现代控制理论基础

1. 现代控制理论基础 主讲教师：贺廉云 德州学院机电工程系

2. 绪论 • 1.自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学 • 2.自动控制研究的内容及各部分的关系 • 3.在实际工程应用和科学研究中发展自动控制

3. 1.自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学1.自动控制是一门不断发展的、综合性的技术科学 1.1 从简单设备、单性能要求的控制到复杂的、多目标高性能控制。 例如：从一台机器、一个温箱等简单的单目标低性能控制到机器人控制、大型工业过程控制、电网控制、特别是复杂航天器姿轨控制、载人飞船返回再入控制和登月控制。

4. 1.2 控制领域不断扩大 从工业控制已进入到生物控制、医学、环境控制、社会经济、人口控制等各个领域。 1.3 控制理论的发展阶段 控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。 经典控制理论：20世纪50年代之前发展起来的，前后经过了较长时间，成熟于50年代中期。

5. 现代控制理论：50年代末60年代初开始形成并迅速发展。　 • 经典控制理论最初被称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。 • 对于早期的控制系统，当时控制系统的目的多用于恒值控制，主要的设计原则是静态准确度和防止不稳定，而瞬态响应的平滑度是次要的。于是，由劳斯和赫尔维茨提出的代数稳定判据，在相当一个历史时期基本满足了需要。

6. 　直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。例如：　直到第二次世界大战期间，这种情况才有了改变。例如： 军舰上的大炮和高射炮组，其伺服机构迫切需要自动控制系统的全程控制。对于迅速变化的信号，控制系统的准确跟踪及补偿能力是最重要的。 因此促进了经典理论的巨大发展。先后出现了奈奎斯特、伯德的频率法和依万思的根轨迹法。 当时人们希望: 经典控制理论的发展能否满足复杂系统的需要呢？

7. 经典控制理论的局限性：　　　　　　　 １.经典控制理论局限于线性定常系统，因其本质上是一种频率信号，信号描述要靠各个频率分量，只有用叠加原理才能进行分析，因此频率法只限于线性定常系统。 　　　　　　　　　　　 ２.经典理论仅限于所谓”标量”和单回路反馈系统。 ３.经典理论的系统设计问题通常是用尝试法进行的，它往往依赖于设计人员的经验，而不能从推理上给出令人满意的设计方案。

8. 科学技术的发展不仅对控制理论提出了挑战，也同时为理论的形成创造了条件。20世纪60年代迅速发展起来的现代控制理论，在数学分析方法上利用现代数学如线性代数、泛函分析等工具。科学技术的发展不仅对控制理论提出了挑战，也同时为理论的形成创造了条件。20世纪60年代迅速发展起来的现代控制理论，在数学分析方法上利用现代数学如线性代数、泛函分析等工具。 　　由此而引起的许多分析及设计步骤包含广泛的、耗费时间的计算机运算,大型通用数字计算机的发展为其铺平了道路，使理论的研究和应用成为可能。 　　可以说控制论理论和控制技术是和数字计算机平行发展的。

9. 1.4 涉及到的学科 物理、化学、数学、计算机、人工智能、信息论、生命科学以及社会科学。

10. 2.自动控制研究的内容及各部分的关系 自动控制的研究内容大体可分为三大类 2.1 理论研究 1）基础理论：反馈理论、微积分方程。 2）应用基础理论：能控能观、李亚普诺夫稳定性。各个领域的控制理论以及各种控制用数学工具，如拉氏变换、黎卡迪方程。

11. 2.2 技术实现 1）各种控制方法的研究 如：PID控制、二次型最优控制、自适应控制以及目前出现的各种智能控制方法（模糊控制、专家系统、神经网络等）。 • 2）系统实现研究 • 系统方案设计包括：建模、性能指标、控制律设计 。

12. 系统组成包括：系统软硬件配置设计、各种配套的敏感器和执行器的研制与选择。系统组成包括：系统软硬件配置设计、各种配套的敏感器和执行器的研制与选择。 • 3）各种运行故障处理的研究。 2.3 工程应用 针对各种具体的控制系统进行设计、加工、软件编制、调试、测试等，最终实现控制目标以及运行过程中的维护、维修。

13. 2.4系统集成的各个部分都具有不可替代的独特作用2.4系统集成的各个部分都具有不可替代的独特作用 • 自动控制之所以能在生产实际、科学研究和国防建设中起作用，需要上述各部分有机的、统一的工作。 • 各部分的发展有互相推动的作用，从自动控制发展的历史中可以看出，应用推动技术，技术推动理论，理论又反过来促使技术的发展和指导实际应用。

14. 3. 在实际工程应用和科学研究中发展自动控制 3.1 自动控制发展的两条途径 1） 应用——技术——理论——应用 2）理论——技术——应用 控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生于生产实践和科学试验。 控制理论形成：把自动控制中的普遍规律抽象出来；其它科学的发展如数学、力学、物理学等。

15. 3.2 从控制理论形成的历史看自动控制的发展 　　几千年来，我国人民在自动控制技术方面有过卓越的贡献。早在两千年前，我国就发明了开环自动调节系统——指南针，北宋（公元1086-1089年）我国又发明了闭环自动调节系统——水运仪象台。大约经过七百年以后，在英国和俄国等国家，开始将自动控制技术应用到近代工业中。此后随着近代工业技术的发展，自动控制技术也获得了突飞猛进的发展。

16. 1788年瓦特发明蒸汽机的离心调速器。 1868年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制理论最早的论文“论调节器”。 1892年俄国Lyapunov的博士论文“论运动稳定性的一般问题”，提出了Lyapunov的稳定理论，20世纪10年代提出了PID控制律。

17. 20世纪40年代是系统与控制思想空前活跃的年代：20世纪40年代是系统与控制思想空前活跃的年代： 1945年贝塔朗菲的《关于一般系统论》，1948年维纳的《控制论》。 1954年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同样著名的《工程控制论》一书，主要面向工程应用。 20世纪50-60年代，人类开始征服太空，1957年苏联发射第一颗人造地球卫星，1969年美国阿波罗载人飞船成功登上月球。在这些举世瞩目的成功中，自动控制起着不可磨灭的作用。产生了“现代控制理论”（动态规划、极大值原理、状态空间法、最优控制理论）。

18. 3.3 需求与推动 3.3.1 重大工程的需求： 卫星、载人航天、深空探测 3.3.2 科学发展的需求： 生命科学、机器人 3.3.3 前沿课题的推动： 控制理论发展中的一些问题。例如：非线性时变不确定系统、智能控制的理论问题。

19. 3.4 智能控制是自动控制发展的第三个里程碑 • 复杂工程系统、社会系统和生物系统等需求。 • 原有控制理论进一步发展的需求。 • 其他科学发展的推动。 3.5 智能控制发展的两个方向 1) 人机结合的智能控制 2) 智能自主控制

20. 结 束