現(xiàn)代控制理論緒論

1、教材教材現(xiàn)代控制理論n 作者作者: : 于長(zhǎng)官于長(zhǎng)官n 主講主講: : 周繼惠周繼惠n 電話電話: :1597066509615970665096n E-mail:zhoujh_ E-mail:zhoujh_Modern Control Theory課程總學(xué)時(shí)課程總學(xué)時(shí): 481-16周，平均每周周，平均每周3學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)(上上機(jī)機(jī),MATLAB仿真仿真)成績(jī)?cè)u(píng)定: 考試：50%(閉卷閉卷) 平時(shí)成績(jī) 50%考勤 10%作業(yè) 10%實(shí)驗(yàn) 10%課練課練 20%參考書目參考書目1.Richard C.Dorf等著,現(xiàn)代控制工程現(xiàn)代控制工程第九版,科學(xué)出版社.2.鄭大鐘編著,線性

2、系統(tǒng)理論線性系統(tǒng)理論,清華大學(xué)出版社. 3.劉豹主編，現(xiàn)代控制理論，機(jī)械工業(yè)大學(xué)出版社。4.陳在平主編,控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真與控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真與CAD_MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用語(yǔ)言應(yīng)用,天津大學(xué)出版社.5.MATLAB實(shí)用教程實(shí)用教程。6.線性代數(shù)線性代數(shù)和和矩陣分析矩陣分析。一一、控制論產(chǎn)生的背景控制論產(chǎn)生的背景 社會(huì)背景：社會(huì)背景： 社會(huì)生產(chǎn)和管理對(duì)于高度自動(dòng)化的需要。 直接原因直接原因 二戰(zhàn)期間，維納參加了火炮控制和電子計(jì)算機(jī)的研制工作。 1943年維納、畢格羅和羅森勃呂特三人共同發(fā)表了行為、目的和目的論行為、目的和目的論， 1948年美國(guó)數(shù)學(xué)家維納維納發(fā)表了著名的控制論控制論關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)

3、器中控制和通訊的科學(xué)，控制論誕生。Cybernetics 社會(huì)一旦有技術(shù)上的需要，則這種需要就會(huì)比十所大學(xué)更能把科學(xué)推向前進(jìn)。 恩格斯緒 論二、控制論的基本概念二、控制論的基本概念1、什么是控制？自動(dòng)控制？控制論？、什么是控制？自動(dòng)控制？控制論？ 對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。對(duì)對(duì)象施加某種操作，使其產(chǎn)生所期望的行為。 該操作由控制裝置自動(dòng)完成，無(wú)須人的參與，即自動(dòng)控制。該操作由控制裝置自動(dòng)完成，無(wú)須人的參與，即自動(dòng)控制。 關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，就是控制論。關(guān)于控制原理和控制方法的學(xué)科，就是控制論。2、控制的三要素？對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求？、控制的三要素？對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求

4、？ 被控對(duì)象、控制目標(biāo)、控制裝置被控對(duì)象、控制目標(biāo)、控制裝置3、什么是、什么是反饋？正反饋？負(fù)反饋？反饋？正反饋？負(fù)反饋？一個(gè)系統(tǒng)的輸出部分或全部反作用于該控制系統(tǒng)的輸入一個(gè)系統(tǒng)的輸出部分或全部反作用于該控制系統(tǒng)的輸入航行問(wèn)題反饋反饋: 檢測(cè)偏差檢測(cè)偏差 , 并糾正偏差并糾正偏差無(wú)負(fù)反饋時(shí)的航線有負(fù)反饋時(shí)的航線檢測(cè)偏差檢測(cè)偏差,并糾正偏差并糾正偏差 1、按偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)、按偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng) 特點(diǎn)特點(diǎn)：系統(tǒng)中至少有一個(gè)將輸出量加以回輸?shù)拈]合環(huán)路，是具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 2、按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)、按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng) 特點(diǎn)特點(diǎn)：輸入量按負(fù)荷的變化而成比例的改變以趨近目標(biāo)值，是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，抗干擾

