现代控制理论 课件 第一章绪论

第一章绪论主讲：伍锡如现代控制理论以状态空间法为基础，研究多输入--多输出时变、非线性、高精度、高效能控制系统的分析与设计问题（线性系统、自适应控制、最优控制、鲁棒控制、最佳估计、容错控制、系统辨识、集散控制、大系统复杂系统）智能控制：专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法第一章目录CONTENTS12341.1.控制理论的性质1.2.自动控制理论的发展1.3.控制理论的应用1.4.控制理论未来发展的方向51.5.控制动态系统的基本步骤1.1控制理论的性质(1)反馈控制——闭环控制反馈是指将系统的输出信息（即反馈信号）回馈到系统的输入中。它分为正反馈和负反馈。正反馈会导致系统变得不稳定。负反馈则调节并修正系统，使其稳定并达到期望的输出。反馈控制也被称为闭环控制。前/正向通道反/负向通道

1.自动控制领域存在两个不同但又相互联系的主题1.1控制理论的性质

（2）最优控制

最优化控制旨在通过最小化或最大化某个性能指标来优化控制系统的性能。在工业生产过程中，最优化控制可以帮助优化生产效率和改善产品质量，如下图锅炉燃烧优化控制系统。

2.控制理论包含的性质：可控性；观测性；稳定性；性能指标；控制器设计；优化控制等。1.2自动控制理论的发展1.2.11.2.3经典控制理论阶段大系统理论和智能控制理论阶段1.2.2现代控制理论阶段1.2.1经典控制理论阶段该阶段的特点是使用微积分和传统数学来建立控制系统的数学模型，并通过分析这些模型的性质来设计控制器。PID控制器如下图，它包含比例、积分和导数部分，广泛应用于控制系统中。然而，经典控制是基于模型参数不变的假设，且无法有效处理多个输入和输出的系统。在时变和多变量等复杂系统中，经典控制理论难以提供有效的解决方案。1.2.1经典控制理论阶段1.2.2现代控制理论阶段1.2.2现代控制理论阶段现代控制理论研究的对象扩展为多输入多输出的、非线性的、时变的、离散的系统。其目标是在揭示其内在规律的基础上，实现系统在某种意义上的最优化，同时使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式。下图为GNSS授时接收机LQG时钟控制器。现代控制理论需要进一步创新，如使用机器学习和深度学习，以适应实际应用中的变化和不确定性。同时，我们也需要将其与实践相结合，以实现更好的控制效果。1.2.3大系统理论和智能控制理论阶段1.2.3大系统理论和智能控制理论阶段

一个大系统通常由许多相互作用的子系统组成，每个子系统都有特定的特征和动态行为，子系统之间也存在着相互作用和影响。在大系统理论中，研究如何对这些相互作用和影响进行分析和建模，并从中提取有用的信息以便更好地理解和控制系统行为。

智能控制是一种基于人工智能的控制方法，以提高控制系统性能和适应性。与传统控制不同，智能控制能自适应调整控制策略，适应被控系统的变化和不确定性。如模糊控制、神经网络等。人工智能的发展为控制理论带来了智能化、自适应、学习等新的概念和思想，促进了控制理论和实践的不断创新。1.3控制理论的应用制造业提高生产效率、降低成本、改善产品质量和可靠性交通领域优化交通流，提高交通效率，缓解交通拥堵和提高安全性1.3控制理论的应用飞行控制控制系统全时间工作以镇定飞机，并支持驾驶系统发出的各种指令精度控制通过反馈控制算法,实时调整镜面形状，以补偿大气扰动或其他因素引起的光学误差。夏威夷Keck望远镜1.3控制理论的应用ASIMO机器人SpotMini机器人Xspace火箭回收DJI无人机MI平衡车UBER自动驾驶汽车1.3控制理论的应用(1)建筑

建筑工程界现在流行对结构进行主动控制，世界上几座最高建筑物的设计中采用了主动阻尼系统。在建筑工程中，地震是一种非常严重的自然灾害，特别是对于高层建筑而言。当地震发生时，高层建筑会发生剧烈的振动，这可能会导致建筑物的结构破坏。主动阻尼系统是一种能够减少建筑物震动的控制系统。除了主动阻尼系统，建筑工程领域还应用了其他的主动控制技术，如基于光纤传感器的结构健康监测技术、基于先进材料的自适应结构控制技术等。这些技术的应用使得建筑物具备了更好的抗震性能和更高的安全性。

控制理论的主要应用领域1.3控制理论的应用

现代控制理论研究的对象扩展为多输入多输出的、非线性的、时变的、离散工业应用自动控制的范围广泛。自动化控制系统被广泛应用于各种行业，如汽车制造、电子制造、航空航天、石油化工、制药、食品加工等。控制概念得到主要应用的一个领域是石油化工生产过程。较常见的系统有精馏塔自动控制系统等。精馏塔自动控制系统(2)工业1.3控制理论的应用

