现代控制理论基础知识

控制论之父——维纳
2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实 践，并于1954年出版了《工程控制论》。
钱学森
从四十年代到五十年代末，经典控制理论的 发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大 的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防 建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。 （可以说工业革命和战争促使了经典控制理论 的发展）。
南 车
2. 公元1086－1089年
水
（北宋哲宗元祐初年），
运
我国发明的水运仪象台，
仪
就是一种闭环自动调节系
象
统。
台
二 起步阶段
随着科学技术与工业生 产的发展，到十八世纪， 自动控制技术逐渐应用到 现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt） 发明的蒸汽机离心调节器， 加速了第一次工业革命的 步伐。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态空间法； 在1957年提出了基于动态规划的最优控制理论。
2.1959年匈牙利数学家卡尔曼（Kalman） 和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年 在控制系统的研究中成功地应用了状态 空间法，并提出了可控性和可观测性的 新概念。
卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
洗衣机智能控制
机器人神经网络控制
➢复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范
筹，以解决复杂系统的控制为目标。
复杂航天器控制
回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了 人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、 智能化时代。
§ 1.2 现代控制理论基础的内容
现代控制理论基础的内容为:
庞特里亚金 L.S.Pontryagin
4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens） 和麦克法仑（G.J.MacFarlane）研究了用于计算机辅助设计的 现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变 量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关 系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
第二阶段 现代控制理论
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，例如泛函分析、现代代数等，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。
从二十世纪五十年代末开始，随着核能技术、空间技术 的出现和发展，工程领域需要对多输入多输出系统、非线性 系统和时变系统进行更具体的研究。
最优估计理论的内容
参数估计法；（最小方差、最小二乘法） 状态估计法（卡尔曼滤波）
§ 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异
建立在奈奎斯特的频率响应法和伊文思的根轨迹 法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或 自动控制理论）。
四 标志阶段
1.1947年控制论的奠基人美国 数学家维纳（N.Weiner）把控制 论引起的自动化问题同第二次产 业革命联系起来，于1948年发表 《控制论—关于在动物和机器中 控制与通讯的科学》一文，文中 论述了控制理论的一般方法，推 广了反馈的概念，为控制理论这 门学科奠定了基础。
线性系统理论
最优控制理论
最优估计理论
系统辨识理论
自适应控制理论
智能控制理论
线性系统理论的内容
状态空间实现: 线性系统的数学模型问题 线性系统的内部特性：稳定性、可控性与可观测性 线性系统的设计方法：极点配置
最优控制理论的内容
变分法（用于不受限系统）； 极小（大）值原理； 动态规划：最优性原理； 线性二次型指标的最优控制
2. 20世纪末，控制理论向着“大系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发
展：
➢大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结
构方案、总体设计中的分Baidu Nhomakorabea方法和协调等 问题的技术基础理论。
复杂大系统控制
➢智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信
息传递过程的规律，研制具有某些拟人 智能 的工程控制与信息处理系统的理论。
洗衣机智能控制
电冰箱温度控制
控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：
第一阶段: 经典(自动)控制理论
经典控制理论也称为自动控制理论。它的发展大致经历 了以下几个过程：
一 萌芽阶段
如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国 就有了自动控制技术的萌芽。
指
1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。
现代控制理论基础
Modern Control Theory
绪论
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展 § 1.2 现代控制理论的内容 § 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异 § 1.4 现代控制理论的应用
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
同学们，我们都知道：控制理论作为一门科 学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方 方面面。
5. 20世纪70年代奥斯特拉 姆（瑞典）和朗道（法国， L.D.Landau）在自适应控制 理论和应用方面作出了贡献。
朗道 L.D.Landau
与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统等理 论的发展也大大丰富了现代控制理论的内容。
第三阶段 鲁棒控制理论阶段
1. 由于现代数学的发展，结合H2和H等范数而 出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。
瓦特
三 发展阶段
1. 1868年麦克斯韦（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速 系统中出现剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳 定性代数判据。
麦克斯韦（J.C.Maxwell）
2. 1895年劳斯（Routh）与赫 尔维茨（Hurwitz）把麦克 斯韦的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了著名的稳 定性判据—劳斯判据和赫 尔维茨判据，基本上满足 了二十世纪初期控制工程 师的需要。
赫尔维茨（Hurwitz）
3.由于两次世界大战中军事 工业需要控制系统具有准确 跟踪与补偿能力，1932年奈 奎斯特（H.Nyquist）提出 了复数域内研究系统的频率 响应法，为具有高质量动态 品质和静态准确度的军用控 制系统提供了急需的分析工 具。
奈奎斯特
4.1948年伊文思（W.R.Ewans）提出了用图解方式研 究系统的根轨迹法。