程软件简介
在控制类学科中， MATLAB/Simulink是首选的计算机 工具。 MATLAB软件中有大量的MATLAB配套工具箱 功能强大的控制系统仿真环境SIMULINK，它用形象的图 形环境为控制系统的分析设计提供了很好的试验工具。
西华大学电气与电子信息学院
F135-PW-100
西华大学电气与电子信息学院
蒸气发电机的谐调控制系统模型
西华大学电气与电子信息学院
0.1.2 现代控制理论和经典控制理 论的区别
经典控制理论
单输入单输出(SISO) 黑箱问题，不完全描述 近似分析、设计，采用拼凑法 无法考虑系统的初始条件（传递函数的定义） 传递函数、微分方程 时域法、根轨迹法、频域法
现代控制理论
宋潇潇 西华大学电气与电子信息学院
现代控制理论
地位和重要性 所需基础知识 知识构架 笔记和课件 出勤和考试
《现代控制理论基础》PPT课件
1875 年 ， 英 国 的 劳 斯 （ E.J.Routh,1831-1907 ） ， 1995年，德国的赫尔维茨（A.Hurwitz，1859-1919）,先 后分别提出根据代数方程系数判别系统稳定性的一般准 则。
11
20世纪20年代，电子技术得到了迅速发展，促进 了信息处理和自动控制及其理论的发展。
这 个 时 期 的 主 要 代 表 人 物 有 美 国 的 贝 尔 曼 （ R. Bellman）、原苏联的庞特里亚金和美籍匈牙利人卡尔曼 （R.E.Kalman）等人。
23
1965年，贝尔曼发表了“动态规划理论在控制过程中 的应用“一文，提出了寻求最优控制的动态规划法。
1958年，Kalman提出递推估计的自动化控制原理，奠 定了自校正控制器的基础。
5
二 控制理论的产生及其发展
6
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类 在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的 发展和科学水平的进步而不断发展。
人类发明具有“自动”功能的装置的历史可以追溯到 公元前14－11世纪的中国、埃及和巴比伦出现的铜壶滴 漏计时器。
公元前4世纪，希腊柏拉图（Platon,公元前47－公元 前347）首先使用了“控制论”一词。
27
例如，在20世纪70年代以来形成的大系统理论主要 是解决大型工程和社会经济中信号处理、可靠性控制等 综合最优的设计问题。
由于应用范围涉及越来越复杂的工程系统和社会、 经济、管理等非工程的人类活动系统，原有的理论方法 遇到了本质困难，大系统和社会发展逐渐转向“复杂系 统”的概念。
28
智能控制的发展始于20世纪60年代，它是一种能更好地 模仿人类智能的、非传统的控制方法。它突破了传统控制中 对象有明确的数学描述和控制目标是可以数量化的限制。它 所采用的理念方法主要是来自自动控制理论、人工智能、模 糊集和神经网络以及运筹学等学科分支。
11
20世纪20年代，电子技术得到了迅速发展，促进 了信息处理和自动控制及其理论的发展。
这 个 时 期 的 主 要 代 表 人 物 有 美 国 的 贝 尔 曼 （ R. Bellman）、原苏联的庞特里亚金和美籍匈牙利人卡尔曼 （R.E.Kalman）等人。
23
1965年，贝尔曼发表了“动态规划理论在控制过程中 的应用“一文，提出了寻求最优控制的动态规划法。
1958年，Kalman提出递推估计的自动化控制原理，奠 定了自校正控制器的基础。
5
二 控制理论的产生及其发展
6
自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类 在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的 发展和科学水平的进步而不断发展。
人类发明具有“自动”功能的装置的历史可以追溯到 公元前14－11世纪的中国、埃及和巴比伦出现的铜壶滴 漏计时器。
公元前4世纪，希腊柏拉图（Platon,公元前47－公元 前347）首先使用了“控制论”一词。
27
例如，在20世纪70年代以来形成的大系统理论主要 是解决大型工程和社会经济中信号处理、可靠性控制等 综合最优的设计问题。
由于应用范围涉及越来越复杂的工程系统和社会、 经济、管理等非工程的人类活动系统，原有的理论方法 遇到了本质困难，大系统和社会发展逐渐转向“复杂系 统”的概念。
28
智能控制的发展始于20世纪60年代，它是一种能更好地 模仿人类智能的、非传统的控制方法。它突破了传统控制中 对象有明确的数学描述和控制目标是可以数量化的限制。它 所采用的理念方法主要是来自自动控制理论、人工智能、模 糊集和神经网络以及运筹学等学科分支。
