现代控制理论绪论

1、教材教材现代控制理论n 作者作者: : 于长官于长官n 主讲主讲: : 周继惠周继惠n 电话电话: :1597066509615970665096n E-mail:zhoujh_ E-mail:zhoujh_Modern Control Theory课程总学时课程总学时: 481-16周，平均每周周，平均每周3学时，实验学时，实验8学时学时(上上机机,MATLAB仿真仿真)成绩评定: 考试：50%(闭卷闭卷) 平时成绩 50%考勤 10%作业 10%实验 10%课练课练 20%参考书目参考书目1.Richard C.Dorf等著,现代控制工程现代控制工程第九版,科学出版社.2.郑大钟编著,线性

2、系统理论线性系统理论,清华大学出版社. 3.刘豹主编，现代控制理论，机械工业大学出版社。4.陈在平主编,控制系统计算机仿真与控制系统计算机仿真与CAD_MATLAB语言应用语言应用,天津大学出版社.5.MATLAB实用教程实用教程。6.线性代数线性代数和和矩阵分析矩阵分析。一一、控制论产生的背景控制论产生的背景 社会背景：社会背景： 社会生产和管理对于高度自动化的需要。 直接原因直接原因 二战期间，维纳参加了火炮控制和电子计算机的研制工作。 1943年维纳、毕格罗和罗森勃吕特三人共同发表了行为、目的和目的论行为、目的和目的论， 1948年美国数学家维纳维纳发表了著名的控制论控制论关于在动物和机

3、器中控制和通讯的科学，控制论诞生。Cybernetics 社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。 恩格斯绪 论二、控制论的基本概念二、控制论的基本概念1、什么是控制？自动控制？控制论？、什么是控制？自动控制？控制论？ 对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。对对象施加某种操作，使其产生所期望的行为。 该操作由控制装置自动完成，无须人的参与，即自动控制。该操作由控制装置自动完成，无须人的参与，即自动控制。 关于控制原理和控制方法的学科，就是控制论。关于控制原理和控制方法的学科，就是控制论。2、控制的三要素？对控制系统的基本要求？、控制的三要素？对控制系统的基本要求

4、？ 被控对象、控制目标、控制装置被控对象、控制目标、控制装置3、什么是、什么是反馈？正反馈？负反馈？反馈？正反馈？负反馈？一个系统的输出部分或全部反作用于该控制系统的输入一个系统的输出部分或全部反作用于该控制系统的输入航行问题反馈反馈: 检测偏差检测偏差 , 并纠正偏差并纠正偏差无负反馈时的航线有负反馈时的航线检测偏差检测偏差,并纠正偏差并纠正偏差 1、按偏差进行补偿的系统、按偏差进行补偿的系统 特点特点：系统中至少有一个将输出量加以回输的闭合环路，是具有反馈的闭环系统。 2、按扰动进行调节的系统、按扰动进行调节的系统 特点特点：输入量按负荷的变化而成比例的改变以趋近目标值，是开环系统，抗干扰

5、能力差。控制思想控制思想 社会控制论社会控制论 u 控制论用于社会的生产管理、交通运输、资源开发、控制论用于社会的生产管理、交通运输、资源开发、环境保护等环境保护等u 人口控制人口控制n 经济控制论经济控制论最佳消费投资比例、最佳广告费用、有价证券选择、金融市最佳消费投资比例、最佳广告费用、有价证券选择、金融市场最优控制、基本建设投资优化问题等等。场最优控制、基本建设投资优化问题等等。n 生物控制论生物控制论 u 体液调节，神经控制体液调节，神经控制三、控制论的主要分支三、控制论的主要分支 n工程控制论工程控制论 控制论在工程技术方面（机械的、电气的和电子的自动控制论在工程技术方面（机械的、电

6、气的和电子的自动控制系统）上的运用。又称自动控制理论，或简称控制控制系统）上的运用。又称自动控制理论，或简称控制理论（理论（control theory）u 我国著名科学家钱学森我国著名科学家钱学森1954年在美国出版了年在美国出版了工程工程控制论控制论一书。一书。四个阶段：四个阶段： 四十至五十年代：经典控制理论四十至五十年代：经典控制理论 六十至七十年代：现代控制理论六十至七十年代：现代控制理论 七十年代以后：大系统控制理论和智能控制论七十年代以后：大系统控制理论和智能控制论n第一阶段：经典控制理论经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟；n第二阶段：现代控制理论现代控制理论的兴起

