现代控制理论：第0章 绪论

1、航空航天学院现 代 控 制 理 论 课程结构与内容绪论 第1章 控制系统的状态空间表达式1.1 状态变量及状态空间表达式1.2 状态空间表达式的模拟结构图1.3 状态空间表达式的建立（一）1.4 状态空间表达式的建立（二）1.5 状态变量的线性变换1.6 从状态空间表达式求传递函数1.7 离散时间系统的状态空间表达式1.8 时变系统和非线性系统的状态空间表达式绪论 课程结构与内容第2章 控制系统状态空间表达式的解2.1 线性定常齐次状态方程的解2.2 矩阵指数函数状态转移矩阵2.3 线性定常系统非齐次方程的解2.4 线性时变系统的解2.5 离散时间系统状态方程的解2.6 连续时间状态空间表达式

2、的离散化绪论 课程结构与内容第3章 线性控制系统的能控性和能观性3.1 能控性的定义3.2 线性定常系统的能控性判别3.3 线性连续定常系统的能观性3.4 离散时间系统的能控性与能观性3.5 时变系统的能控性与能观性3.6 能控性与能观性的对偶关系3.7 状态空间表达式的能控标准型与能观标准型3.8 线性系统的结构分解3.9 传递函数阵的实现问题3.10 传递函数中零极点对消与状态能控性和能观性的关系绪论 课程结构与内容第4章 稳定性与李雅普诺夫方法4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义4.2 李雅普诺夫第一法4.3 李雅普诺夫第二法4.4 李雅普诺夫方法在线性系统中的应用4.5 李雅普诺夫方法在

3、非线性系统中的应用绪论 课程结构与内容第5章 线性定常系统的综合5.1 线性反馈控制系统的基本结构5.2 极点配置问题5.3 系统镇定问题5.4 系统解耦问题5.5 状态观测器5.6 利用状态观测器实现状态反馈的系统绪论 课程结构与内容第6章 最优控制6.1 最优控制问题6.2 研究最优控制的前提条件6.3 Bang-Bang控制6.4 线性二次型最优控制问题绪论 课程教材与参考书目教材： 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 现代控制理论/俞立编著. 清华大学出版社，2007 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

4、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绪论 课程特点基础概念多： 状态空间、稳定性、能控能观、实现、观测器、极点配置、最优控制理论性强： 矩阵理论计算量大： 标准型实现、状态转移矩阵、能控能观判定 绪论 本章结构绪论 0.1 经典控制理论的特色与局限0.2 现代控制理论的起源和发展0.3 现代控制理论的研究内容0.4 现代控制理论的应用绪论0.1 经典控制理论的特色和局限1 控制的本质特征反馈和算法是控制系统的本质特征0.1 经典控制理论的特色和局限2 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

5、法(外部描述) 研究工具拉普拉斯变换 分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法 设计方法PID控制和校正网络 其他频率法的物理意义直观、实用0.1 经典控制理论的特色和局限3 经典控制的局限性（1）难以有效地应用于时变系统（2）难以有效地应用于多变量系统（3）难以有效地应用于非线性系统（4）难以实现最优控制0.1 经典控制理论的特色和局限4 经典控制的奠基人（1）1868年马克斯韦尔（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。马克斯韦尔（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

6、论的特色和局限4 经典控制的奠基人（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）0.1 经典控制理论的特色和局限4 经典控制的奠基人（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) Be

7、ll Labs0.1 经典控制理论的特色和局限4 经典控制的奠基人（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控制论Cybernetics1948年，维纳发表控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学，宣告了这门新兴学科的诞生。这是一门以数学为纽带，把研究自动调节、通信工程、计算机和计算技术以及生物

8、科学中的神经生理学和病理学等学科共同关心的共性问题联系起来而形成的边缘学科。1954年，钱学森发表工程控制论，引起了控制领域的轰动，并形成了控制科学在上世纪50年代和60年代的研究高潮。工程控制论在其形成过程中，把设计稳定与制导系统这类工程技术实践作为主要研究对象。钱学森本人就是这类研究工作的先驱者。0.2 现代控制理论的起源和发展1 现代控制的起源20世纪50年代形成动态规划法 美国Bellman 极大值原理 苏联Pontryagin 卡尔曼滤波 美国Kalman卡尔曼在蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞速发展的支持下，控制理论在1960年前后有了重大的突破和创新。在此期间，由卡尔曼

9、提出的线性控制系统的状态空间法、能控性和能观测性的概念，奠定了现代控制理论的基础，其提出的卡尔曼滤波，在随机控制系统的分析与控制中得到广泛应用；0.2 现代控制理论的起源和发展2 现代控制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 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 易于实现实时控制和最优控制 0.2 现代控制

10、理论的起源和发展3 现代控制的发展（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）和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。（3） 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。0.2 现代控制理论的起源和发展3 现代控制的发展（4） 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（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

11、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。 本章结构绪论 0.1 经典控制理论的特色与局限0.2 现代控制理论的起源和发展0.3 现代控制理论的研究内容0.4 现代控制理论的应用绪论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现代控制理论基础的内容为:线性系统理论最优控制理论最优估计理论系统辨识理论自适应控制理论智

12、能控制理论随机控制鲁棒控制非线性控制 本章结构绪论 0.1 经典控制理论的特色与局限0.2 现代控制理论的起源和发展0.3 现代控制理论的研究内容0.4 现代控制理论的应用绪论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

13、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：侦察电子干扰欺骗（诱饵）战场评估通信中继对地支援对地攻击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

14、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，X43A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。X43A 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4 飞行器研究的关键问题飞行器研究（1）飞行器建模问题根据位移运动和绕质心的旋转运动，建立飞行器6自由度的运动方程，3个线速度运动和3个角速度运动；可以建立飞行器纵向、横侧向运动学方程，根据控制器设计的需求，可以将方程建立为线性和非线性两类。 4 飞行器研究的关

15、键问题飞行器研究（2）飞行器控制问题起飞姿态着陆飞行器控制主要包括控制起飞、着落、姿态、高度、速度、航向等内容，这些控制需要调节飞行器上的各类舵机来实现4 飞行器研究的关键问题飞行器研究（3）飞行器航迹规划问题飞行器航迹规划就是预先或在线设定飞行器的飞行路径。包括飞行路线、飞行方向、飞行航点、航迹的变更等4 飞行器研究的关键问题飞行器研究（4）飞行器制导问题制导：导引和控制飞行器按一定规律飞向目标或预定轨道的技术和方法。红外制导激光制导制导过程中，导引系统不断测定飞行器与目标或预定轨道的相对位置关系，发出制导信息传递给飞行器控制系统，以控制飞行。主要包括：雷达制导、红外制导、激光制导、地磁制导

16、、电视制导、惯性制导等。无人机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