现代控制理论-研究生现代控制理论_第0章绪论

1、绪论绪论主讲：高宏岩主讲：高宏岩 绪论绪论 第第1章章 控制系统的状态空间表达式控制系统的状态空间表达式 第第2 2章章 控制系统状态空间表达式的解控制系统状态空间表达式的解 第第3 3章章 线性控制系统的能控性和能观性线性控制系统的能控性和能观性 第第4 4章章 稳定性与李雅普诺夫方法稳定性与李雅普诺夫方法 第第5 5章章 线性定常系统的综合线性定常系统的综合 第第6 6章章 最优控制最优控制 教材：教材： 现代控制理论现代控制理论(第第3版版)/刘豹刘豹,唐万生主编唐万生主编. 机械工业出版社机械工业出版社 参考书：参考书： 1 自动控制原理（第自动控制原理（第5版）版）/胡寿松胡寿松.

2、科学出版社科学出版社. 2 现代控制理论现代控制理论(第第4版版)/Ogata K. 著著,卢伯英卢伯英,于海勋于海勋 等译等译,电子工业出版社电子工业出版社,2003 3 线性系统理论线性系统理论(第第2版版)/郑大钟编郑大钟编. 清华大学出版社清华大学出版社,2002课程教材与参考书目课程教材与参考书目 本章结构本章结构 绪论绪论 0.1 经典控制理论的特色与局限经典控制理论的特色与局限0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展0.3 现代控制理论的研究内容现代控制理论的研究内容0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用绪论绪论0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的

3、特点和局限1 经典控制的特点经典控制的特点经典控制理论特点经典控制理论特点 研究对象研究对象单输入单输出系统单输入单输出系统(SISO)(SISO)，高阶微分方程，高阶微分方程 研究方法研究方法传递函数法传递函数法( (外部描述外部描述) ) 研究工具研究工具拉普拉斯变换拉普拉斯变换 分析方法分析方法频域频域( (复域复域),),时域响应和根轨迹法时域响应和根轨迹法 设计方法设计方法PIDPID控制和校正网络控制和校正网络 其他其他 频率法的物理意义直观频率法的物理意义直观 0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限2 经典控制的局限性经典控制的局限性（1）只适用于单输入单输出系

4、统）只适用于单输入单输出系统(SISO),难以有效地应用于时难以有效地应用于时变系统、多变量系统和复杂的非线性系统变系统、多变量系统和复杂的非线性系统（2）只能反映输入输出间的外部特性，难以揭示系统内部）只能反映输入输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构和运行状态的结构和运行状态;（3）只能根据超调量、调节时间、幅值裕度、相角裕度等性）只能根据超调量、调节时间、幅值裕度、相角裕度等性能指标来设计校正装置，难以实现最优控制。能指标来设计校正装置，难以实现最优控制。0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物（1）1868年麦克斯韦尔（年麦

5、克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳的稳 定性代数判据。定性代数判据。麦克斯韦尔（麦克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）第一个对反馈控制第一个对反馈控制系统的稳定性进行系统的稳定性进行系统分析并发表论系统分析并发表论文的人文的人0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（2 2）18771877年和年和18951895年劳斯（年劳斯（RouthRouth）与赫尔维茨（）与赫尔维茨（HurwitzHurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶

6、微分方程描述的更复杂的系把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中统中, ,各自提出了两个著名的稳定性判据各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据和赫尔劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）劳斯（Routh）3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（3 3）由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补）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，偿能力，19321932年奈奎斯特（年奈奎斯特（H.Nyqui

7、stH.Nyquist）提出了频域内研究）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确系统的频率响应法，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。度的军用控制系统提供了所需的分析工具。 奈奎斯特耶鲁大学(Yale) Bell Labs3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（4 4）19481948年伊万斯（年伊万斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了复数域内研究系）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法

8、和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）自动控制理论）HendrikHendrik W. Bode W. Bode （5 5）BodeBode。目前。目前IEEEIEEE中，控制的最高奖为中，控制的最高奖为BodeBode奖奖Evans美国电气工程师，所从事的是飞机导航和控制哥伦比亚大学Bell Labs3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（6 6）美国著名的控制论创始人维纳）美国著名的控制论创始人维纳(N Wiener(N Wiener，1894