7、和发展；n第三阶段：大系统控制理论大系统控制理论；n第四阶段：智能控制理论智能控制理论。工程控制论发展的四个主要阶段：工程控制论发展的四个主要阶段：经典控制理论经典控制理论n控制理论的发展初期，是以反馈理论反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制. 主要理论有:n1895年，数学家劳斯（Routh）提出了高阶系统的稳定性判据，即Routh判据。n1938-1945年,奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 .n1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。n至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率频率法法和根轨迹法根轨迹法为主要方法的经典控制理论。经典控制理

8、论的基本特征经典控制理论的基本特征（1）主要用于线性定常系统线性定常系统(LTI)(LTI)的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合；（2）只用于单输入，单输出单输入，单输出(SISO)(SISO)的反馈控制系统；（3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述外部描述方法。（4）数学模型是传递函数传递函数:数学工具是:拉氏变换拉氏变换.现代控制理论现代控制理论 由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制

9、理论的基础上，以线性代数理论线性代数理论和和状态空间分析法状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。其重要标志之一就就是是卡尔曼卡尔曼(Kalman)(Kalman)系统地把系统地把状态空间法状态空间法引入到控制理论中引入到控制理论中来，并提出来，并提出能控性能控性和和能观测性能观测性这两个重要的概念。这两个重要的概念。 主要内容包括主要内容包括: :（1）线性系统理论线性系统理论：主要研究系统中状态的控制和观测问题，基本分析方法是状态空间法。（2）系统辨识系统辨识：根据实验得到的系统输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型。包括结构辨识和参数辨识。（3）最优控制理论：最优控制理论：

10、主要研究被控系统在给定性能指标的情况下实现最优时的控制规律和综合方法。（4）最优估计理论最优估计理论：研究对受到随机噪声污染的状态测量信号的处理，做出真实状态的最好估计的理论。现代控制理论的主要特点现代控制理论的主要特点n研究对象研究对象: 线性与非线性系统、定常与时变、单变量与多变量系统、连续与离散系统n数学工具数学工具：线性代数、矩阵和向量空间理论n数学模型数学模型：状态方程和输出方程n方法方法：状态空间分析法/时域矩阵分析法。n基本内容基本内容：线性系统理论、系统辩识、最优控制理论、最优估计理论等，n控制装置控制装置：数字计算机大系统理论大系统理论 20世纪70年代开始，现代控制理论继续

11、向深度和广度深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。 （1 1）现代频域方法）现代频域方法 以传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2 2）自适应控制理论和方法）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律； （3 3）鲁棒控制方法）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。大系统理论的特点大系统理论的特点n 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大

12、型系统以及社会科学领域。n 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多多输入、多输出、多干扰、多变量输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。 智能控制理论智能控制理论 -控制论发展的最高阶段控制论发展的最高阶段n是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题前需要人的智能才能解

13、决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。n智能控制就是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，如对智能机器人的控制就是典型的例子.n智能控制是从“仿人仿人”的概念出发的。其方法包括学习控制、模糊其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。 第一章：线性控制系统的状态空间描述第一章：线性控制系统的状态空间描述（1）系统状态、状态空间和状态空间描述等基本概念；（2）建立系统状态空间描述的方法；（3）状态空间描述的非奇

14、异变换（规范型）第二章：线性控制系统的运动与离散化第二章：线性控制系统的运动与离散化（1）线性系统状态空间描述的求解及一些相关概念；（2）系统状态转移矩阵的概念、性质及计算方法（重点）；（3）线性系统运动的一般表达式及意义；（4）用MATLAB求取系统响应的方法和相关函数。四. 本课程的主要内容本课程的主要内容第三章：线性控制系统的能控性与能观测性第三章：线性控制系统的能控性与能观测性（1）系统的能控性、能观测性的基本概念及判别方法 ，（2）MATLAB在能控性、能观测性判别中的应用。第四章：线性控制系统的李亚普诺夫稳定性第四章：线性控制系统的李亚普诺夫稳定性（1）分析系统稳定性的李亚普诺夫方法及相关概念；（2）重点是李亚普诺夫稳定性的概念及判别定理的应用；（3）MATLAB在系统稳定性分析中的应用。第五章：状态反馈与状态观测器设计第五章：状态反馈与状态观测器设计（1）线性定常系统的综合技术。（2）重点是状态反馈、状态观测器的概念及极点配置的条件及方法（3）MATLAB在线性系统综合中的应用。经典控制理论主要知识点回顾：经典控制理论主要知识点回顾：1、传递函数的定