控制理论概要

智能控制理论智能控制理论控制论学科属于数学学科下属控制论学科属于数学学科下属的五个二级学科之一的五个二级学科之一n数学一级学科n 二级学科：n基础数学；计算数学；概率统计；应用数学n运筹学与控制论：应用背景最强的学科，是控运筹学与控制论：应用背景最强的学科，是控制工程的理论。工业自动化，机器人系统中有制工程的理论。工业自动化，机器人系统中有重要的应用。重要的应用。第一讲控制理论概况介绍提纲提纲Outlinen控制问题实例控制问题实例n控制的概念及其分类控制的概念及其分类n控制科学发展简史与挑战控制科学发展简史与挑战n控制理论研究热点问题控制理论研究热点问题n控制论国际国内著名杂志和会议控制论国际国内著名杂志和会议n课程要求与考试课程要求与考试提纲提纲Outlinen控制问题实例控制问题实例n控制的概念及其分类控制的概念及其分类n控制科学发展简史与挑战控制科学发展简史与挑战n控制理论研究热点问题控制理论研究热点问题n控制论国际国内著名杂志和会议控制论国际国内著名杂志和会议n课程要求与考试课程要求与考试1控制基本问题控制基本问题实例实例1 (a)手动控制漫画手动控制漫画(b)自动控制自动控制图图1水温的手动控制和自动控制的示意图水温的手动控制和自动控制的示意图图图1中中水水温温的的操操作作员员要要用用手手（通通过过感感觉觉）来来测测试试水水的的温温度度，并并将将此此温温度度与与他他要要求求的的值值（给给定定值值）相相比比较较（通通过过大大脑脑）。同同时时他他要要决决定定（通通过过大大脑脑）：他他的的手手应应该该朝朝哪哪个个方方向向旋旋转转加加温温用用的的蒸蒸汽汽阀阀门门和和旋旋转转多多大大的的角角度度。采采用用自自动动控控制制时时上上述述功功能能都都有有各各种种的的元元件件和和仪仪表表来来代代替替。例例如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。如，温度测量元件、控制记录仪表和调节阀等。调节问题（调节问题（Regulation）实例实例2-2-防空导弹制导系统防空导弹制导系统1-1-目标跟踪雷达目标跟踪雷达2-导弹导引雷达导弹导引雷达3-3-计算机雷达计算机雷达4-导弹发射架导弹发射架各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟制的，特别用双雷达控制的防空导弹可以自动跟踪高空的飞行目标进行命中爆炸（图踪高空的飞行目标进行命中爆炸（图2）。）。跟踪问题跟踪问题(Tracking)现代社会和现代生活现代社会和现代生活离不开对一些物理量的离不开对一些物理量的控制控制，包，包括实现对这种控制的括实现对这种控制的自动化自动化。例如公共电网上的电压是。例如公共电网上的电压是50周、周、220伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、伏的交流电。为此，在发电厂就要设法控制电压、频率这两物理量为频率这两物理量为恒值恒值，这要采用自动调压和自动调频装，这要采用自动调压和自动调频装置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度置。在工业生产中，如在化肥厂控制反应釜（塔）内温度和压力为和压力为恒值恒值，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属，使化学反应速度加快。在机械加工厂金属切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为切削机床上，经常是控制工件或刀具的转速为恒值恒值，使产，使产品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位品的质量、产量能提高。而各种现代火炮的俯仰角和方位角都是自动控制的。角都是自动控制的。现代生活中，空调器保持室内温度为现代生活中，空调器保持室内温度为恒值恒值、卫生洁具、卫生洁具水箱的水位也保持为水箱的水位也保持为恒值恒值。其它如冰箱、洗衣机无不进行。