现代控制理论PPT课件

1、现代控制理论严海领绪绪 论论1.0 1.0 自动控制与控制理论自动控制与控制理论所谓控制，就是把有目的性的作用组织起来，使某被控对象按照一所谓控制，就是把有目的性的作用组织起来，使某被控对象按照一定规律变化，或者保持在某个范围内。而自动控制是在不需要人直定规律变化，或者保持在某个范围内。而自动控制是在不需要人直接参与的情况下实现控制。完成控制的是自动控制系统或装置。接参与的情况下实现控制。完成控制的是自动控制系统或装置。应当指出，控制理论来源于控制过程的实践。而又指导控制过程的应当指出，控制理论来源于控制过程的实践。而又指导控制过程的实践。现在，控制理论在工程控制、社会经济、生命科学等许多领实

2、践。现在，控制理论在工程控制、社会经济、生命科学等许多领域都有应用。域都有应用。控制理论是一门关于控制的科学。控制理论是一门关于控制的科学。控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律的学科。的学科。1.1 1.1 控制理论的发展历程简介控制理论的发展历程简介 17651765年，英国年，英国James WattJames Watt利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速机。机。 18681868年，物理学家麦克斯韦解释了这种不稳定现象，提出避免这年，物理学家麦克斯韦解释了这种不稳定现象，提出避

3、免这种现象的调速器的设计规则。种现象的调速器的设计规则。 18771877年，年，18951895年，英国年，英国RouthRouth和德国和德国HurwitzHurwitz先后提出判别系统稳先后提出判别系统稳定性的代数方法。定性的代数方法。 18921892年，俄国李雅普诺夫在年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题论运动稳定性的一般问题中建立中建立了动力学系统的一般稳定性理论。了动力学系统的一般稳定性理论。 19271927年，布莱克发明了负反馈放大器。年，布莱克发明了负反馈放大器。 2020世纪世纪3030年代，美国贝尔实验室建设一个长距离电话网，需要配年代，美国贝尔实验室建设一个长距

4、离电话网，需要配置高质量高增益放大器。在使用中，放大器在某些条件下，会不置高质量高增益放大器。在使用中，放大器在某些条件下，会不稳定而变成振荡器。稳定而变成振荡器。 19321932年，年，NyquistNyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。不仅可以判断稳定与否，还可以判断稳定裕量。不仅可以判断稳定与否，还可以判断稳定裕量。 19401940年，年，BodeBode引入对数坐标系，使频率法更适合工程应用。引入对数坐标系，使频率法更适合工程应用。 19421942年，哈里斯引入了传递函数的概念。年，哈里斯引入了传递函数的概念。 194519

5、45年，美国年，美国BodeBode在在网络分析和反馈放大器设计网络分析和反馈放大器设计中提出频率中提出频率响应分析法响应分析法BodeBode图，奠定了自动控制理论的基础。图，奠定了自动控制理论的基础。 19481948年，美国年，美国WienerWiener在在控制论关于在动物和机器中控制和通控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学信的科学中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。 标志控制学科的诞生标志控制学科的诞生 至此，对至此，对单输入单输入- -单输出线性定常单输出线性定常系统为主要研究对象，以系统为主要研究对象，以传递函数传递函数作为系统基本

6、描述，以作为系统基本描述，以频率法频率法和和根轨迹法根轨迹法为系统分析和为系统分析和设计方法的设计方法的自动控制理论自动控制理论建立起来了。建立起来了。（1 1）经典控制理论）经典控制理论 a.a.特点特点 研究对象：单输入、单输出线性定常系统。研究对象：单输入、单输出线性定常系统。 解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。 非线性系统：相平面法和描述函数法。非线性系统：相平面法和描述函数法。 数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z Z变换。变换。 b.b.局限性局限性 不能应用于时变系统、多变量系统。不能应用

7、于时变系统、多变量系统。 不能揭示系统更为深刻的内部特性。不能揭示系统更为深刻的内部特性。(2)(2)现代控制理论现代控制理论 随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。 a.a.特点特点 研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。连续或离散系统。 解决方法：状态空间法（时域方法）。解决方法：状态空间法（时域方法）。 数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。 b.b.主要标志主要标志 19561956年，

8、庞特里亚金极大值原理。年，庞特里亚金极大值原理。 19571957年，年，R.BellmanR.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。提出了寻求最优控制的动态规划方法。 19591959年，年，R.E.KalmanR.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、能采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观测性、观测性、KalmanKalman滤波理论滤波理论1.2 现代控制理论的主要内容现代控制理论的主要内容（1）线性系统理论）线性系统理论（2）最优滤波理论）最优滤波理论（3）系统辨识与参数估计）系统辨识与参数估计（4）最优控制）最优控制（5）自适应控制）自适应控制（6）非线性系统理论）非线性系统理论1.3 本课程的基本任务本课程的基本任务 掌握现代控制理论的基本理论和基本方法，以便进行系统分析掌握现代控制理论的基本理论和基本方法，以便进行系统分析和设计，同时为进一步学习现代控制理论打下扎实基础。和设计，同时为进一步学习现代控制理论打下扎实基础。 所谓系统分析就是在规定的条件下，对数学模型已知系统的性所谓系