钢铁行业中，热轧厂是最早成功采用计算机控制的工厂。高产量、高质量的生产要求，使它们早在1961年就采用计算机自动化。

在除了热轧厂，钢铁行业中的其他工厂，如炼钢厂和炼铸厂也广泛采用计算机控制技术，实现自动化生产。这些技术不仅提高了生产效率和产品质量，还降低了人工成本和安全事故发生率。随着新型计算机技术的发展，钢铁行业的自动化控制技术将会更加智能化和高效化，实现更加精细化的生产控制。(3)钢铁行业1.4控制理论未来发展的方向随着科技的不断进步，人们对控制系统的需求逐渐提高。在未来，控制理论可能会朝三个方向发展(1)智能化(2)网络化、微型化(3)综合化1智能化控制理论3综合化控制理论2网络化、微型化控制理论1.4控制理论未来发展的方向

（1）向智能化控制理论发展

控制理论水平的发展是现代化生产不断推进的动力和基础力量。随着科技不断进步，人们对控制系统的需求越来越高，要求控制系统具有智能化、自适应性和优化性。因此，控制理论正向着智能化的方向发展。

目前许多生产领域都采用了智能化控制技术应用于生产系统中，例如智能交通、智能制造、智能建筑等领域。智能化控制技术的水平和应用程度关系到企业现代化生产自动化水平及程度的高低。

控制理论未来发展的三个方向1.4控制理论未来发展的方向

（2）向网络化、微型化控制理论发展

自动控制技术为工业生产所需的各种机械设备，提供了可靠性及性能都非常高的控制设备。在科学技术快速发展的今天，计算机、通信、传感器技术的飞速发展，网络化、微型化控制理论也逐渐成为发展方向。

网络化及微型化是将来自动控制技术发展的趋势。自动控制技术未来发展的方向离不开网络化，网络技术在现代化生产中具有重要的作用。微型化控制理论采用微型化的控制器和传感器实现对微小信号的采集和控制，具有高精度、低功耗、小体积等优点。

1.4控制理论未来发展的方向

（3）向综合化控制理论发展

随着各种自动化设备和系统的广泛应用，综合化控制理论也逐渐成为了控制领域的一个重要分支。综合化控制理论将传统的控制理论与信息技术、人工智能等多种技术相结合，旨在实现系统的综合化控制和管理。

在现代化自动控制技术领域中已经建立模糊控制、智能控制及专家系统等控制技术的发展方向，这些技术的优点和缺点互补，可以协同工作，从而达到更加精确和高效的控制效果。这些方向自动控制技术的主要特点就是综合性。

1.5控制动态系统的基本步骤建模系统辨识信号处理基本步骤建模是将物理规律通过数学方法表达出来系统辨识是通过分析输入输出数据，确定系统的参数和特性信号处理是为了去除噪声、提高信噪比、滤波和预测等综合控制是为了根据控制系统的需求，采用各种控制规律对输入信号进行综合123控制的综合41.5控制动态系统的基本步骤

（1）建模

为一个系统选择一个恰当的数学模型是控制工程中最关键的一步。对于复杂系统，选择一个合适的数学模型极具挑战性，尤其当系统本身具有模糊性时。实践经验表明，复杂系统往往可以在高度简化的模型基础上实现有效控制，即便模型不完全明确，仍可以通过反馈控制实现良好的系统性能。

控制工程中的模型问题与物理学中的模型问题截然不同。在控制理论中，关键在于找到一个具有数学精炼性和健壮性的模型，该模型可以基于有效数据，通过系统辨识方法构建。

控制动态系统的四个基本步骤1.5控制动态系统的基本步骤

系统辨识可以定义为用在一个动态系统上观察到的输入与输出数据来确定它的模型的过程。系统辨识主要是从输入输出数据出发，建立动态数学模型，包括模型的结构和参数，以便于后续的控制设计。

进行系统辨识常需作下列实验，发生输入信号和记录输出信号。如图所示为系统辨识的基本思想。(2)系统辨识1.5控制动态系统的基本步骤

信号处理是控制理论外面的独立的一门学科，但这两学科之间有许多重叠之处。在控制系统中，信号处理是将传感器或测量设备所得到的原始数据转化为可以用于控制的形式的过程。信号处理的主要目的是提高测量数据的质量和准确性，以便于更好地用于控制系统中。

滤波是信号处理中的基本操作，它通过去除或减弱原始信号中的噪声、干扰或不必要的成分，从而提取出有用的信号成分。平滑是一种特殊的滤波方法，其目的是去除信号中的高频噪声和不必要的细节，使得信号变得更加平滑。

（3）信号处理1.5控制动态系统的基本步骤

控制的综合是将建立好的数学模型和通过辨识获得的参数进行分析和处理，进而生成控制规律的过程。在这个过程中，信号处理起到了重要的作用，它可以对系统的输出进行滤波、预处理和状态估计等处理，使得输入的控制规律更加精确、有效。

此外，综合控制还需要考虑控制方法的选择，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等，以及这些控制方法的参数设计。最终，综合控制要根据实际情况进行调试和优化，以确保控制系统的可靠性和稳定性。

（4）控制的综合1.5控制动态系统的基本步骤

（4）控制的综合这些过程的复杂性导致了各种控制研究课题，主要有：鲁棒控制理论：研究控制系统在存在不确定性和扰动的情况下仍能保持稳定性和性能的控制方法和理论。健壮控制理论：研究能使