现代控制理论-闫茂德-配套教学课件第0章 绪论

第0章

引论课程安排共40课时：实验4课时，授课36课时。选用教材：闫茂德,

高昂,胡延苏.

《现代控制理论》

第1版.

北京：机械工业出版社,

2016考核方式：考勤和作业(20%)+期末考试(60%)+实验成绩(20%)参加本课程的同学必须人手1册教材、出勤听课和完成作业。（缺课达到1/3，缺作业达1/4者取消正常考试资格）第0章

引论第0章

引论

本课程是自动化专业的一门专业基础课，通过本课程的学习，使学生掌握控制理论中的状态空间方程、系统运动分析、可控性和可观性、极点配置、状态观测器设计、稳定性理论和李雅普诺夫方法，它是现代控制理论的基础，可为进一步学习有关专业知识及进行工程实践打好必要的基础。

本章的主要内容1、学习现代控制理论的意义2、关于自动控制系统/自动化的介绍3、控制理论的发展历程4、现代控制理论研究的对象、方法、工具及内容5、本课程讲授内容6、现代控制理论与经典控制理论的对比7、控制一个动态系统的几个主要步骤8、控制理论的应用第0章

引论1

学习现代控制理论的意义科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，如泛函分析、矩阵论等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。从20世纪50年代末开始，计算机飞速发展推动了核能、航空航天技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。是自动化专业的理论基础。是提高学生专业理论水平的重要环节。是许多专业报考研究生的必考课。第0章

引论第0章

引论2关于自动控制系统/自动化的介绍自动控制系统是无须人直接参与而借助控制装置使被控对象的控制量等于给定量或设定规律自动运行的系统。或自动控制系统是由相互关联的部件按一定的结构构成的系统，能够提供预期的系统响应。第0章

引论2 关于自动控制系统/自动化的介绍开环控制系统：无控制量反馈的系统，即被控量对控制作用无任何影响的系统。闭环控制系统：有被控量反馈的控制系统，其实质是利用负反馈的作用减小系统的误差。第0章

引论2 关于自动控制系统/自动化的介绍自动控制领域最重要的两个主题：反馈：构成一个闭环系统最优控制：达到期望的性能指标采用反馈的根本原因是要在不确定性存在的条件下达到性能指标。第0章

引论自动化技术是一门新兴的科学技术，它以控制论、信息论和系统论为理论基础，以哲学的方法论为研究方法。Fundamentalknowledgeofautomation:Cybernetics,InformationTheoryand

Systemism狭义自动化和广义自动化狭义自动化是指工业自动化，自动化也是最早应用于工业生产领域的。广义的自动化包括工业自动化、生活自动化、办公自动化和商务自动化。第0章

引论3 控制理论的发展历程控制理论发展初期经典控制理论

(ClassicalControl

Theory)现代控制理论

(ModernControl

Theory)智能控制理论

(IntelligentControl

Theory)控制理论发展趋势

(Trend

of

Control

TheoryDevelopment)第0章

引论3.1

控制理论发展初期公元前14-11世纪，中国古代和古巴比伦出现了称为“刻漏”的自动计时装置。古希腊人公元前300年使用的浮子控制器等。中国古代还发明了许多原始的自动装置，如，指南车（三国时期）、浮子式阀门（公元1178年）、水运仪象台（公元1008年）。公元132年张衡的候风地动仪。公元1世纪，古代埃及和希腊人发明了教堂庙门自动开启、铜祭司自动洒圣水、投币式圣水箱等自动装置。水钟第0章

引论3.2 经典控制理论阶段第一次工业革命时期，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进气阀门以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器，是闭环自动控制系统应用的第一项重大成果。物理学家麦克斯韦（J.C.

Maxwell）与1868年在“论调节器”论文首次提出反馈控制的概念，对瓦特调速器系统中的不稳定现象进行研究，开辟了自动控制作为一门科学发展的开端。1877年劳斯（E.

J.

Routh）和1895年赫尔维茨（A.Hurwitz）分别研究了系统稳定性与特征方程系数的关系，提出了劳斯判据和赫尔维茨判据。1769年瓦特发明的蒸汽机飞球调速器第0章

引论1892年，前沙俄数学家李雅普诺夫（A.M.

Lyapunov）在其博士论文“运动稳定的一般问题”中提出Lyapunov稳定性判别方法，包括第一法和第二法，系统地建立了动力学系统稳定性的一般理论。1940年，奈奎斯特（

H.

Nyquist）提出频率响应法分析系统的稳定性)。1948年美国数学家维纳（

N.

Wiener

）正式出版他的名著《控制论》，标志着控制论的诞生。他明确阐明了控制科学的研究对象、内容、目的和方法，为控制科学奠定了基础。多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括E.