其它如冰箱、洗衣机无不进行一些物理量的控制为一些物理量的控制为恒值恒值，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱，而洗衣机更把洗衣、漂洗和脱水等操作水等操作自动按程序自动按程序进行。进行。控制系统遍布现代社会和现代生活控制系统遍布现代社会和现代生活!人类离不开自动控制装置和设备人类离不开自动控制装置和设备.提纲提纲Outlinen控制问题实例控制问题实例n控制的概念及其分类控制的概念及其分类n控制科学发展简史与挑战控制科学发展简史与挑战n控制理论研究热点问题控制理论研究热点问题n控制论国际国内著名杂志和会议控制论国际国内著名杂志和会议n课程要求与考试课程要求与考试控制的工程概念 控制概念的关键是反馈，它的工程概念是指用一个机器或过程偏离所期望的运行状态的偏差来推动一个装置，使机器或过程回到期望的状态。n该概念适合于自动调节系统，自动跟踪系统等工程系统。n1948年Wiener(维纳)将通讯和控制系统的控制机理和生物机体中某些控制机制加以类比，形成控制论控制概念的一般定义 对于某个确定对象或过程，根据给定的目标或任务所采取的行为或决策。n该概念可以应用于更一般的系统,如经济系统、社会系统、生物系统和方法论中。控制基本问题的分类n调节问题（Regulation）n跟踪问题(Tracking)提纲提纲Outlinen控制问题实例控制问题实例n控制的概念及其分类控制的概念及其分类n控制科学发展简史与展望控制科学发展简史与展望n控制理论研究热点问题控制理论研究热点问题n控制论国际国内著名杂志和会议控制论国际国内著名杂志和会议n课程要求与考试课程要求与考试控制科学发展历史及其展望控制科学发展历史及其展望1经典控制理论阶段经典控制理论阶段n远在十七世纪人类就利用对反馈和控制的认识，创造了许多装置，如古老的钟表机构，水轮及风力磨房的速度调节。1765年瓦特（James Wate）发明了蒸汽机，利用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，对第一次工业革命产生了重大作用。公元公元1788年年J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统（图3）n1868年Maxwell 发表的“关于调节器”一文指出，控制系统的品质可用微分方程来描述，系统的稳定性可用特征方程根的位置和形式来确定。n1875年Routh利用多项式根的组方法建立了判断实多项式右半平面根个数的算表从而给出了判别稳定性的Routh判据。1895年赫尔维茨(Hurwitz),采用多项式系数排成的矩阵的主子式的符号来判断右半平面根的个数和稳定性。先后找到了系统稳定的代数判据，即系统特征根具有负实部是系统稳定的充要条件。n1892年俄国学者Lyapunov 发表了“论运动稳定性的一般问题”的博士论文提出了用适当的能量函数Lyapunov函数和正定性及其导数的负定性来鉴别系统的稳定性准则，从而总结和发展了系统的经典时域分析法。n1927年Black 发明了负反馈放大器 n1932年美国贝尔实验室工程师Nyquist发表了反馈放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定的Nyquist判据。后来苏联学者米哈依洛夫又把Nyquist判据推广到条件稳定的开环不稳定系统的一般情况，由Nyquist判据而提出的频率响应理论为控制工程师提供了设计一个具有高度质量动态品质及静态准确度的控制系统所需要的分析工具。在二战中频率域法被推广到离散系统、随机系统及非线性系统中。n1948年Evans提出了“根轨迹法”的重要结果，提供了从系统微分方程式模型研究问题的一个简单而有效的方法。n1948年美国著名的控制论创始人Wiener系统总结了前人结果，发表了控制论或关于在动物和机器中控制和通讯的一般方法，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。直到此为止，完成了控制理论第一阶段，称为古典控制理论。n古典控制理论主要是解决单输入单输出问题（SISO）；主要采用传递函数、频域特性、根轨迹为基础的频域分析法。