现代控制理论基础绪论(powerpoint 38页).ppt

现现 代代 控控 制制 理理 论论 基基 础础ModernControlTheoryModernControlTheory第一页，编辑于星期四：十三点十五分第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1 现代控制理论的产生与发展现代控制理论的产生与发展 1.2 1.2 现代控制理论的内容现代控制理论的内容 1.3 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异现代控制理论与经典控制理论的差异 1.4 1.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用第二页，编辑于星期四：十三点十五分 1.1 1.1 现代控制理论的产生与发展现代控制理论的产生与发展 同学们，我们都知道：控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面洗衣机智能控制洗衣机智能控制电冰箱温度控制电冰箱温度控制第三页，编辑于星期四：十三点十五分第一阶段第一阶段: : 经典经典( (自动自动) )控制理论控制理论 经典控制理论经典控制理论即古典控制理论古典控制理论,也称为自动控制理论自动控制理论它的发展大致经历了以下几个过程：一一 萌芽阶段萌芽阶段 如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：第四页，编辑于星期四：十三点十五分。

1. 两千年前我国发明的 指南车指南车，就是一种开 环自动调节系 统指指南南车车2. 公元10861089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统水水运运仪仪象象台台第五页，编辑于星期四：十三点十五分二二 起步阶段起步阶段 随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中其中最卓越的代表是瓦特瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐瓦特瓦特精品资料网（http:/ ）第六页，编辑于星期四：十三点十五分瓦特离心调速器瓦特离心调速器鸡蛋自动孵化器鸡蛋自动孵化器第七页，编辑于星期四：十三点十五分三三 发展阶段发展阶段1. 1868年马克斯韦尔（马克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速 系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳 定性代数判据马克斯韦尔（马克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）第八页，编辑于星期四：十三点十五分2. 1895年劳斯（劳斯（RouthRouth）与赫尔赫尔维茨（维茨（HurwitzHurwitz）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,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和和赫赫尔维茨判据尔维茨判据。

基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要 赫尔维茨（赫尔维茨（HurwitzHurwitz）精品资料网（http:/ ）第九页，编辑于星期四：十三点十五分3.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，1932年奈奎斯特（奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提出了频域内研究系统的频频率响应法率响应法，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 奈奎斯特奈奎斯特第十页，编辑于星期四：十三点十五分4.1948年伊万斯（伊万斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法根轨迹法 建立在奈奎斯特的频率响应法奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控经典（古典）控制理论（或自动控制理论）制理论）第十一页，编辑于星期四：十三点十五分四四 标志阶段标志阶段 1. 1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论控制论关关于在动物和机器中控制与通讯的科于在动物和机器中控制与通讯的科学学，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。

控制论之父控制论之父韦纳韦纳第十二页，编辑于星期四：十三点十五分2. 我国著名科学家钱学森钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了工程控制论工程控制论钱学森钱学森精品资料网（http:/ ）第十三页，编辑于星期四：十三点十五分 从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）第十四页，编辑于星期四：十三点十五分第二阶段第二阶段 现代控制理论现代控制理论 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学现代数学和数字计算机数字计算机 现代数学，例如泛函分析、现代代数泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台 在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统 第十五页，编辑于星期四：十三点十五分1.五十年代后期，贝尔曼贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。

2.1959年卡尔曼卡尔曼（Kalman）和布西布西创建了卡尔曼滤波理论；1960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卡尔曼第十六页，编辑于星期四：十三点十五分4. 罗森布洛克罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯欧文斯（D.H.Owens）和麦麦克克（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将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，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础3. 1961年庞特里亚金庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理极小（大）值原理庞特里亚金庞特里亚金 L.S.PontryaginL.S.Pontryagin第十七页，编辑于星期四：十三点十五分5. 20世纪70年代奥斯特隆姆奥斯特隆姆（瑞典）和朗道朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论自适应控制理论和应用方面作出了贡献 与此同时，关于系统辨识系统辨识、最优控制最优控制、离散时间系统离散时间系统和自适自适应控制应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容 朗道朗道L.D.LandauL.D.Landau第十八页，编辑于星期四：十三点十五分。

第三阶段第三阶段 鲁棒控制理论阶段鲁棒控制理论阶段 1. 由于现代数学的发展，结合着HH2 2和HH 等范数而 出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法2. 20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论大系统理论”、 “智能控制理论智能控制理论”和“复杂系统理论复杂系统理论”的方向发展：第十九页，编辑于星期四：十三点十五分 大系统理论：大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结 构方案、总体设计中的分解方法和协调等 问题的技术基础理论复杂大系统控制复杂大系统控制精品资料网（http:/ ）第二十页，编辑于星期四：十三点十五分 智能控制理论：智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信 息传递过程的规律，研制具有某些拟人 智能 的工程控制与信息处理系统的理论洗衣机智能模糊控制洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制机器人神经网络控制第二十一页，编辑于星期四：十三点十五分 复杂系统理论：复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范 筹，以解决复杂系统的控制为目标 回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。

复杂航天器控制复杂航天器控制第二十二页，编辑于星期四：十三点十五分现代控制理论基础的内容为:线性系统理论线性系统理论 最优控制理论最优控制理论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 1.2 1.2 现代控制理论基础的内容现代控制理论基础的内容第二十三页，编辑于星期四：十三点十五分 1.3 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异现代控制理论与经典控制理论的差异 经典控制理论 现代控制理论 研究对象单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程 多输入多输出系统(MIMO) :一阶微分方程 研究方法传递函数法(外部描述) 状态空间法(内部描述) 研究工具拉普拉斯变换 线性代数矩阵 分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法 复域、实域，可控和可观测 设计方法PID控制和校正网络 状态反馈和输出反馈 其他 频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制 易于实现实时控制和最优控制 第二十四页，编辑于星期四：十三点十五分 1.4 1.4 现代控制理论的应用现代控制理论的应用 比起经典控制理论, 现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。

现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域第二十五页，编辑于星期四：十三点十五分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第二十六页，编辑于星期四：十三点十五分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精品资料网（http:/ ）第二十七页，编辑于星期四：十三点十五分航天器控制月球车控制月球车控制卫星控制卫星控制第二十八页，编辑于星期四：十三点十五分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精品资料网（http:/ ）第二十九页，编辑于星期四：十三点十五分 课堂小结课堂小结 1. 现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应用；2. 经典控制理论与现代控制理论的差异；3. 现代控制理论的应用第三十页，编辑于星期四：十三点十五分考核计分说明 考试形式：闭卷 平时成绩：20%，其中：作业：10%；到课：10%；特别提醒：每缺课或未交作业一次，平时总成绩扣5分！ 期中成绩：10% 期末成绩：70%EndEnd第三十一页，编辑于星期四：十三点十五分指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。

它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械是一种双轮独辕车它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面在大平轮两旁，装着很多小齿轮如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方指南车是利用齿轮的原理造成的这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备指南车指南车指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”第三十二页，编辑于星期四：十三点十五分 整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物最上层的板屋内放置着1台浑仪， 屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。

在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来 这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明。