S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)，H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)，L.A.Maxcoll的FundamentalTheoryofServomechanisms

(1945)，以及钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)

(1954)，主要研究单输入单输出SISO-线性时不变系统lineartime-invariant)，针对如下框图：第0章

引论第0章

引论被控对象(Plant,

Process)测量元件（Sensor）可以对被控量进行测量，并转换成能与输入信号进行比较的量纲和数值，也称为反馈元件；比较环节（Comparison）：实现误差检测；执行机构（Actuator）实现对受控对象的操控，起到功率放大的作用；控制律或控制算法（Control

algorithm)控制器的核心；第0章

引论输出(Output)通常与被控量一致；干扰(Disturbance)所有使被控量偏离期望值的因素；反馈(Feedback)系统输出反馈后改变输入。经典控制理论基于数学、物理学等基础科学，研究自动控制系统的建模、分析和综合共同规律的技术科学。即如何分析、协调系统控制量在控制过程中跟踪给定量的“稳”、“快”和“准”3项相互牵制的性能。第0章

引论第0章

引论形成和发展在20世纪30-40年代，初步形成。在20世纪40年代形成体系。»

频率理论»

根轨迹法以SISO线性定常系统为研究对象以拉氏变换为工具，所用数学模型为高阶微分方程，以传递函数为基础在频率域中分析与设计。经典控制理论的局限性难以有效地应用于时变系统、多变量系统。难以有效地应用于非线性系统。3.3

现代控制理论阶段美籍匈牙利人卡尔曼（Kalman）：将状态空间法引入控制理论，进而提出了线性系统的能控性和能观性的概念，标志着现代控制理论的诞生。线性系统理论：采用状态空间法对线性动态系统进行定量和定性分析，如稳定性、能控性和能观性，并采用状态反馈配置闭环极点的方法控制并改善系统的动态性能。系统辨识：

脉冲响应法、相关函数法、最小二乘法、递推和加权最小二乘法，等。第0章

引论第0章

引论最优控制：苏联学者庞特里亚金（

L.S.

Pontryagin

）发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理；美国应用数学家贝尔曼（

Bellman

）提出了动态规划。最优滤波（估计）被控系统和测量装置存在随机干扰和测量装置的限制，难于精确地获得系统全部状态的信息，20世纪60年代美籍匈牙利人卡尔曼（Kalman）提出卡尔曼滤波理论，克服了20世纪40年代维纳滤波方法的局限性，适用于非平稳过程，已在通信、控制和导航系统中得到广泛应用，至今仍是研究热点。第0章

引论自适应控制一个实际的被控对象总是不可能进行精确建模，总会存在一定程度的不确定性，包括环境变化引起的。自适应控制是为解决环境和被控对象参数有较大变换时系统仍能自动保持在接近某种意义下最优运行状态这一问题提出的。有自校正控制和模型参考自适应控制两种类型。近年来，自适应控制理论仍在迅速发展中，反映了现代控制系统向智能化和精确化方向发展。非线性系统理论研究非线性系统的分析和设计方法。第0章

引论3.4

大系统和智能控制理论阶段大系统1970-1980 大系统理论

、控制管理综合。包括大系统的建模、模型降阶、递阶控制、分散控制和稳定性等内容。智能控制系统1980-1990 智能控制理论 智能自动化1990-21

Century 集成控制理论 网络控制自动化专家系统，模糊控制，人工智能神经网络，人脑模型，遗传算法控制理论与计算机技术相结合→计算机控制技术Soft

computing时代解决问题主要工具研究方法主要问题经典控制40~50年代单输入单输出微分方程，拉氏变换，传递函数时域法，频域法和根轨迹快速性，稳定性及精度现代控制理论60-70年代多输入多输出系统控制微分方程，矩阵论，状态空间法变分法，极值原理和动态规划等最优控制，随机控制和自适应控制，鲁棒控制大系统理论与智能控制理论70-80年代生物系统，社会系统等众多变量综合自动化问题网络，电子计算机时域法大系统的多级递阶控制3.5

控制理论发展趋势企业：资源共享、因特网、信息集成、信息技术+控制技术(集成控制技术)网络化控制技术计算机集成制造（Computer

Integrated

ManufactureSystem）工厂自动化第0章

引论第0章

引论4

现代控制理论的研究对象、内容及方法对象:

以MIMO线性、非线性、时变与非时变系统为主要研究对象；内容：线性系统理论(Theory

of

Linear

Systems)、非线性系统理论(Theoryof

Nonlinear

Systems)、最优控制(OptimalControl)、系统辨识(SystemIdentification)、自适应控制(Adaptive

Control)、最优滤波理论(Optimal

filtering

Theory)等。工具：以线性代数和微分方程为工具，以状态空间法为基础。方法：输入/输出特性、内部性能。第0章

引论5、本课程讲授内容控制系统的状态空间表达式：状态变量、状态空间表达式、坐标变换、从状态空间表达式求传递函数阵、离散控制系统状态空间表达式、非线性和时变系统的状态空间表达式，等。状态空间表达式的解：状态转移矩阵（矩阵指数函数）、齐次和非齐次状态空间表达式的解、离散控制系统状态空间表达式的解。控制系统的能控性和能观性：能控性和能观性的定义、能控性和能观性判断准则、能控和能观标准型、能控能观性结构分解，等稳定性及Lyapunov方法：有界输入有界输出稳定性、Lyapunov第一法和第二法，基于Lyapunov方法的控制系统稳定性分析和设计，等。线性时不变系统的综合：状态和输出反馈，极点配置、观测器设计，等第0章

引论不可观

可观不可控

可控

状态空间模型(

A、b、c、d)状态方程的解可控标准形对偶原理可观标准形状态反馈可任意配置极点分离定理可控性判据可控性分解可观性判据可观子系统可控标准形实现可观性分解可观标准形实现n 维状态观测器