9、-1964)1894-1964)系统地总结了前人的成果，于系统地总结了前人的成果，于19481948年发表了年发表了控制论控制论或或关于在动物和机器中控制和通讯的科学关于在动物和机器中控制和通讯的科学著作，书中论述著作，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的产生奠定了基础，被称为控制论之父。这门学科的产生奠定了基础，被称为控制论之父。3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（7 7）我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，）我国著名科学家钱学森将控制

10、理论应用于工程实践，于于19541954年出版了年出版了工程控制论工程控制论。3 经典控制的标志性人物经典控制的标志性人物0.1 经典控制理论的特点和局限经典控制理论的特点和局限（8 8）19421942年年NicholsNichols和和J.G.ZieglerJ.G.Ziegler研究并得出了研究并得出了PIDPID参数参数整定技术，成为自动控制领域的里程碑。该技术大大地推整定技术，成为自动控制领域的里程碑。该技术大大地推动了智能控制技术的发展，目前已经广泛地应用于工业控动了智能控制技术的发展，目前已经广泛地应用于工业控制、航天科技、国防建设等领域。制、航天科技、国防建设等领域。3 经典控制

11、的标志性人物经典控制的标志性人物NicholsNichols0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展1 现代控制理论的发展现代控制理论的发展20世纪世纪50年代中期，科学技术及生产力的发展，年代中期，科学技术及生产力的发展，特别是空间技术的发展，迫切要求解决更复杂特别是空间技术的发展，迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题的多变量系统、非线性系统的最优控制问题(例例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制，到达目标的控制时间最高精度、低消耗控制，到达目标的控制时间最小等小等)。实践的需求推动了控制理论的

12、进步。实践的需求推动了控制理论的进步,同时，同时，计算机技术和其他相关材料、设备的发展也为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、设计和实现技术创产生新的控制系统的理论、设计和实现技术创造了条件。造了条件。0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展1 现代控制理论的发展现代控制理论的发展（1）五十年代后期，贝尔曼（）五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了）等人提出了状态分析法；在状态分析法；在1957年提出了动态规划。年提出了动态规划。（2）1959年卡尔曼（年卡尔曼（Kalman）创建了卡尔曼滤波理）创建了卡尔曼滤波理论；论；1960年在控制系

13、统的研究中成功地应用了状态空年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。（3） 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。值原理。庞特里亚金庞特里亚金卡尔曼卡尔曼0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展1 现代控制理论的发展现代控制理论的发展到到1960年代初，一套以状态方程作为描述系统年代初，一套以状态方程作为描述系统的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的数学模型，以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确的控制系统分析、设

14、计的新原理和方法基本确定，现代控制理论应运而生。定，现代控制理论应运而生。0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展1 现代控制理论的发展现代控制理论的发展（4） 罗森布洛克（罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了）研究了s适用于计算机辅助控制系统设计的适用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论现代频域法理论，将，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为讨了传递函数矩阵

15、与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础（5） 20世纪世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。了贡献。 与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。0.2 现代控制理论的起源和发展现代控制理论的起源和发展2 现代控制理论的特点现代控制理论的特点经典控制理

16、论经典控制理论 现代控制理论现代控制理论 研究对象研究对象单输入单输出系统单输入单输出系统(SISO)(SISO)高阶微分方程高阶微分方程 多输入多输出系统多输入多输出系统(MIMO) :(MIMO) :一阶微分方程组一阶微分方程组 研究方法研究方法传递函数法传递函数法( (外部描述外部描述) ) 状态空间法状态空间法( (内部描述内部描述) ) 研究工具研究工具拉普拉斯变换拉普拉斯变换 线性代数矩阵线性代数矩阵 分析方法分析方法频域频域( (复域复域),),频率响应和根轨迹频率响应和根轨迹法法 可控和可观测可控和可观测 设计方法设计方法PIDPID控制和校正网络控制和校正网络 状态反馈和输出

