现代控制理论-研究生现代控制理论_第0章绪论讲解.ppt

绪论 现现 代代 控控 制制 理理 论论 主讲：高宏岩 • 绪论 • 第1章 控制系统的状态空间表达式 • 第2章 控制系统状态空间表达式的解 • 第3章 线性控制系统的能控性和能观性 • 第4章 稳定性与李雅普诺夫方法 • 第5章 线性定常系统的综合 • 第6章 最优控制 课程结构与内容课程结构与内容 • 教材： 现代控制理论(第3版)/刘豹,唐万生主编. 机械工业出版社 • 参考书： 1 自动控制原理（第5版）/胡寿松. 科学出版社. 2 现代控制理论(第4版)/Ogata K. 著,卢伯英,于海勋 等译, 电子工业出版社,2003 3 线性系统理论(第2版)/郑大钟编. 清华大学出版社,2002 课程教材与参考书目 Ø本章结构 • 绪论 ü 0.1 经典控制理论的特色与局限 ü 0.2 现代控制理论的起源和发展 ü 0.3 现代控制理论的研究内容 ü 0.4 现代控制理论的应用 绪论 0.1 经典控制理论的特点和局限 1 经典控制的特点 经典控制理论特点 研究对象单输入单输出系统(SISO)，高阶微分方程 研究方法传递函数法(外部描述) 研究工具拉普拉斯变换 分析方法频域(复域),时域响应和根轨迹法 设计方法PID控制和校正网络 其他 频率法的物理意义直观 0.1 经典控制理论的特点和局限 2 经典控制的局限性 （1）只适用于单输入单输出系统(SISO),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 （2）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; （3）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。

0.1 经典控制理论的特点和局限 3 经典控制的标志性人物 （1）1868年麦克斯韦尔（J.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 麦克斯韦尔（J.C.Maxwell） 第一个对反馈控制 系统的稳定性进行 系统分析并发表论 文的人 0.1 经典控制理论的特点和局限 （2）1877年和1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz ）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 赫尔维茨（Hurwitz）劳斯（Routh） 3 经典控制的标志性人物 0.1 经典控制理论的特点和局限 （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（H.Nyquist）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 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 Labs 3 经典控制的标志性人物 0.1 经典控制理论的特点和局限 （4）1948年伊万斯（W.R.Ewans）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 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） Hendrik W. Bode （5）Bode目前IEEE中，控制的最高奖为Bode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 Labs 3 经典控制的标志性人物 0.1 经典控制理论的特点和局限 （6）美国著名的控制论创始人维纳(N Wiener，1894- 1964)系统地总结了前人的成果，于1948年发表了《控制论 —或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》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 0.1 经典控制理论的特点和局限 （7）我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践， 于1954年出版了《工程控制论》 3 经典控制的标志性人物 0.1 经典控制理论的特点和局限 （8）1942年Nichols和J.G.Ziegler研究并得出了PID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 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。

3 经典控制的标志性人物 Nichols 0.2 现代控制理论的起源和发展 1 现代控制理论的发展 20世纪50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 杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题( 例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 最小等)实践的需求推动了控制理论的进步,同 时，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 术创造了条件 0.2 现代控制理论的起源和发展 1 现代控制理论的发展 （1）五十年代后期，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（Kalman）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 （3） 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大 ）值原理 庞特里亚金 卡尔曼 0.2 现代控制理论的起源和发展 1 现代控制理论的发展 到1960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 的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确 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 1 现代控制理论的发展 （4） 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（ D.H.Owens）和麦克（G.J.MacFarlane）研究了s适 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 （5） 20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法 国，L.D.Landau）在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、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 0.2 现代控制理论的起源和发展 2 现代控制理论的特点 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) : 一阶微分方程组 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 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 研究目标系统分析及给定输入、输出情况 下的系统综合 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 0.3 现代控制理论的研究内容 1 现代控制理论的研究内容 线性系统理论（课程教授内容） 最优控制理论（课程教授内容） 最优估计理论 系统辨识理论 自适应控制理论 智能控制理论 随机控制 鲁棒控制 非线性控制 0.4 现代控制理论的应用 1 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 二级倒立摆稳定控制 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 机器人控制 空间机器人控制 足球机器人控制 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 流程工业 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 制造业 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 冶金 高炉 炼铁 过程 排放 最为 严重 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 建立这6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。

0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 网络控制 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 网络中心战中无人机担当重要任务： u 侦察 u 电子干扰 u 欺骗（诱饵） u 战场评估 u 通信中继 u 对地支援 u 对地攻击 0.4 现代控制理论的应用 1 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 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 1 现代控制理论的应用 导弹稳定控制 空空导弹稳定控制 地空导弹稳定控制 0.4 现代控制理论的应用 1 现代控制理论的应用 航天器控制 月球车控制卫星控制 飞行器 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， X－43A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X－ 43A 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 0.4 现代控制理论的应用 2 现代控制理论的发展趋势 控制理论的迅速发展,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 理论提出了许多挑战性问题,例如Apollo 登月舱沿着最优 轨线飞行的导航;在月球上的软着陆;机动性能高、开环 不稳定新式战斗机的设计;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 镇定;对机器人的稳健控制及多臂协作控制;对电力系统 这一类包括随机不确定因素的系统的控制;对轧钢的温度 控制等生产过程的控制,都对控制理论提出了新课题,并且 在这些系统中,控制理论也确实起了关键作用. 0.4 现代控制理论的应用 2 现代控制理论的发展趋势 控制理论与其他领域广泛交叉(渗透) 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,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,并将继 续大大拓广. 例如, 能源环境问题、 节能减排, 调控自然环 境,协调人类与自然关系等都存在对控制理论的需求. 此外, 生命科学，对生物体内部自适应反馈调节规律的认识,并 且将给出对各种激素、药物与放射性疗法的更好的设计, 并促进新型医疗器械的研制 0.4 现代控制理论的应用 2 现代控制理论的发展趋势 复杂系统控制理论问题将越来越引起人们的重视. 复杂系 统的主要特征可归纳为: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;子系统及层次多样性和各子系 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“学习” 和“识别”能力,对环境和扰动的变化要有“适应”和“稳健” 能力,等等 本章要点总结 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。