现代控制理论(II)-讲稿课件ppt
03
通过具体例子说明最小值原理在最优控制问题中的应
用方法。
06 现代控制理论应用案例
倒立摆系统稳定控制
倒立摆系统模型建立
分析倒立摆系统的物理特性，建立数学模型，包括运动方程和状态 空间表达式。
控制器设计
基于现代控制理论，设计状态反馈控制器，使倒立摆系统实现稳定 控制。
系统仿真与实验
利用MATLAB/Simulink等工具进行系统仿真，验证控制器的有效性； 搭建实际实验平台，进行实时控制实验。
最优控制方法分类
根据性能指标的类型和求解方法， 最优控制可分为线性二次型最优控 制、最小时间控制、最小能量控制 等。
最优控制应用举例
介绍最优控制在航空航天、机器人、 经济管理等领域的应用实例。
05 最优控制理论与方法
最优控制问题描述
控制系统的性能指标
定义控制系统的性能评价标准，如时间最短、能量最小等。
随着网络技术的发展，分布式控制系统逐渐 成为现代控制理论的研究热点，如多智能体 系统、协同控制等。
下一步学习建议
01
02
03
04
深入学习现代控制理论相关知 识，掌握更多先进的控制方法
和技术。
关注现代控制理论在实际系统 中的应用，了解不同领域控制
系统的设计和实现方法。
加强实践环节，通过仿真或实 验验证所学理论知识的正确性
机器人运动学建模
分析机器人的运动学特性， 建立机器人运动学模型， 描述机器人末端执行器的 位置和姿态。
运动规划算法设计
基于现代控制理论，设计 运动规划算法，生成机器 人从起始点到目标点的平 滑运动轨迹。
控制器设计与实现
设计机器人运动控制器， 实现机器人对规划轨迹的 精确跟踪；在实际机器人 平台上进行实验验证。
现代控制理论于方法PPT课件
线性系统理论
02
线性系统的基本概念
线性系统
在一定的输入信号下，输出信号 与输入信号成正比，且比例系数 是常数。
线性系统的特点
叠加性、齐次性和可加性。
线性系统的分类
时不变系统和时变系统。
线性系统的稳定性分析
稳定性的定义：如果一个系统 在受到扰动后能够恢复到原来 的平衡状态，则称该系统是稳
定的。
线性系统的稳定性条件：系 统的极点必须位于复平面的 左半部分，即系统的极点必
鲁棒控制在工业中的应用
鲁棒控制在工业中广泛应用于 过程控制、电力系统和航空航
天等领域。
在过程控制中，鲁棒控制可以 用于抑制模型误差和扰动，提
高系统的稳定性和可靠性。
在电力系统中，鲁棒控制可以 用于抑制负荷波动和故障扰动 ，保证电力系统的稳定运行。
在航空航天中，鲁棒控制可以 用于抑制外部干扰和内部扰动 ，提高飞行器的稳定性和安全 性。
非线性系统的近似线性化方法
近似线性化方法定义
近似线性化方法是指通过一定的技术手段将 非线性系统近似转化为线性系统，以便于分 析和设计的方法。
近似线性化方法分类
近似线性化方法可以分为基于状态空间的近似线性 化和基于输入输出的近似线性化两类。
近似线性化方法应用
近似线性化方法广泛应用于各种非线性系统 的分析和设计中，如控制系统、航空航天系 统、机器人系统等。
现代控制理论于方法 ppt课件
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论 • 结论与展望
引言
01
控制理论的发展历程
01
经典控制理论
主要关注单输入单输出系统，以传递函数为基础，通过时域分析方法进
现代控制理论[001].pptx
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第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
例如：对二维空间矢量：x
1 x 2 ,Tx
V (x)
x 12
2x
2 2
2
1
2
V (x) (x x )
V (x)
V (x)
2
2
1
2
(x 2x )
(x 1 x 2) 2
V (x) x1 x2
是正定的 是半正定的 是负定的 是半负定的 是不定的
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
特征值为
j
是不稳定的
不能得出稳定性结论
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
4.3李雅普诺夫第二法（直接法）
方法：不求解系统的状态方程，通过一个系统的能量函数来直
接判断系统的稳定性。
问题：在实际系统中，往往不容易找出系统的能量函数。
办法： 于是李雅普诺夫定义了一个正定的标量函数V(x)，作为
