1、Elements of Modern Control Theory主讲：董霞现代控制理论基础西安交通大学机械工程学院Email： 办公地点：西二楼东2071参考教材现代控制工程 王军平 董霞主编西安交通大学出版社教材现代控制理论基础（机械类）何钺编机械工业出版社现代控制工程（第三版）Katsuhiko Ogata著 卢伯英、于海勋译 电子工业出版社2第一章绪论现代控制理论是在20世纪50年代末、60年代初形成的控制理论。之所以称其为现代控制理论是与经典控制理论相比较而言的。31.1 控制理论发展简史目前国内外学术界普遍认为控制理论经历了三个发展阶段：经典控制理论现代控制理论智能控制理论这种阶段
2、性发展是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。并且，这三个阶段不是相互排斥，而是相互补充、相辅相成的，它们各有其应用领域，并还在不同程度地继续发展着。4控制理论中反馈的概念代表性人物： 瓦特（J.Watt) ，于1788年发明了蒸汽机飞球调速器。这是一个典型的自动调节系统，由此拉开了经典控制理论发展的序幕。控制理论诞生前，人们对于反馈就有了认识。5经典控制理论的诞生1868年，英国物理学家J.C.Maxwell发表论调速器论文，解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡问题；1877年，英国科学家E.J. Routh建立了劳斯稳定性判据；1895年，德国数学家A. Hurwitz提出了胡尔维茨稳
3、定性判据；1892年，俄国数学家A. M.Lyapunov发表了专著论运动稳定性的一般问题；1922年，美国的N. Minorsky研究出用于船舶驾驶的伺服机构并提出PID控制方法；1932年，美籍瑞典人H. Nyquist提出了频域内研究系统稳定性的频率判据；61940年，H. W.Bode引入了对数坐标，使频域稳定性判据更适合工程应用；1942年，H. Harris引入了传递函数概念；1948年，W.R. Evans提出了根轨迹方法；1948年，N. Wiener发表了著名的控制论，标志着经典控制理论的诞生。1954年，中国著名科学家钱学森出版了工程控制论一书，为控制理论的工程应用做出了卓
4、越的贡献。经典控制理论的诞生720世纪四五十年代，经典控制理论的诞生与应用使全世界的科学技术水平得到了快速提高，当时的工业、农业、国防与交通等各领域都热衷于采用自动控制技术。经典控制理论的诞生8经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出系统的分析和控制问题，所涉及的系统大多是线性定常系统，非线性系统中的相平面法也只含两个变量。常接触到的系统，如机床和轧钢机中常用的调速系统、发电机的自动电压调节系统以及冶炼炉的温度自动控制系统等等，这些系统均被当作单输入单输出的线性定常系统来处理。如果把某个干扰考虑在内，也只是将它们进行线性叠加而已。经典控制理论的特点9经典控制理论的特点解决上述问题时，
5、采用频率法、根轨迹法、奈氏稳定判据、期望对数频率特性综合等方法是比较方便的，这些方法均属于通常所说的经典控制论范畴，所得结果在对精确度、准确度要求不是很高的情况下是完全可用的。总之，经典控制理论是与生产过程的局部自动化相适应的，它具有明显的依靠手工进行分析和综合的特点，这个特点是与4050年代生产发展的状况，以及电子计算机技术的发展水平尚处于初期阶段密切相关的。10现代控制理论20世纪50年代末、60年代初，由于导弹制导、数控技术、核能技术以及空间技术发展的需要和电子计算机技术的成熟，控制理论迅猛发展到了一个新阶段，产生了现代控制理论。111956年，苏联的庞特里亚金发表最优过程的数学理论，提
6、出极大值原理；1956年，美国的R.I.Bellman发表动态规划理论在控制过程中的应用；1960年，美籍匈牙利人R.E.Kalman发表控制系统的一般理论、线性估计和辨识问题的新结果等论文，引入状态空间法，并提出可控性、可观测性、最佳调节器和卡尔曼滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论的诞生12此期间，在现代控制理论的推动下，世界上出现了许多惊人的科技成就：1957年，苏联相继发射成功洲际弹道火箭和第一颗人造地球卫星；1958年，美国卡尼-特雷克公司研制出第一台加工中心；1962年，苏联连续发射两艘“东方”号飞船，实现了载人飞船绕地球飞行；1966年，苏联发射“月球”9号探测器，
7、并首次着陆月球；1969年，美国的阿波罗11号把宇航员阿姆斯特朗送上月球，实现了人类太空探索的重大跨越。现代控制理论的诞生13现代控制理论的特点现代控制理论主要用来解决多输入多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。现代控制理论的研究方法本质上是一种时域方法，即所谓状态空间法，它的分析和综合目标是要揭示系统的内在规律，实现系统在一定意义下的最佳化；它的构成不仅限于单纯的闭环，而且可扩展为适应环、学习环等。总之，现代控制理论，是60年代人类探索空间的需要，也是电子计算机的飞速发展和普及的产物。14智能控制理论智能控制理论的发展始于20世纪60年代末，美籍华人傅京孙、Mendel、
