控制理论概述

控制理论发展概述(11/11)
控制理论的发展历史可分为两个阶段 经典控制理论与
现代控制理论 下面简单介绍这两个发展阶段的主要历程。
经典控制理论(1/1)
0.1.1 经典控制理论
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：
萌芽阶段
起步阶段
发展阶段 标志阶段
经典控制理论--萌芽阶段(1/2)
1. 萌芽阶段 早在古代,劳动人民就凭借生产实践中积累的丰富经验和对反 馈概念的直观认识,发明了许多闪烁控制理论智慧火花的杰作。 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。 例如,两千年前我国发明的 指南车,就是一种开环自动 调节系统。
经典控制理论—标志阶段(7/9)
传递函数只描述了系统的输入输出间关系,没有内部变量 的表示。
经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具,本质上是 频域方法,主要研究“单输入单输出”(Single-Input Single-output, SISO)线性定常控制系统的分析与设计,对线 性定常系统已经形成相当成熟的理论。
1765年俄国人普尔佐诺夫(I. Polzunov)发明了蒸汽锅炉水 位调节器等；
经典控制理论—起步阶段(2/5)
1788年,英国人瓦特(J. Watt)在他 发明的蒸汽机上使用了离心调速 器,解决了蒸汽机的速度控制问题, 引起了人们对控制技术的重视。 以后人们曾经试图改善调速 器的准确性,却常常导致系统 产生振荡。 自动控制技术的逐步应用,加速了第一 次工业革命的步伐。
The governor is quite large as can be gauged by the outline of the door frame behind the governor.
经典控制理论—发展阶段(1/4)
3. 发展阶段 实践中出现的问题,促使科学家们从 理论上进行探索研究。 1868年,英国物理学家麦克斯韦 (J.C. Maxwell)通过对调速系统 线性常微分方程的建立和分析, 解释了瓦特蒸汽机速度控制 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。
描述自动控制系统输入量、输出量和内部量之间关系的 数学表达式称为系统的数学模型,它是分析和设计控制系 统的基础。 经典控制理论中广泛使用的频率法和根轨迹法,是建立在 传递函数基础上的。
线性定常系统的传递函数是在零初始条件下系统输出量 的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比,是描述系 统的频域模型。
典型的经典控制理论包括PID控制、Smith控制、解耦控 制、Dalin控制、串级控制等。
经典控制理论—标志阶段(8/9)
经典控制理论虽然具有很大的实用价值,但也有着明显的局 限性,主要表现在：
经典控制理论只适用于SISO线性定常系统,推广到多输 入多输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)线性定常系统 非常困难,对时变系统和非线性系统则更无能为力; 用经典控制理论设计控制系统一般根据幅值裕度、相位 裕度、超调量、调节时间等频率域里讨论的指标来进行 设计和分析。
Process schematic of a Kellogg ammonia plant
控制理论发展概述(9/11)
Typical flatness control set-up for rolling mill
控制理论发展概述(10/11)
Process schematic of an Industrial Bloom Caster
Matlab软件概述；
现代控制理论的主要内容及学习方法； 本书各章节的安排。 作为全书的开篇，力求通过对现代控制理论的发展前景 和应用成果的展示，激发读者对现代控制理论及相关领 域知识探求的欲望和学习热情。
目录(1/1)
目录Leabharlann Baidu
1.1 控制理论发展概述
1.2 现代控制理论的主要内容 1.3 Matlab软件概述
经典控制理论—起步阶段(5/5)
This flyball governor is in the same cotton factory in anchester.
However, this particular overnor was used to regulate the speed of a water wheel driven by the flow of the river.
控制理论发展概述(5/11)
A modern rolling mill
控制理论发展概述(6/11)
The cast strip in the secondary cooling chamber
控制理论发展概述(7/11)
在星际探险中的移动机器人,如美国研制的火星探测车
控制理论发展概述(8/11)
人们的生活(如便捷、高速的航空器)
等产生巨大的影响,成为20世纪发展最为亮丽的科学领域。
控制理论发展概述(2/11)
随着社会的进步,现代工业、科学技术的迅猛发展,对控制 系统提出了更高的要求 更高的控制精度 更快的控制速度 更大的控制范围 更强的对环境和对象变化的适应能力 更广泛的应用领域 控制理论和技术如今已不再仅限于工业和军事 国防领域 而深入到农业、社会、经济等领域 o 如经济控制论、计量历史学等 相应地急需发展相适应的控制理论。
麦克斯韦
开辟了用数学方法研究控制系统的途径。
经典控制理论—发展阶段(2/4)
此后,英国数学家劳斯(E.J. Routh)和德国数学家胡尔维 茨(A. 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,分别在1877年和1895年各自提 出了直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则两 个著名的稳定性判据—劳斯判据和胡尔维茨判据。
经典控制理论—标志阶段(3/9)
从20世纪40年代到50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。 第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制 飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以 及其他军用系统。
瓦特
经典控制理论—起步阶段(3/5)
Watt’s fly ball governor
经典控制理论—起步阶段(4/5)
This photograph shows a flyball governor used on a steam engine in a cotton factory near anchester in the United Kingdom. Of course, Manchester was at the centre of the industrial revolution. Actually, this cotton factory is still running today.
经典控制理论—标志阶段(2/9)
1948年,美国科学家伊万斯(W.R. Evans)创立了根轨迹分析方法, 为分析系统性能随系统参数变 化的规律性提供了有力工具,被 广泛应用于反馈控制系统的分 析、设计中。 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》。 钱学森
奈奎斯特
经典控制理论—发展阶段(4/4)
随后,伯德(H.W. Bode)和尼科尔斯(N.B. Nichols)在1930年 代末和1940年代初进一步将频率响应法加以发展,形成了 经典控制理论的频域分析法。 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,称为经典控制理论(或称古典控制理论、自动 控制理论),为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统 的有效工具。
1.4 本书的主要内容
参考教材 参考期刊
控制理论发展概述(1/11)
1.1 控制理论发展概述
控制理论的发展已经走过近百年的历程,并在控制系统设计这 一工程领域发挥着巨大的作用。
可以说,控制理论与控制工程对
现代社会的工业化进程,
科学探索(如卫星等太空器升空、远洋船探索), 国防军备的现代化(高精度导弹的精确制导),以及
指南车
经典控制理论--萌芽阶段(2/2)
再如,我国北宋时代(公元 1086～1089年)苏颂和韩公 廉利用天衡装置制造的水 运仪象台,就是一个按负反 馈原理构成的闭环非线性 自动控制系统;
水 运 仪 象 台
经典控制理论—起步阶段(1/5)
2. 起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展,到十七、十八世纪,自动控 制技术逐渐应用到现代工业中。 1681年法国物理学家、发明家巴本巴本(D. Papin)发明了 用做安全调节装置的锅炉压力调节器;
经典控制理论—标志阶段(5/9)
干扰 输入 控制器 控制对象 输出
图1-1 反馈控制系统的简化原理框图
经典控制理论—标志阶段(6/9)
经典控制理论主要研究线性定常系统。 所谓线性控制系统是指系统中各组成环节或元件的状态 或特性可以用线性微分方程描述的控制系统。 如果描述该线性系统的微分方程的系数是常数,则称为线 性定常系统。
这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追 求,迫切要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和 方法的产生。 同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控制系 统的研究。
可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。
经典控制理论—标志阶段(4/9)
以传递函数作为描述系统的数学模型,以时域分析法、根轨迹 法和频域分析法为主要分析设计工具,构成了经典控制理论的 基本框架。 到20世纪50年代,经典控制理论发展到相当成熟的地步,形 成了相对完整的理论体系,为指导当时的控制工程实践发 挥了极大的作用。 经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分析与 设计的问题。 如图1-1所示为反馈控制系统的简化原理框图。
主要内容

