现代控制理论基础第一章

Elements of Modern Control Theory

主讲：董霞

现代控制理论基础

西安交通大学机械工程学院

Email：xdong@

办公地点：西二楼东207

参考教材

《现代控制工程》王军平董霞主编

西安交通大学出版社

教材

《现代控制理论基础》（机械类）何钺编

机械工业出版社

《现代控制工程》（第三版）Katsuhiko Ogata著卢伯英、于海勋译电子工业出

版社

第一章绪论

现代控制理论是在20世纪50年代末、60年代初形成的控制理论。之所以称其为现代控制

理论是与经典控制理论相比较而言的。

1.1 控制理论发展简史

目前国内外学术界普遍认为控制理论经历了三个发展阶段：

经典控制理论

现代控制理论

智能控制理论

这种阶段性发展是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。并且，这三个阶段不是相互排斥，而是相互补充、相辅相成的，它们各有其应用领域，并还在不同程度地继续发展着。

控制理论中反馈的概念

代表性人物：瓦

特（J.Watt)，于1788年发明了

蒸汽机飞球调速器。这是一个典

型的自动调节系

统，由此拉开了

经典控制理论发

展的序幕。

控制理论诞生前，

人们对于反馈就有

了认识。

经典控制理论的诞生

1868

年，英国物理学家J.C.Maxwell 发表《论调速器》论文，解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡问题；

1877年，英国科学家E.J. Routh 建立了劳斯稳定性判据；

1895年，德国数学家A. Hurwitz 提出了胡尔维茨稳定性判据；1892年，俄国数学家A. M.Lyapunov 发表了专著《论运动稳定性的一般问题》；

1922年，美国的N. Minorsky 研究出用于船舶驾驶的伺服机构并提出PID 控制方法；

1932年，美籍瑞典人H. Nyquist 提出了频域内研究系统稳定性的频率判据；

经典控制理论的诞生

1940年，H. W.Bode引入了对数坐标，使频域稳定性判据更适合工程应用；

1942年，H. Harris引入了传递函数概念；

1948年，W.R. Evans提出了根轨迹方法；

1948年，N. Wiener发表了著名的《控制论》，标志着经典控制理论的诞生。

1954年，中国著名科学家钱学森出版了《工程控制论》一书，为控制理论的工程应用做出了卓越的贡献。

20世纪四五十年代，经典控制理论的诞

生与应用使全世界的科学技术水平得到了快速提高，当时的工业、农业、国防与交通等各领域都热衷于采用自动控制技术。

经典控制理论的诞生

经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出系统的分析和控制问题，所涉及的系统大多是线性定常系统，非线性系统中的相平面法也只含两个变量。

常接触到的系统，如机床和轧钢机中常用的调速系统、发电机的自动电压调节系统以及冶炼炉的温度自动控制系统等等，这些系统均被当作单输入－单输出的线性定常系统来处理。如果把某个干扰考虑在内，也只是将它们进行线

性叠加而已。

解决上述问题时，采用频率法、根轨迹法、奈氏稳定判据、期望对数频率特性综合等方法是比较方便的，这些方法均属于通常所说的经典控制论范畴，所得结果在对精确度、准确度要求不是很高的情况下是完全可用的。

总之，经典控制理论是与生产过程的局部自动化相适应的，它具有明显的依靠手工进行分析和综合的特点，这个特点是与40～50年代生产发展的状况，以及电子计算机技术的发展水平尚处于初期阶段密切相关的。

20世纪50年代末、60年代初，由于导弹制导、数控技术、核能技术以及空间技术发展的需要和电子计算机技术的成熟，控制理论迅猛发展到了一个新阶段，产生

了现代控制理论。

年，苏联的庞特里亚金发表《最优过程的数学理

此期间，在现代控制理论的推动下，世界上出现了年，苏联相继发射成功洲际弹道火箭和第一颗人造

现代控制理论主要用来解决多输入多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。

现代控制理论的研究方法本质上是一种时域方法，即所谓状态空间法，它的分析和综合目标是要揭示系统的内在规律，实现系统在一定意义下的最佳化；它的构成不仅限于单纯的闭环，而且可扩展为适应环、学习环等。

总之，现代控制理论，是60年代人类探索空间的需要，也是电子计算机的飞速发展和普及的产物。

智能控制理论

智能控制理论的发展始于20世纪60年代末，美籍华人傅京孙、Mendel、Tsypkin、Leonds等人将人工智能的直觉推理规则、记忆、目标分解等方法用于学习控制系统并在空间飞行器控制中加以具体应用。

1968年，傅京孙和桑托斯提出用模糊神经元研究大系统的行为；同年，美国斯坦福研究所研制出智能机器人；

1969年，美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造概念；

1974年，哈林顿出版《计算机集成制造》一书，发展了计算机集成概念；

智能控制理论

20世纪70年代，科学家们进而把模式识别、模糊理论等用于控制；1977年，美国的费根鲍姆发表《人工智能的艺术：知识工程课题及其实例研究》，首倡知识工程；

20 世纪80年代，智能控制在理论和应用上的发展极为迅速：H无穷鲁棒控制、专家控制、分层多级智能控制等控制理论在工程上得到了应用。1986年，中国政府批准的863计划，其中即包含了计算机集成制造和智能机器人两个主题。