系统的一个虚构的广义能量函数。根据 V (x) 的符号性质，可以判 断系统的状态稳定性。
得到特征值为－3，2 。所以系统状态不是渐近稳定的。
（2）系统的传递函数 () (
G s c sI
1 A 1b s 3
可见传递函数的极点－3位于s平)面的左半平面，故系统输出
稳定。
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
4.2.2 非线性系统的稳定性 设非线性系统的状态方程为： x
f x,t
xe为平衡状态；f[x,t]为与x同维的矢量函数，且对x有连
x
Ax
A
f
xT
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
定理（李雅普诺夫线性化方法）
（1）如果方程式中系数矩阵A的所有特征值都具有负实部，则 原非线性系统在平衡状态xe是渐近稳定的，而且稳定性与R(x)无 关。
现代控制理论教学课件
数字仿真实验结果分析 阐述如何对数字仿真实验结果进 行分析，包括性能指标的计算和 评估，以及对实验结果进行解释 和讨论。
数字仿真软件 介绍常用的数字仿真软件，如 MATLAB/Simulink等，并解释其 基本原理和使用方法。
数字仿真实验设计 详细说明数字仿真实验的设计方 法，包括如何建立系统模型、如 何设计控制器、如何设置仿真参 数等。
该方法能够全面地反映系统的性能，具有较强的适用性和实用 性。同时，该方法可通过实验手段进行验证，可靠性高。
设计过程相对较为复杂，需要一定的专业知识和经验。
适用于高阶系统和多变量系统的控制器设计，广泛应用于工程 实践中。
最优控制设计法
定义
最优控制设计法是一种基于最优化理论进行控制器设计的 方法。
缺点
现代控制理论阶段
自20世纪60年代开始，状态空间 法成为主导，适用于多输入多输 出、非线性、时变系统的分析与 设计。
现代控制理论的特点
状态空间描述
现代控制理论基于状态空间描述 ，通过状态变量全面反映系统内 部状态，提供更深入的系统分析
。
时域分析法
相比古典控制理论的频域分析法， 现代控制理论采用时域分析法，能 够直接反映系统的时间响应特性。
05
现代控制理论进阶知 识
系统的数学模型 ，包括微分方程、差分方程和状态方程等
。
A 非线性现象
介绍系统中的非线性现象，如死区 、饱和、滞后等，并分析其对系统
性能的影响。
B
C
D
非线性系统设计
探讨非线性控制系统的设计方法，如反馈 线性化、滑模变结构控制、反步法等。
稳定性分析
利用状态空间方程的特征值分析系统的稳定性，通过判断 特征值的分布来确定系统的稳定性。
数字仿真软件 介绍常用的数字仿真软件，如 MATLAB/Simulink等，并解释其 基本原理和使用方法。
数字仿真实验设计 详细说明数字仿真实验的设计方 法，包括如何建立系统模型、如 何设计控制器、如何设置仿真参 数等。
该方法能够全面地反映系统的性能，具有较强的适用性和实用 性。同时，该方法可通过实验手段进行验证，可靠性高。
设计过程相对较为复杂，需要一定的专业知识和经验。
适用于高阶系统和多变量系统的控制器设计，广泛应用于工程 实践中。
最优控制设计法
定义
最优控制设计法是一种基于最优化理论进行控制器设计的 方法。
缺点
现代控制理论阶段
自20世纪60年代开始，状态空间 法成为主导，适用于多输入多输 出、非线性、时变系统的分析与 设计。
现代控制理论的特点
状态空间描述
现代控制理论基于状态空间描述 ，通过状态变量全面反映系统内 部状态，提供更深入的系统分析
。
时域分析法
相比古典控制理论的频域分析法， 现代控制理论采用时域分析法，能 够直接反映系统的时间响应特性。
05
现代控制理论进阶知 识
系统的数学模型 ，包括微分方程、差分方程和状态方程等
。
A 非线性现象
介绍系统中的非线性现象，如死区 、饱和、滞后等，并分析其对系统
性能的影响。
B
C
D
非线性系统设计
探讨非线性控制系统的设计方法，如反馈 线性化、滑模变结构控制、反步法等。
稳定性分析
利用状态空间方程的特征值分析系统的稳定性，通过判断 特征值的分布来确定系统的稳定性。
现代控制理论ppt
求解方法
通过利用拉格朗日乘子法或Riccati方程，求 解线性二次调节器问题，得到最优控制输入
。
动态规划与最优控制策略
动态规划的基本思想
将一个多阶段决策问题转化为一系列单 阶段问题，通过求解单阶段问题得到多 阶段的最优解。
பைடு நூலகம்
VS
最优控制策略的确定
根据动态规划的递推关系，逐步求解每个 阶段的优化问题，最终得到最优控制策略 。
总结词