17、反馈状态反馈和输出反馈 研究目标研究目标系统分析及给定输入、输出情况系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计一定意义下的最优控制与设计0.3 现代控制理论的研究内容现代控制理论的研究内容1 现代控制理论的研究内容现代控制理论的研究内容线性系统理论（课程教授内容）线性系统理论（课程教授内容）最优控制理论（课程教授内容）最优控制理论（课程教授内容）最优估计理论最优估计理论系统辨识理论系统辨识理论自适应控制理论自适应控制理论智能控制理论智能控制理论随机控制随机控制鲁棒控制鲁棒控制非线性控制非线性控制0.4 现代

18、控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用倒立摆稳定控制单级倒立摆稳定控制单级倒立摆稳定控制二级倒立摆稳定控制二级倒立摆稳定控制0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用机器人控制空间机器人控制空间机器人控制足球机器人控制足球机器人控制0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用流程工业0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用制造业0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用冶金高炉炼铁过程排放最为严

19、重0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用建立这建立这6个环节的基于数据驱动的模型，来减小能耗，个环节的基于数据驱动的模型，来减小能耗，降低有害气体的排放。降低有害气体的排放。0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用网络控制0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用网络中心战中无人机担当重要任务：网络中心战中无人机担当重要任务：u 侦察侦察u 电子干扰电子干扰u 欺骗（诱饵）欺骗（诱

20、饵）u 战场评估战场评估u 通信中继通信中继u 对地支援对地支援u 对地攻击对地攻击0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用研究分布式控制方法实现无人机协同编队飞行研究分布式控制方法实现无人机协同编队飞行并在实验室内搭建多无人机协调编队仿真网络并在实验室内搭建多无人机协调编队仿真网络0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用导弹稳定控制空空导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制地空导弹稳定控制0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用1 现代控制理论的应用现代控制理论的应用航天器控制月球车控制月球车控

21、制卫星控制卫星控制飞行器世界上最快的飞机世界上最快的飞机飞机的设计最高时速将达到音速的10倍（即10马赫）。但在首次试飞中，由于助推器失灵，X43A升空几分钟后即坠毁。不过美国有关方面并不打算就此放弃，表示会继续这一新型无人机的试验。X43A 因而有望成为第一个以极超音速的速度飞行的作战飞机0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用2 现代控制理论的发展趋势现代控制理论的发展趋势控制理论的迅速发展控制理论的迅速发展,不断受到高科技需求的有力推动不断受到高科技需求的有力推动. 航天、航空、航海、工业过程、社会经济等领域向控制航天、航空、航海、工业过程

22、、社会经济等领域向控制理论提出了许多挑战性问题理论提出了许多挑战性问题,例如例如Apollo 登月舱沿着最优登月舱沿着最优轨线飞行的导航轨线飞行的导航;在月球上的软着陆在月球上的软着陆;机动性能高、开环机动性能高、开环不稳定新式战斗机的设计不稳定新式战斗机的设计;对抛物面天线、雷达阵、太阳对抛物面天线、雷达阵、太阳能接收器、空间望远镜等大型空间结构的高精度瞄准及能接收器、空间望远镜等大型空间结构的高精度瞄准及镇定镇定;对机器人的稳健控制及多臂协作控制对机器人的稳健控制及多臂协作控制;对电力系统对电力系统这一类包括随机不确定因素的系统的控制这一类包括随机不确定因素的系统的控制;对轧钢的温度对轧钢

23、的温度控制等生产过程的控制控制等生产过程的控制,都对控制理论提出了新课题都对控制理论提出了新课题,并且并且在这些系统中在这些系统中,控制理论也确实起了关键作用控制理论也确实起了关键作用.0.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用2 现代控制理论的发展趋势现代控制理论的发展趋势控制理论与其他领域广泛交叉控制理论与其他领域广泛交叉(渗透渗透) 的特色将继续保持的特色将继续保持. 控制理论的应用范围已从单纯技术领域控制理论的应用范围已从单纯技术领域,渗透到社会、经渗透到社会、经济、人口、环境和生命科学等领域的控制问题中济、人口、环境和生命科学等领域的控制问题中,并将继并将继续大大拓广续大大拓广. 例如例如, 能源环境问题、能源环境问题、 节能减排节能减排, 调控自然环调控自然环境境,协调人类与自然关系等都存在对控制理