现代控制理论基础

1、现代控制理论基础现代控制理论基础绪论 1.1.自动控制是一门不断发展的、综合性的自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学技术科学 2.2.自动控制研究的内容及各部分的关系自动控制研究的内容及各部分的关系 3.3.在实际工程应用和科学研究中发展自动在实际工程应用和科学研究中发展自动控制控制 1.1 1.1 从简单设备、单性能要求的控制到复杂的、从简单设备、单性能要求的控制到复杂的、多目标高性能控制。多目标高性能控制。 例如：从一台机器、一个温箱等简单的单目标例如：从一台机器、一个温箱等简单的单目标低性能控制到机器人控制、大型工业过程控制、电低性能控制到机器人控制、大型工业过程控制、电网控制、特

2、别是复杂航天器姿轨控制、载人飞船返网控制、特别是复杂航天器姿轨控制、载人飞船返回再入控制和登月控制。回再入控制和登月控制。 1.2 1.2 控制领域不断扩大控制领域不断扩大 从工业控制已进入到生物控制、医学、环境从工业控制已进入到生物控制、医学、环境控制、社会经济、人口控制等各个领域。控制、社会经济、人口控制等各个领域。 1.3 1.3 控制理论的发展阶段控制理论的发展阶段 控制理论一般分为经典控制理论和现代控制控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。理论两大部分。 经典控制理论：经典控制理论：2020世纪世纪5050年代之前发展起来年代之前发展起来的，前后经过了较长时间，成熟于的

3、，前后经过了较长时间，成熟于5050年代中期。年代中期。 经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。控制理论的出现，故改称为经典控制理论。 对于早期的控制系统，当时控制系统的目的多对于早期的控制系统，当时控制系统的目的多用于恒值控制，主要的设计原则是静态准确度用于恒值控制，主要的设计原则是静态准确度和防止不稳定，而瞬态响应的平滑度是次要的。和防止不稳定，而瞬态响应的平滑度是次要的。于是，由劳斯和赫尔维茨提出的代数稳定判据，于是，由劳斯和赫尔

4、维茨提出的代数稳定判据，在相当一个历史时期基本满足了需要。在相当一个历史时期基本满足了需要。 现代控制理论：现代控制理论：5050年代末年代末6060年代初开始形成年代初开始形成并迅速发展。并迅速发展。 军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需要自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，要自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，控制系统的准确跟踪及补偿能力是最重要的。控制系统的准确跟踪及补偿能力是最重要的。当时人们希望当时人们希望: : 经典控制理论的发展经典控制理论的发展能否满足复杂系统的需要呢？能否满足复杂系统的需要呢？直到第二次世界大战期间，

5、这种情况才有了改直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。例如：变。例如： 因此促进了经典理论的巨大发展。先后出现了因此促进了经典理论的巨大发展。先后出现了奈奎斯特、伯德的频率法和依万思的根轨迹法。奈奎斯特、伯德的频率法和依万思的根轨迹法。经典控制理论的局限性：经典控制理论的局限性： . .经典控制理论局限于线性定常系统，因其本质上经典控制理论局限于线性定常系统，因其本质上是一种频率信号，信号描述要靠各个频率分量，只是一种频率信号，信号描述要靠各个频率分量，只有用叠加原理才能进行分析，因此频率法只限于线有用叠加原理才能进行分析，因此频率法只限于线性定常系统。性定常系统。 . .经典理论的系统

6、设计问题通常是用尝试法进行的，经典理论的系统设计问题通常是用尝试法进行的，它往往依赖于设计人员的经验，而不能从推理上给它往往依赖于设计人员的经验，而不能从推理上给出令人满意的设计方案。出令人满意的设计方案。. .经典理论仅限于所谓经典理论仅限于所谓”标量标量”和单回路反馈系统。和单回路反馈系统。 科学技术的发展不仅对控制理论提出了挑战，科学技术的发展不仅对控制理论提出了挑战，也同时为理论的形成创造了条件。也同时为理论的形成创造了条件。2020世纪世纪6060年代迅年代迅速发展起来的现代控制理论，在数学分析方法上利速发展起来的现代控制理论，在数学分析方法上利用现代数学如线性代数、泛函分析等工具。

7、用现代数学如线性代数、泛函分析等工具。由此而引起的许多分析及设计步骤包含广泛由此而引起的许多分析及设计步骤包含广泛的、耗费时间的计算机运算的、耗费时间的计算机运算, ,大型通用数字计算大型通用数字计算机的发展为其铺平了道路，使理论的研究和应用机的发展为其铺平了道路，使理论的研究和应用成为可能。成为可能。可以说控制论理论和控制技术是和数字计算可以说控制论理论和控制技术是和数字计算机平行发展的。机平行发展的。 1.4 1.4 涉及到的学科涉及到的学科 物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。论、生命科学以及社会科学。 2.2.自动控

8、制研究的内容及各部分的关系自动控制研究的内容及各部分的关系自动控制的研究内容大体可分为三大类自动控制的研究内容大体可分为三大类2.1 2.1 理论研究理论研究1 1）基础理论：反馈理论、微积分方程。）基础理论：反馈理论、微积分方程。2 2）应用基础理论：能控能观、李亚普诺夫稳定性。）应用基础理论：能控能观、李亚普诺夫稳定性。各个领域的控制理论以及各种控制用数学工具，如各个领域的控制理论以及各种控制用数学工具，如拉氏变换、黎卡迪方程。拉氏变换、黎卡迪方程。2.2 2.2 技术实现技术实现1 1）各种控制方法的研究）各种控制方法的研究如：如：PIDPID控制、二次型最优控制、自适应控制以及控制、二