稳定性分析是研究非线性系统的重要方法，主要关注系统在受到扰动后能否恢 复到原始状态或稳定状态。
详细描述
稳定性分析通过分析系统的动态行为，判断系统是否具有抵抗外部干扰的能力。 对于非线性系统，稳定性分析需要考虑系统的初始状态、输入信号以及系统的 非线性特性等因素。
非线性系统的控制设计方法
总结词
要点二
详细描述
线性系统是指在输入和输出之间满足线性关系的系统，即 系统的输出量可以用输入量的线性组合来表示。线性系统 的性质包括叠加性、均匀性和时不变性等。叠加性是指多 个输入信号的响应等于各自输入信号响应的总和；均匀性 是指系统对不同频率信号的响应是一样的；时不变性是指 系统对时间的变化不敏感，即系统在不同时刻的响应是一 样的。
量随时间的变化规律，输出方程描述了输出量与状态变量之间的关系。
线性系统的稳定性分析
• 总结词：稳定性是控制系统的重要性能指标之一，线性系统的稳定性分 析是现代控制理论的重要研究内容。
• 详细描述：稳定性是控制系统的重要性能指标之一，如果一个系统受到 扰动后能够自我恢复到原来的状态，那么这个系统就是稳定的。线性系 统的稳定性分析是现代控制理论的重要研究内容，常用的方法有劳斯赫尔维茨稳定判据和奈奎斯特稳定判据等。劳斯-赫尔维茨稳定判据是 一种基于系统极点的判据，通过判断系统的极点是否都在复平面的左半 部分来判断系统的稳定性；奈奎斯特稳定判据是一种基于频率域的判据， 通过判断系统的频率响应是否在复平面的右半部分来判断系统的稳定性。
西工大-现代控制理论课件
学术研究
02
为控制系统设计和优化提供了理论基础，促进了相关领域的研
究和发展。
经济发展
03
推动了自动化、智能制造等产业的发展，提高了生产效率和经
济效益。
现代控制理论的历史与发展
历史背景
起源于20世纪50年代，随着电子计算 机和数学的发展，逐渐形成了一套完 整的理论体系。
发展阶段
未来趋势
随着人工智能、大数据等技术的融合 ，现代控制理论将进一步拓展其应用 领域，并与其他学科交叉融合，形成 新的研究热点。
智能家庭机器人
西工大在智能家庭机器人方面进行了创新研究，通过语音识别和人 工智能技术，提高了机器人的智能水平和用户体验。
医疗康复机器人
西工大在医疗康复机器人方面取得了重要突破，通过精准的机械臂 和感知技术，为患者提供了高效、安全的康复治疗。
西工大在智能交通系统领域的研究成果
智能交通信号控制
西工大在智能交通信号控制方面进行了深入研究，通过实时监测和 优化算法，提高了交通信号的效率和安全性。
从经典控制理论到现代控制理论，再 到智能控制理论，控制理论不断发展 完善。
02
现代控制理论的核心概念
状态空间法
总结词
描述系统的动态行为
详细描述
状态空间法是一种用状态变量和输入变量描述动态系统的方法。通过建立状态 方程和输出方程，可以全面地描述系统的动态行为，包括系统的稳定性、可控 性和可观测性等特性。
西工大-现代控制理论课件
目 录
• 现代控制理论概述 • 现代控制理论的核心概念 • 现代控制理论的应用 • 现代控制理论面临的挑战与解决方案 • 西工大在现代控制理论的研究成果 • 现代控制理论的未来发展趋势与展望
西工大—现代控制理论课件ppt课件
y2
up
yq
被控过程
5
典型控制系统由被控对象、传感器、执行器和控制器组成。
被控过程具有若干输入端和输出端。
数学描述方法： 输入－输出描述（外部描述）:高阶微分方程、传递函数矩阵。
一种完整的描述。
状态空间描述（内部描述）：基于系统内部结构，是对系统的
6
1.2 状态空间描述常用的基本概念
1) 输入：外部对系统的作用（激励）； 控制：人为施加的激励；
xn a0 x1 a1x2 an1xn u
得到动态方程
x Ax bu
y x1
y cx
16
式
x1
0 1 0
0 0
中
x2
0
0
1 b , c 1 0
0
xn
1
0
0
0
1
0
xn
a0 a1 a2
an1
0
例1－5
系统的状态变量图
i 2,3,, n
其展开式为 x1 y h0u
x2 x1 h1u y h0u h1u x3 x2 h2u y h0u h1u h2u
xn xn1 hn1u y (n1) h0u (n1) h1u (n2) hn1u ＃
式中， h0 , h1 ,, hn1 是n个待定常数。是n个。
3、动态方程对于系统的描述是充分的和完整的，即系统中 的任何一个变量均可用状态方程和输出方程来描述。 例1－1 试确定图8-5中（a）、（b）所示电路的独立状态变量。图中u、i分别是是
输入电压和输入电流，y为输出电压，xi为电容器电压或电感器电流。
x3
解 并非所有电路中的电容器电压和电感器电流都是独立变量。对图8-5（a），