主要讨论对象: 线性定常连续系统 兼顾: 线性定常离散系统 研究内容: 状态空间分析方法 系统分析 系统结构性理论 稳定性理论 状态反馈理论 观测器理论 最优控制

Ch.1 现代控制理论概论
本章简介(1/1)
本章简介
本章介绍
控制理论的发展； 经典控制理论与现代控制理论的特点；
经典控制理论—标志阶段(1/9)
4. 标志阶段 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。 控制论之父——维纳
劳斯
胡尔维茨
经典控制理论—发展阶段(3/4)
这些方法基本上满足了20世纪 初期控制工程师的需要,奠定了 经典控制理论中时域分析法的 基础。 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 美国物理学家奈奎斯特(H. Nyquist) 提出了频域内研究系统的频率响应 法,建立了以频率特性为基础的稳 定性判据,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。
控制理论发展概述(3/11)
计算机技术和其他相关材料、设备的发展也为产生新的 控制系统的理论、设计和实现技术创造了条件。
下面是几个复杂工业控制对象及航天系统。
控制理论发展概述(4/11)
A modern industrial plant: A section of the OMV Oil Refinery in Austria
现代控制理论
面向21世纪电气信息学科立体化系列教材 《现代控制理论》编委会
2007年1月, Ver 1.0
目 录
Ch.1 现代控制理论概论 Ch.2 控制系统的状态空间模型
Ch.3 线性系统的时域分析
Ch.4 线性系统的能控性和能观性
Ch.5 李雅普诺夫稳定性分析
Ch.6 线性系统综合 Ch.7 最优控制原理