研究系统多半为线性定常系统 2.现代控制理论阶段现代控制理论阶段n1960年Kalman提出的状态空间法及能控性及能观性概念，建立在状态空间法基础上的线性系统的分析和综合方法通常称为现代线性控制理论 n自60年代中期以来，现代控制理论又有新的的理论和方法，主要有线性系统的几何概念、代数理论和多变量频率域方法。还有Bellman的动态规则和Pontryagin的极大值原理和Kalman滤波器理论等。20世纪世纪60-70年代，英国学者年代，英国学者H.罗森布罗克、罗森布罗克、D.梅恩和梅恩和A.G.麦克法兰等将频率法推广麦克法兰等将频率法推广到分析和设计多变量系统，称为到分析和设计多变量系统，称为现代频现代频率法率法。n70年代初瑞典的Astrom 和德国的Landau分别提出了自校正理论和模型参考自适应控制理论。两者形成了自适应控制理论的基本内容 n70年代末期Mesarovic根据分解-协调原理提出了大系统理论，其中的递阶结构和分散结构理论，为解决复杂系统问题提供了很好的方法论。大系统是指由许许多多子系统通过广泛互连接而形成的复杂系统，大系统理论中提出的关联预测法和关联平衡法成为处理关联关系的有效方法。n现代控制理论包括：线性控制系统理论、最优控制、系统辨识、随机控制理论、自适应控制以及大系统控制理论、鲁棒控制、非线性控制理论等 现代控制理论的特点n现代控制理论是解决多输入多输出问题（MIMO）；主要采用状态空间法分析法。研究系统为非线性（大）系统。n现代控制理论是模型论，而不是控制论3.智能控制理论阶段智能控制理论阶段控控制制理理论论是是研研究究各各种种系系统统的的一一般般性性共共同同控控制制规规律律的的科科学学，它它的的应应用用已已遍遍及及当当今今技技术术社社会会的的方方方方面面面面，成成为为人人们们认认识识和改造世界进程中不可或缺的基本手段。和改造世界进程中不可或缺的基本手段。随着计算机和其它高技术的急剧发展以及世界范围内随着计算机和其它高技术的急剧发展以及世界范围内日益加剧的经济竞争，人类一方面面临处理越来越复杂的日益加剧的经济竞争，人类一方面面临处理越来越复杂的大量动态系统，另一方面保持技术和经济竞争的优势不断地大量动态系统，另一方面保持技术和经济竞争的优势不断地刺激着追求系统控制的精确性、有效性和可靠性。航天技术、刺激着追求系统控制的精确性、有效性和可靠性。航天技术、生命科学、工业过程，以至社会经济和生态环境等领域出现了生命科学、工业过程，以至社会经济和生态环境等领域出现了大量的复杂系统控制问题，对控制理论提出了大量的复杂系统控制问题，对控制理论提出了前所未有的挑战。研究智能化程度越来越高的控制方法前所未有的挑战。研究智能化程度越来越高的控制方法以处理日益复杂的实际动力系统是控制理论的发展趋势。以处理日益复杂的实际动力系统是控制理论的发展趋势。智能控制的诞生智能控制的诞生 3C问题问题:对象复杂对象复杂,任务复杂和环境复杂问题现代控制理任务复杂和环境复杂问题现代控制理论无法解决论无法解决.复杂系统的主要特征表现在如下几方面：动力学模型的不确复杂系统的主要特征表现在如下几方面：动力学模型的不确定性；测量信息的粗糙性和不完整性；动态行为或扰动的随定性；测量信息的粗糙性和不完整性；动态行为或扰动的随机性；离散层次和连续层次的混杂性；系统动力学的高度非机性；离散层次和连续层次的混杂性；系统动力学的高度非线性；状态变量的高维性和分布性；各子系统间的强耦合性。线性；状态变量的高维性和分布性；各子系统间的强耦合性。复杂系统控制在规模上、复杂性及灵活性上将大大突破传统复杂系统控制在规模上、复杂性及灵活性上将大大突破传统的自动控制在概念和方法上的局限性。它要求控制系统对被的自动控制在概念和方法上的局限性。它要求控制系统对被控对象的动力学模型要有控对象的动力学模型要有“学习学习”和和“识别识别”能力，对环境能力，对环境和扰动的变化要有和扰动的变化要有“适应适应”和和“稳健稳健”能力，等等。可以认能力，等等。可以认为，研究智能化程度越来越高的控制方法以处理日益复杂的为，研究智能化程度越来越高的控制方法以处理日益复杂的实际动力系统是控制理论的发展趋势。实际动力系统