《现代控制理论》PPT课件
精选ppt
8
4、控制理论发展趋势
❖ 企业：资源共享、因特网、信息集成、 信息技术+控制技术 (集成控制技术)
❖ 网络控制技术
❖ 计算机集成制造CIMS：（工厂自动化）
பைடு நூலகம்
精选ppt
9
三、现代控制理论与古典控制理论的对比
❖ 共同 对象－系统 主要内容 分析：研究系统的原理和性能 设计：改变系统的可能性（综合性能）
❖ 现代控制理论 哈工大 机械专业硕研
精选ppt
12
精选ppt
7
3.智能控制理论 （60年代末至今）
❖ 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
(1) 专家系统；(2)模糊控制，人工智能 (3) 神经网络，人脑模型；(4)遗传算法 控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术
现代控制理论
Modern Control Theory
精选ppt
1
绪论
❖ 学习现代控制理论的意义： 1.是所学专业的理论基础 2.是研究生阶段提高理论水平的重要环节。 3. 是许多专业考博士的必考课。
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2
一、控制的基本问题
❖ 控制问题：对于受控系统（广义系统）S，
寻求控制规律μ(t)，使得闭环系统满足给
现代控制理论发展的主要标志 (1)卡尔曼：状态空间法； (2)卡尔曼：能控性与能观性； (3)庞特里雅金：极大值原理；
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6
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
现代控制理论课件
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yq
被控过程
12
典型控制系统由被控对象、传感器、执行器和控制器组成。
被控过程具有若干输入端和输出端。
数学描述方法： 输入－输出描述（外部描述）:高阶微分方程、传递函数矩阵。
种完整的描述。
状态空间描述（内部描述）：基于系统内部结构，是对系统的一
13
1.2 状态空间描述常用的基本概念
1) 输入：外部对系统的作用（激励）； 控制：人为施加的激励；
8
❖ 经典控制理论:
引论
数学模型:线性定常高阶微分方程和传递函数;
分析方法: 时域法(低阶1～3阶)
根轨迹法 频域法
近似分析
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。
❖ 现代控制理论：
数学模型:以一阶微分方程组成差分方程组表示的动态方程
6
❖ 现代控制理论的基本内容 ❖ 科学在发展，控制论也在不断发展。所以“现代”两个字加在“控制理
论”前面，其含义会给人误解的。实际上，我们讲的现代控制理论指的 是五六十年代所产生的一些控制理论，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（最小）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包括时间最短、能耗最少等等，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，但在许多情况下系统的状态是 很难求得的，往往需要一些专门的处理方法，如卡尔曼滤波技术来求得。 这些都是现代控制理论的范畴。 ❖ 六十年代以来，现代控制理论各方面有了很大的发展，而且形成几个重 要的分支课程，如线性系统理论，最优控制理论，自适应控制理论，系 统辩识理论，等等。
现代控制理论课件第四讲
现代控制理论的应用领域
现代控制理论广泛应用于航空航天、 工业自动化、交运输、能源等领域， 为解决复杂系统的控制问题提供了有 效的方法。
课程目标
掌握状态空间分析方法的基本原 理
通过本讲的学习，学习者应能够理解状态 空间分析方法的基本概念、原理及其在控 制系统中的应用。
学会建立状态空间模型
学习者应能够根据实际系统的动态特性， 建立相应的状态空间模型，为后续的控制 设计打下基础。
特点
强调数学建模、状态空间分析、 最优控制和自适应控制等理论和 方法的应用，以实现对系统的有 效控制。
现代控制理论的重要性
工业自动化
现代控制理论在工业自动化领域 中发挥着重要作用，通过自动化 控制系统实现对生产过程的精确 控制，提高生产效率和产品质量。
航天与航空
