现代控制理论发展文献综述

<<现代控制理论>>的文献综述

轮机1305班 1049721301970 陈彬彬

内容摘要

通过查阅这些参考资料和文献，深入了解了现代控制理论的产生、发展、内容和研究方法，并通过将其与本科期间学过的古典控制理论进行了对比，了解了两种控制理论的异同。最后初步认识了现代控制理论在各领域中的应用。这些参考资料和文献对以后对现代控制理论的学习将会有方向性的指导作用。

关键词：现代控制理论经典控制理论发展应用

第一章前言

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。现代控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。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、经济系统等的研究中。

第二章主体部分

2.1 现代控制理论的产生、发展、内容和研究方法

2.1.1现代控制理论的产生及其发展

第一阶段:经典(自动)控制理论

经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：

1.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。两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年）,我国发明的水运仪象台,就是一种闭环自动调节系统。

2.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速器，加速了第一次工业革命的步伐。

3. 发展阶段

1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩

展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—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。由于第二次世界大战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）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。1948年伊万斯

（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯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）。

4. 标志阶段

1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书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。我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。

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。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统

1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。

2.1959年卡尔曼（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。

3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。

4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统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

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

第三阶段：智能控制理论

20世纪70年代末，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：

1．大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。

2.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。

3.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。

2.1.2现代控制理论的内容和研究方法

现代控制理论主要内容有，线性系统理论、建模和系统识别、最优滤波理论、最优控制以及自适应控制五个方面，研究方法是状态空间法。

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。按所采用的数学工具，线性系统理论通

常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆;基于抽象代数方法

的代数理论,代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

非线性系统理论：非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。

最优控制理论：最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极

大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数

系统的最优控制等。

随机控制理论：随机控制理论的目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。维纳滤波理论和卡尔曼-布什滤波理论是随机控制理论的基础之一。随机控制理论的一个主要组成部分是随机最优控制，这类随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。

适应控制理论：适应控制系统是在模仿生物适应能力的思想基础上建立的一类可自动调整本身特性的控制系统。适应控制系统的研究常可归结为如下的三个基本问题：①识别受控对象的动态特性；

②在识别对象的基础上选择决策；③在决策的基础上做出反应或动作。

2.2 经典控制理论与现代控制理论的差异

经典控制理论本质上是频域分析方法，以表达系统输入与输出关系的传递函数为数学模型、根轨迹和BODE图为主要工具，系统输出对特定输入响应的稳、快准性能为研究重点，常借助图表分析设计系统。综合方法主要为输出反馈和期望频率校正。校正方法主要包括串联校正、反馈校正、串联反馈校正、前馈校正和扰动补偿等，校正装置由能实现控制规律的调节器构成，例如PI、PD、 PID控制器。然而在设计中，有时并不可能完全满足控制系统的所有性能指标，并非是最优

控制系统。

现代控制理论实质上是时域分析方法，以揭示系统外部输入输出关系与部状态的状态空间表达式为动态数学模型、状态空间法为主要工具、在多种约束条件下寻找使系统某个性能指标传函取极值的最优规律为研究重点，借助计算机分析设计系统。综合方法主要为极点配置、状态反馈、

各种综合目标的最优化。所设计的系统能运行在接近某种意义下的最优状态现代控制理论是在经典

控制理论的基础上发展得到的。

两种理论在方法和思路上显著不同。通过比较分析两种理论的各自的研究对象，数学建模和

应用领域，了解两种理论的异同，可以方便我们选择合适的理论来研究和控制系统。

2.2.1研究对象

经典控制系统一般局限于单输入单输出，线性定常系统。严格的说，理想的线性系统在实际中并不存在。实际的物理系统，由于组成系统的非线性元件的存在，可以说都是非线性系统。但是，

在系统非线性不严重的情况时，某些条件下可以近似成线性。所以，实际中很多的系统都能用经

典控制系统来研究。所以，经典控制理论在系统的分析研究中发挥着巨大的作用。现代控制理论相对于经典控制理论，应用的范围更广。现代控制理论不仅适用于单输入单输出系统，还可以研究多输入多输出系统；不仅可以分析线性系统，还可以分析非线性系统；不仅可以分析定常系统，还可以分析时变系统。虽然现代控制理论的适用范围更多，但并不能定性的说现代控制理论更优

于经典控制理论。我们要根据具体研究对象，选择合适的理论进行分析，这样才能是分析的更简便，工作量较小。