5、能力差?？刂扑枷肟刂扑枷?社會(huì)控制論社會(huì)控制論 u 控制論用于社會(huì)的生產(chǎn)管理、交通運(yùn)輸、資源開(kāi)發(fā)、控制論用于社會(huì)的生產(chǎn)管理、交通運(yùn)輸、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)等環(huán)境保護(hù)等u 人口控制人口控制n 經(jīng)濟(jì)控制論經(jīng)濟(jì)控制論最佳消費(fèi)投資比例、最佳廣告費(fèi)用、有價(jià)證券選擇、金融市最佳消費(fèi)投資比例、最佳廣告費(fèi)用、有價(jià)證券選擇、金融市場(chǎng)最優(yōu)控制、基本建設(shè)投資優(yōu)化問(wèn)題等等。場(chǎng)最優(yōu)控制、基本建設(shè)投資優(yōu)化問(wèn)題等等。n 生物控制論生物控制論 u 體液調(diào)節(jié)，神經(jīng)控制體液調(diào)節(jié)，神經(jīng)控制三、控制論的主要分支三、控制論的主要分支 n工程控制論工程控制論 控制論在工程技術(shù)方面（機(jī)械的、電氣的和電子的自動(dòng)控制論在工程技術(shù)方面（機(jī)械的、電

6、氣的和電子的自動(dòng)控制系統(tǒng)）上的運(yùn)用。又稱自動(dòng)控制理論，或簡(jiǎn)稱控制控制系統(tǒng)）上的運(yùn)用。又稱自動(dòng)控制理論，或簡(jiǎn)稱控制理論（理論（control theory）u 我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森1954年在美國(guó)出版了年在美國(guó)出版了工程工程控制論控制論一書。一書。四個(gè)階段：四個(gè)階段： 四十至五十年代：經(jīng)典控制理論四十至五十年代：經(jīng)典控制理論 六十至七十年代：現(xiàn)代控制理論六十至七十年代：現(xiàn)代控制理論 七十年代以后：大系統(tǒng)控制理論和智能控制論七十年代以后：大系統(tǒng)控制理論和智能控制論n第一階段：經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論（或古典控制理論）的產(chǎn)生、發(fā)展和成熟；n第二階段：現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論的興起

7、和發(fā)展；n第三階段：大系統(tǒng)控制理論大系統(tǒng)控制理論；n第四階段：智能控制理論智能控制理論。工程控制論發(fā)展的四個(gè)主要階段：工程控制論發(fā)展的四個(gè)主要階段：經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論n控制理論的發(fā)展初期，是以反饋理論反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制. 主要理論有:n1895年，數(shù)學(xué)家勞斯（Routh）提出了高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)，即Routh判據(jù)。n1938-1945年,奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻率響應(yīng)理論 .n1948年，伊萬(wàn)斯（W.R.Evans）提出了根軌跡法。n至此，控制理論發(fā)展的第一階段基本完成，形成了以頻率頻率法法和根軌跡法根軌跡法為主要方法的經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理

8、論的基本特征經(jīng)典控制理論的基本特征（1）主要用于線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)(LTI)(LTI)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出單輸入，單輸出(SISO)(SISO)的反饋控制系統(tǒng)；（3）只討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述外部描述方法。（4）數(shù)學(xué)模型是傳遞函數(shù)傳遞函數(shù):數(shù)學(xué)工具是:拉氏變換拉氏變換.現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 由于經(jīng)典控制理論只適用于單輸入、單輸出的線性定常系統(tǒng)，只注重系統(tǒng)的外部描述而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。因而在實(shí)際應(yīng)用中有很大局限性。 隨著航天事業(yè)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代初，在經(jīng)典控制

9、理論的基礎(chǔ)上，以線性代數(shù)理論線性代數(shù)理論和和狀態(tài)空間分析法狀態(tài)空間分析法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論迅速發(fā)展起來(lái)。其重要標(biāo)志之一就就是是卡爾曼卡爾曼(Kalman(Kalman) )系統(tǒng)地把系統(tǒng)地把狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法引入到控制理論中引入到控制理論中來(lái)，并提出來(lái)，并提出能控性能控性和和能觀測(cè)性能觀測(cè)性這兩個(gè)重要的概念。這兩個(gè)重要的概念。 主要內(nèi)容包括主要內(nèi)容包括: :（1）線性系統(tǒng)理論線性系統(tǒng)理論：主要研究系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測(cè)問(wèn)題，基本分析方法是狀態(tài)空間法。（2）系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)輸入輸出時(shí)間函數(shù)來(lái)確定描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型。包括結(jié)構(gòu)辨識(shí)和參數(shù)辨識(shí)。（3）最優(yōu)控制理論：最優(yōu)控制理論

10、：主要研究被控系統(tǒng)在給定性能指標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律和綜合方法。（4）最優(yōu)估計(jì)理論最優(yōu)估計(jì)理論：研究對(duì)受到隨機(jī)噪聲污染的狀態(tài)測(cè)量信號(hào)的處理，做出真實(shí)狀態(tài)的最好估計(jì)的理論?，F(xiàn)代控制理論的主要特點(diǎn)現(xiàn)代控制理論的主要特點(diǎn)n研究對(duì)象研究對(duì)象: 線性與非線性系統(tǒng)、定常與時(shí)變、單變量與多變量系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)n數(shù)學(xué)工具數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)、矩陣和向量空間理論n數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型：狀態(tài)方程和輸出方程n方法方法：狀態(tài)空間分析法/時(shí)域矩陣分析法。n基本內(nèi)容基本內(nèi)容：線性系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辯識(shí)、最優(yōu)控制理論、最優(yōu)估計(jì)理論等，n控制裝置控制裝置：數(shù)字計(jì)算機(jī)大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論 20世紀(jì)70年代開(kāi)始，現(xiàn)代控制理論繼