在航天和航空领域，现代控制理 论的应用对于飞行器的导航、制 导和控制至关重要，保证飞行器
现代控制理论课件第四 讲
目录
• 引言 • 现代控制理论概述 • 线性系统理论 • 最优控制理论 • 非线性系统理论 • 现代控制理论的应用与发展趋势
引言
01
课程背景
控制理论的发展历程
课件的定位与作用
从经典控制理论到现代控制理论，再 到智能控制理论，控制理论在不断发 展与完善。
本课件作为现代控制理论的第四讲， 旨在深入探讨状态空间分析方法，为 学习者提供系统、全面的知识体系。
详细描述
非线性系统的控制设计方法主要包括逆系统方法、状态 反馈方法、滑模控制方法等。这些方法可以根据具体的 系统特性和控制要求进行选择和应用。例如，逆系统方 法通过构造一个逆系统来补偿非线性系统的非线性特性 ，实现精确跟踪控制；状态反馈方法利用状态反馈控制 器来稳定非线性系统；滑模控制方法通过设计滑模面和 滑模控制器，使得系统状态在滑模面上滑动，实现对于 非线性系统的有效控制。
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1877年劳斯（E. J. Routh）和1895年赫尔维茨 （A.Hurwitz）分别研究了系统稳定性与特征方程系数的关系， 提出了劳斯判据和赫尔维茨判据。
第0章 引论
1892年，前沙俄数学家李雅普诺夫（A.M. Lyapunov）在其 博士论文“运动稳定的一般问题”中提出Lyapunov稳定性判别 方法，包括第一法和第二法，系统地建立了动力学系统稳定性 的一般理论。
第0章 引论
3.2 经典控制理论阶段
第一次工业革命时期，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进气 阀门以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器，是闭环自动 控制系统应用的第一项重大成果。
物理学家麦克斯韦（J.C. Maxwell）与1868年在“论调节器” 论文首次提出反馈控制的概念，对瓦特调速器系统中的不稳定现 象进行研究，开辟了自动控制作为一门科学发展的开端。
参加本课程的同学必须人手1册教材、出勤听课、听 课并记笔记和完成作业。
（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格）
第0章 引论
教材选用： 【1】刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版社, 2006 主要参考书： 【1】郑大钟. 线性系统理论: 第2版. 北京：清华大学出版社, 2002 【2】 (美)J.J.Dazzo, (美) R.H.Houpis. Linear Control System Analysis and Design: Fourth Edition. 英文影印版. 北京：清华大 学出版社，2000 【3】 (美) R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control System: Eleventh Edition. 英文影印版. 北京：电子工业出版社，2009
科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理 论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。 现代数学，如泛函分析、矩阵论等，为现代控制理论提供了多种多样 的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。
从20世纪50年代末开始，计算机飞速发展推动了核能、航空航天技术 的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。 是自动化专业的理论基础。
第0章 引论
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。
Fundamental knowledge of automation: Cybernetics,
Information Theory and Systemism 狭义自动化和广义自动化 狭义自动化是指工业自动化，自动化也是最早应用于工业生 产领域的。 广义的自动化包括工业自动化、生活自动化、办公自动化和 商务自动化。
1940年，奈奎斯特（ H. Nyquist）提出频率响应法分. Wiener ）正式出版他的名著 《控制论》，标志着控制论的诞生。他明确阐明了控制科学的 研究对象、内容、目的和方法，为控制科学奠定了基础。