8、Tsypkin、Leonds等人将人工智能的直觉推理规则、记忆、目标分解等方法用于学习控制系统并在空间飞行器控制中加以具体应用。1968年，傅京孙和桑托斯提出用模糊神经元研究大系统的行为；同年，美国斯坦福研究所研制出智能机器人；1969年，美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造概念；1974年，哈林顿出版计算机集成制造一书，发展了计算机集成概念；15智能控制理论20世纪70年代，科学家们进而把模式识别、模糊理论等用于控制；1977年，美国的费根鲍姆发表人工智能的艺术：知识工程课题及其实例研究，首倡知识工程；20 世纪80年代，智能控制在理论和应用上的发展极为迅速：H无穷鲁棒控制、专家
9、控制、分层多级智能控制等控制理论在工程上得到了应用。1986年，中国政府批准的863计划，其中即包含了计算机集成制造和智能机器人两个主题。16智能控制理论20 世纪90年代至今，智能控制理论仍在以下方面发展着：人工智能的理论基础，与人类认识和决策过程的生理、心理研究之间的关系；知识工程；逻辑、符号、模糊量处理的理论框架和方法；视觉和其它感觉信息的处理、识别和理解，以及基于传感器的控制方法；智能机器人研制中的人工智能问题；更加接近人类信息处理模式的并行处理和人工神经元网络技术在识别、学习、记忆和推理等方面的应用，等等。17通过对控制理论发展历史的简单回顾，控制理论阶段性发展的周期正在快速缩短，控
10、制策略也日趋完善和多样化。181.2 经典控制理论与现代控制理论的比较经典控制理论与现代控制理论处于控制理论不同的发展阶段，各有其特点。19一般来说，经典控制理论只是对 单输入单输出线性定常系统 的分析与综合是有成效的。现代控制理论则可适用于 线性和非线性、定常和时变、单变量和多变量、连续和离散系统 。现代控制理论适用领域的扩大，使其成为更有 普遍性 的理论。适用范围20数学基础由于经典控制理论主要限于处理单变量的线性定常问题，反映到数学上就是单变量的常系数微分方程问题，因此 拉氏变换 就成了它的主要数学工具，数学模型是 传递函数 。现代控制理论要处理多变量问题，因此 矩阵和向量空间理论 是它
11、的主要数学基础。21研究方法经典控制理论是一种 频域方法 ，它以系统的输出输入特性 作为研究的依据；而现代控制理论的本质是一种 时域方法 ，它是建立在 状态变量描述方法 基础上的。因此，经典控制理论着眼于 系统的输出 ，而现代控制理论则着眼于 系统的状态 。22经典控制理论的基本内容有 时域法、频率法、根轨迹法、描述函数法、相平面法、代数与几何稳定判据、校正网络设计 等，研究的主要问题是稳定性问题。现代控制理论的基本内容有 线性系统基本理论、系统辨识、最优控制问题、自适应控制问题及最佳滤波问题 等，研究的主要问题是最优化问题。研究内容231.3 现代控制理论的基本内容现代控制理论是对系统的状态
12、进行分析和综合的理论。主要包括以下基本内容 ：线性系统基本理论 ：包括系统的状态空间数学模型、系统运动的分析、稳定性分析、能控与能观测性判别、状态反馈与观测器设计等问题。系统辨识 ：要研究系统的状态，首先要建立系统在状态空间中的数学模型，由于系统比较复杂，所以往往不能通过解析的方法直接建立其数学模型，而主要通过试验或运行的数据来估计出控制对象的数学模型及参数，这就是系统辨识问题。24现代控制理论的基本内容最优控制问题 ：简单地说，就是在给定限制条件和评价函数下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律问题。这里的限制条件即约束条件，就是物理上对系统所施加的一些限制；评价函数即性能指标也称为目标函数，要
13、寻求的控制规律也就是综合控制器。自适应控制问题 ：是指两类控制系统( 约束自适应控制(ACC)系统和最优自适应控制(ACO)系统 ) ，既能适应内部参数变化，又能适应外部环境变化，而自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优或满足对这一类系统的要求 。25现代控制理论的基本内容最佳滤波或称最佳估计 ：当系统中有随机干扰时，其综合就必须同时应用概率和统计的方法来进行，即在系统数学模型已经建立的基础上，通过对系统输入输出数据的测量，利用统计方法对系统的状态进行估计。古典的维纳(Wiener)滤波理论阐述的是对平稳随机过程按均方意义的最佳滤波。而现代的卡尔曼(Kalman)滤波理论克服了维纳滤波理
14、论的局限性，在很多领域中得到广泛应用。卡尔曼滤波理论的提出，奠定了现代控制理论的基础 。离散系统控制问题 ：主要研究包含离散信号的控制系统的分析与综合问题。随着计算机在控制系统中的应用，离散系统控制理论越来越发挥着重要作用。261.4本课程的主要内容和要求本课程主要介绍 线性系统基本理论 、 离散系统控制理论 。27通过本课程的学习，要求了解现代控制理论的基本原理及方法，以便进行系统分析与设计，同时为进一步学习现代控 制理论打下较扎实的基础。1.4本课程的主要内容和要求28所谓 系统分析 ，就是指在规定的条件下，对数学模型已知的系统性能进行分析。系统分析包括定量分析和定性分析。 定量分析 是通过系统对某一个输入信号的实际响应来进行的； 定性分析 则研究系统能控性、能观测性、稳定性和关联性等一般特性。各种设计方法往往来源于系统分析。因此，系统分析是十分重要的。本课程的主要内容和要求29所谓 系统设计 ，就是构造一个能完成给定任务的系统，这个系统具有所希望的瞬态，稳态性能以及抗干扰性能。一般地说，设计过程不是一个简单的一次能完成的过程，而是一个逐步完善的过程。在这个过程中，有可能引入补偿器或调整某些参数。本课程的主要内容和要求