11、續(xù)向深度和廣度深度和廣度發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的控制方法和理論。 （1 1）現(xiàn)代頻域方法）現(xiàn)代頻域方法 以傳遞函數(shù)矩陣為數(shù)學(xué)模型，研究線性定常多變量系統(tǒng)； （2 2）自適應(yīng)控制理論和方法）自適應(yīng)控制理論和方法 以系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)估計(jì)為基礎(chǔ)，在實(shí)時(shí)辨識(shí)基礎(chǔ)上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律； （3 3）魯棒控制方法）魯棒控制方法 在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和其它性能基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不變的魯棒控制器，以處理數(shù)學(xué)模型的不確定性。大系統(tǒng)理論的特點(diǎn)大系統(tǒng)理論的特點(diǎn)n 隨著控制理論應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，從個(gè)別小系統(tǒng)的控制，發(fā)展到若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)進(jìn)行整體控制，從傳統(tǒng)的工程控制領(lǐng)域推廣到包括經(jīng)濟(jì)管理、生物工程、能源、運(yùn)輸、環(huán)境等

12、大型系統(tǒng)以及社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。n 大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合的系統(tǒng)工程理論，具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)目標(biāo)多樣、因素眾多等特點(diǎn)。它是一個(gè)多輸入、多多輸入、多輸出、多干擾、多變量輸出、多干擾、多變量的系統(tǒng)。大系統(tǒng)理論目前仍處于發(fā)展和開(kāi)創(chuàng)性階段。 智能控制理論智能控制理論 -控制論發(fā)展的最高階段控制論發(fā)展的最高階段n是近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種控制技術(shù)，是人工智能在控制上的應(yīng)用。它的指導(dǎo)思想是依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目依據(jù)人的思維方式和處理問(wèn)題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題前需要人的智能才能

13、解決的復(fù)雜的控制問(wèn)題。被控對(duì)象的復(fù)雜性體現(xiàn)為:模型的不確定性，高度非線性，分布式的傳感器和執(zhí)行器，動(dòng)態(tài)突變，多時(shí)間標(biāo)度，復(fù)雜的信息模式，龐大的數(shù)據(jù)量，以及嚴(yán)格的特性指標(biāo)等。n智能控制就是驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程，如對(duì)智能機(jī)器人的控制就是典型的例子.n智能控制是從“仿人仿人”的概念出發(fā)的。其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊其方法包括學(xué)習(xí)控制、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、和專家控制等方法。 第一章：線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述第一章：線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述（1）系統(tǒng)狀態(tài)、狀態(tài)空間和狀態(tài)空間描述等基本概念；（2）建立系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的方法；（3）狀態(tài)空間描述的非

14、奇異變換（規(guī)范型）第二章：線性控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與離散化第二章：線性控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與離散化（1）線性系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的求解及一些相關(guān)概念；（2）系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣的概念、性質(zhì)及計(jì)算方法（重點(diǎn)）；（3）線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的一般表達(dá)式及意義；（4）用MATLAB求取系統(tǒng)響應(yīng)的方法和相關(guān)函數(shù)。四. 本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容第三章：線性控制系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性第三章：線性控制系統(tǒng)的能控性與能觀測(cè)性（1）系統(tǒng)的能控性、能觀測(cè)性的基本概念及判別方法 ，（2）MATLAB在能控性、能觀測(cè)性判別中的應(yīng)用。第四章：線性控制系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性第四章：線性控制系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性（1）分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的李亞普諾夫方法及相關(guān)概念；（2）重點(diǎn)是李亞普諾夫穩(wěn)定性的概念及判別定理的應(yīng)用；（3）MATLAB在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。第五章：狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)第五章：狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)（1）線性定常系統(tǒng)的綜合技術(shù)。（2）重點(diǎn)是狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測(cè)器的概念及極點(diǎn)配置的條件及方法（3）MATLAB在線性系統(tǒng)綜合中的應(yīng)用。經(jīng)典控制理論主要知識(shí)點(diǎn)回顧：經(jīng)典控制理論主要知識(shí)點(diǎn)回顧：1、傳遞函數(shù)的定