第0章 引论
多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括E. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier (1945)，L.A. Maxcoll的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的《工程控制 论》(Engineering Cybernetics) (1954)，
第0章 引论
3.1 控制理论发展初期
公元前14-11世纪，中国古代和古巴比伦出现了称为“刻漏” 的自动计时装置。
古希腊人公元前300年使用的浮子控制器等。 中国古代还发明了许多原始的自动装置，如，指南车（三国 时期）、浮子式阀门（公元1178年）、水运仪象台（公元1008 年）。 公元132年张衡的候风地动仪。 公元1世纪，古代埃及和希腊人发明了教堂庙门自动开启、铜 祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。
是提高学生专业理论水平的重要环节。
是许多专业报考研究生的必考课。
第0章 引论
2 关于自动控制系统/自动化的介绍 自动控制系统是无须人直接参与而借助控制装置使 被控对象的控制量等于给定量或设定规律自动运行的系 统。 或 自动控制系统是由相互关联的部件按一定的结构构成 的系统，能够提供预期的系统响应。 Automatic control system is an interconnection of components forming a system configuration that will provide a desired system response.
第0章 引论
本章的主要内容 1、学习现代控制理论的意义 2、关于自动控制系统/自动化的介绍 3、控制理论的发展历程 4、现代控制理论研究的对象、方法、工具及内容 5、本课程讲授内容 6、现代控制理论与经典控制理论的对比 7、控制一个动态系统的几个主要步骤 8、控制理论的应用
第0章 引论
1 学习现代控制理论的意义
现代控制理论
长安大学《现代控制理论》教学组 主 讲 人：闫茂德 联系方式：029-82334364；13609282710 电子邮件：mdyan@
第0章 引论
第0章 引论
本课程是自动化专业的一门专业基础课，通过本课 程的学习，使学生学生掌握现代控制理论中最基本的内 容，它不仅是现代控制理论的基础，还是现代网络分析 和线性系统理论的基础，可为进一步学习有关专业知识 及进行工程实践打好必要的基础。
第0章 引论 3 控制理论的发展历程
控制理论发展初期 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 Control Theory Development)
第0章 引论
1892年，前沙俄数学家李雅普诺夫（A.M. Lyapunov）在其 博士论文“运动稳定的一般问题”中提出Lyapunov稳定性判别 方法，包括第一法和第二法，系统地建立了动力学系统稳定性 的一般理论。
第0章 引论
3.2 经典控制理论阶段
第一次工业革命时期，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进气 阀门以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器，是闭环自动 控制系统应用的第一项重大成果。
物理学家麦克斯韦（J.C. Maxwell）与1868年在“论调节器” 论文首次提出反馈控制的概念，对瓦特调速器系统中的不稳定现 象进行研究，开辟了自动控制作为一门科学发展的开端。
参加本课程的同学必须人手1册教材、出勤听课、听 课并记笔记和完成作业。
（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格）
第0章 引论
教材选用： 【1】刘豹, 唐万生. 现代控制理论: 第3版. 北京：机械工业出版社, 2006 主要参考书： 【1】郑大钟. 线性系统理论: 第2版. 北京：清华大学出版社, 2002 【2】 (美)J.J.Dazzo, (美) R.H.Houpis. Linear Control System Analysis and Design: Fourth Edition. 英文影印版. 北京：清华大 学出版社，2000 【3】 (美) R. C. Dorf, (美)R. H. Bishop. Modern Control System: Eleventh Edition. 英文影印版. 北京：电子工业出版社，2009