9、次型最优控制、自适应控制以及目前出现的各种智能控制方法（模糊控制、专家系目前出现的各种智能控制方法（模糊控制、专家系统、神经网络等）。统、神经网络等）。2 2）系统实现研究）系统实现研究 系统方案设计包括：建模、性能指标、控制律设系统方案设计包括：建模、性能指标、控制律设计计 。 系统组成包括：系统软硬件配置设计、各种配套系统组成包括：系统软硬件配置设计、各种配套的敏感器和执行器的研制与选择。的敏感器和执行器的研制与选择。3 3）各种运行故障处理的研究。）各种运行故障处理的研究。2.3 2.3 工程应用工程应用 针对各种具体的控制系统进行设计、加工、针对各种具体的控制系统进行设计、加工、软件编

10、制、调试、测试等，最终实现控制目标以软件编制、调试、测试等，最终实现控制目标以及运行过程中的维护、维修。及运行过程中的维护、维修。2.42.4 自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防建设中起作用，需要上述各部分有机的、统一的工建设中起作用，需要上述各部分有机的、统一的工作。作。 各部分的发展有互相推动的作用，从自动控制发各部分的发展有互相推动的作用，从自动控制发展的历史中可以看出，应用推动技术，技术推动理展的历史中可以看出，应用推动技术，技术推动理论，理论又反过来促使技术的发展和指导实际应用。论，理论又反过来促使技术的发展和指导实际应用。3. 3.

11、 在实际工程应用和科学研究中发展自动控制在实际工程应用和科学研究中发展自动控制3.1 3.1 自动控制发展的两条途径自动控制发展的两条途径 1 1） 应用应用技术技术理论理论应用应用 2 2）理论）理论技术技术应用应用 控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生于生产实践和科学试验。于生产实践和科学试验。 控制理论形成：把自动控制中的普遍规律抽象控制理论形成：把自动控制中的普遍规律抽象出来；其它科学的发展如数学、力学、物理学等。出来；其它科学的发展如数学、力学、物理学等。3.2 3.2 从控制理论形成的历史看自动控制的发展从控制理论形成的历史看自动控制的发

12、展几千年来，我国人民在自动控制技术方面有过几千年来，我国人民在自动控制技术方面有过卓越的贡献。早在两千年前，我国就发明了开环自卓越的贡献。早在两千年前，我国就发明了开环自动调节系统动调节系统指南针，北宋（公元指南针，北宋（公元1086-10891086-1089年）年）我国又发明了闭环自动调节系统我国又发明了闭环自动调节系统水运仪象台。水运仪象台。大约经过七百年以后，在英国和俄国等国家，开始大约经过七百年以后，在英国和俄国等国家，开始将自动控制技术应用到近代工业中。此后随着近代将自动控制技术应用到近代工业中。此后随着近代工业技术的发展，自动控制技术也获得了突飞猛进工业技术的发展，自动控制技术也

13、获得了突飞猛进的发展。的发展。17881788年瓦特发明蒸汽机的离心调速器。年瓦特发明蒸汽机的离心调速器。18681868年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制理论最早的论文控制理论最早的论文“论调节器论调节器”。18921892年俄国年俄国LyapunovLyapunov的博士论文的博士论文“论运动稳定性的论运动稳定性的一般问题一般问题”，提出了，提出了LyapunovLyapunov的稳定理论，的稳定理论，2020世纪世纪1010年代提出了年代提出了PIDPID控制律。控制律。2020世纪世纪4040年代是系统与控制思想空前活跃的年代：年代是系

14、统与控制思想空前活跃的年代： 19451945年贝塔朗菲的年贝塔朗菲的关于一般系统论关于一般系统论，19481948年年维纳的维纳的控制论控制论。 19541954年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同样著名的样著名的工程控制论工程控制论一书，主要面向工程应用。一书，主要面向工程应用。 2020世纪世纪50-6050-60年代，人类开始征服太空，年代，人类开始征服太空，19571957年苏年苏联发射第一颗人造地球卫星，联发射第一颗人造地球卫星，19691969年美国阿波罗载人年美国阿波罗载人飞船成功登上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动飞船成功登上月球。在

15、这些举世瞩目的成功中，自动控制起着不可磨灭的作用。产生了控制起着不可磨灭的作用。产生了“现代控制理论现代控制理论”（动态规划、极大值原理、状态空间法、最优控制理（动态规划、极大值原理、状态空间法、最优控制理论）。论）。3.3 3.3 需求与推动需求与推动3.3.1 3.3.1 重大工程的需求：重大工程的需求：卫星、载人航天、深空探测卫星、载人航天、深空探测3.3.2 3.3.2 科学发展的需求：科学发展的需求： 生命科学、机器人生命科学、机器人3.3.3 3.3.3 前沿课题的推动：前沿课题的推动： 控制理论发展中的一些问题。例如：非线性控制理论发展中的一些问题。例如：非线性时变不确定系统、智能控制