科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理 论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。 现代数学，如泛函分析、矩阵论等，为现代控制理论提供了多种多样 的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。
从20世纪50年代末开始，计算机飞速发展推动了核能、航空航天技术 的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。 是自动化专业的理论基础。
第0章 引论
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。
Fundamental knowledge of automation: Cybernetics,
Information Theory and Systemism 狭义自动化和广义自动化 狭义自动化是指工业自动化，自动化也是最早应用于工业生 产领域的。 广义的自动化包括工业自动化、生活自动化、办公自动化和 商务自动化。
1940年，奈奎斯特（ H. Nyquist）提出频率响应法分. Wiener ）正式出版他的名著 《控制论》，标志着控制论的诞生。他明确阐明了控制科学的 研究对象、内容、目的和方法，为控制科学奠定了基础。
第0章 引论
多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括E. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier (1945)，L.A. Maxcoll的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的《工程控制 论》(Engineering Cybernetics) (1954)，
第0章 引论
3.1 控制理论发展初期
公元前14-11世纪，中国古代和古巴比伦出现了称为“刻漏” 的自动计时装置。
古希腊人公元前300年使用的浮子控制器等。 中国古代还发明了许多原始的自动装置，如，指南车（三国 时期）、浮子式阀门（公元1178年）、水运仪象台（公元1008 年）。 公元132年张衡的候风地动仪。 公元1世纪，古代埃及和希腊人发明了教堂庙门自动开启、铜 祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。
是提高学生专业理论水平的重要环节。
是许多专业报考研究生的必考课。
第0章 引论
2 关于自动控制系统/自动化的介绍 自动控制系统是无须人直接参与而借助控制装置使 被控对象的控制量等于给定量或设定规律自动运行的系 统。 或 自动控制系统是由相互关联的部件按一定的结构构成 的系统，能够提供预期的系统响应。 Automatic control system is an interconnection of components forming a system configuration that will provide a desired system response.
第0章 引论
本章的主要内容 1、学习现代控制理论的意义 2、关于自动控制系统/自动化的介绍 3、控制理论的发展历程 4、现代控制理论研究的对象、方法、工具及内容 5、本课程讲授内容 6、现代控制理论与经典控制理论的对比 7、控制一个动态系统的几个主要步骤 8、控制理论的应用
第0章 引论
1 学习现代控制理论的意义
现代控制理论
长安大学《现代控制理论》教学组 主 讲 人：闫茂德 联系方式：029-82334364；13609282710 电子邮件：mdyan@
第0章 引论
第0章 引论
本课程是自动化专业的一门专业基础课，通过本课 程的学习，使学生学生掌握现代控制理论中最基本的内 容，它不仅是现代控制理论的基础，还是现代网络分析 和线性系统理论的基础，可为进一步学习有关专业知识 及进行工程实践打好必要的基础。
第0章 引论 3 控制理论的发展历程
控制理论发展初期 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 Control Theory Development)