现代控制理论-1-绪论

1、现代控制理论Modern Control Theory绪 论,教材：刘豹、唐万生主编，现代控制理论(第三版)，机械工业出版社，2006 参考资料： 张嗣瀛、高立群，现代控制理论，清华大学出版社,2006 俞立主编，现代控制理论，清华大学出版社，2007 袁德成等主编现代控制理论，清华大学出版社，2007 曲延滨、王新生主编，现代控制理论基础，哈尔滨工业大学出版社，2005 课时：32 考查方式：考试70% + 考勤10% + 作业20%,第2章 控制系统状态空间描述,第3章 状态方程的解,第4章 线性系统的能控性和能观测性,第6章 状态反馈和状态观测器,第1章 绪论,第5章 控制系统的李雅普诺

2、夫稳定性分析,第1章 绪 论,引言 1.1 控制理论的发展历程 1.2 控制理论的分析比较 1.3 现代控制理论的特点 1.4 现代控制理论的基本内容 1.5 本课程的主要内容,面对未知及不断变化的世界，人类发明了无数理论和工具，控制论就是其中之一。 控制论是一种思想、一种方法、一种工具、一门学科。 人类在20世纪所取得的巨大技术成就，控制科学与技术的作用非常显著。,引言,钱学森曾经从生产力，特别是技术革命的进程分析了控制论的产生和发展。 他强调： “我们可以毫不含糊地说，从科学理论的角度来看，20世纪上半叶的三大伟绩是相对论、量子论和控制论，也许可以称它们为三项科学革命，是人类认识客观世界的

3、三大飞跃。”,引言,引言,随着社会的发展和科学的进步，控制的必要性体现在方方面面： 飞机的自动驾驶系统、宇宙飞船系统和导弹制导系统； 数控机床，工业过程中流量、压力、温度的控制； 机器人控制、城市交通控制、网络拥塞控制； 生物系统、生物医学系统、社会经济系统。,1、问题的提出 改进动态系统的性能以达到所需要的目标 两大永恒主题： 反馈：在不确定性存在的条件下达到性能目标。用系统输出与期望之间的误差构成新的输入，搭建包含原动态系统在内的新的动态闭环系统。（稳定性和动态特性） 最优控制：寻找一个控制使得一段时间内系统所需性能与实际性能之间的差异指标最小。（观测器与控制器）,1.1 控制理论的发展历

4、程,2、解决的方法1-经典控制理论（1935-1950） 传递函数模型 美国贝尔实验室的H. Bode（1938）以及Nyquist （1940）提出了频率响应法 1948年，美国伊万斯W.R.Evans提出了根轨迹法 美国MIT的维纳N. Wiener提出Wiener滤波理论（1942）， 发表了Cybernetics 控制学科诞生,经典控制理论（1935-1950） 存在的问题 1、简单对象 单输入单输出、线性、时不变系统 2、缺乏系统化方法 图形化方法，依赖于设计人员的经验 3、达到的性能要求较低，不能处理多目标性能。 面临的挑战 对象日益复杂化、控制性能要求不断提高。,3、解决的方法2

5、-现代控制理论 1954年，我国科学家钱学森发表工程控制论Engineering Cybernetics奠定了工程控制论的基础，极大推动了自动化科学技术的发展 1956年，前苏联的庞德里亚金发表了最优过程的数学理论，提出了极大值原理（Maximum Principle） 1957年，美国贝尔曼发表了动态规划理论在控制过程中的应用，建立了最优控制的理论基础 1960年，美籍匈牙利人卡尔曼发表了“On the General Theory of Control Systems”，引入状态空间法分析系统，提出了能控性、能观性、卡尔曼滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础,1.1 控制理论的发展历程,经

6、典控制理论 现代控制理论 新发展大系统理论 智能控制,1.1 控制理论的发展历程,1.1.1 经典控制理论 自动控制思想及其实践历史悠久，可以追溯到久远 的古代： 如公元前300年-200年在古希腊出现的水钟； 公元前14-11世纪中国、埃及和巴比伦的自动滴漏 计时器； 古罗马简单的水位调节装置等。 但，仅是自控系统的萌芽。,1788年，英国瓦特（J.Watt）利用负反馈原理设计的用来控制蒸汽机转速的离心调速器，亦称飞球调速器/控制器-第一个自动控制系统，首次应用于工业，拉开了控制理论发展的序幕。,1868年，英国麦克斯韦（J.C.Maxwell）发表了论调速器，指出微分方程特征根的位置（在左

7、半面或右半面）跟稳定有关，开辟用数学方法研究控制系统中运动现象的途径。,1.1 控制理论的发展历程,1.1.1 经典控制理论,1875年和1895年，英国劳斯Routh和德国赫尔维茨Hurwitz先后提出了判别系统稳定性的代数方法（Routh-Hurwitz稳定判据 ），奠定了经典控制论中时域法的基础。 1892年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。 1932年，美国奈奎斯特Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则，奠定了频域法的基础。,1.1 控制理论的发展历程,1.1.1 经典控制理论,1945年，美国伯德Bode在网络分析和反馈放大器设

8、计中提出频率响应法Bode图。 1948年，美国伊万斯(W. E. Evans)提出了复数域内研究系统的根轨迹法。,1948年，美国维纳（Wiener）在控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。 标志控制学科正式诞生。,控制论Cybernetics ：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律的学科。,1954年，钱学森的工程控制论在美国出版。 奠定了工程控制论的基础,1.1.1 经典控制理论,我国自动控制界的先驱式人物、中国导弹之父、工程控制论作者-钱学森 “钱学森无论走到哪里，都抵得上5个师的兵力，我宁可把他击毙在美国也不能让他离开。”-美国

9、海军高级将领金布尔 1934年上海交通大学毕业，次年留学美国 1938年在美国从事空气动力学研究 1939年加州理工学院获得航空、数学博士学位，曾任加州理工学院副教授，麻省理工学院教授，加州理工学院喷气推进中心主任、教授。 40年代末加州理工学院给研究生讲课 1955年一家乘克莱弗兰总统号回国 1964年我国第一颗原子弹爆炸成功 1967年我国第一颗氢弹爆炸成功 1970年我国第一颗人造卫星东方红一号上天 1989年获“小罗克韦尔奖章”（1982创立-1/16） 2009年10月31日在北京逝世,1956年，美国贝尔曼R.Bellman发表动态规划理论在控制过程中的应用，建立了最优控制的理论基

10、础。 1956/1958年，前苏联的庞德里亚金发表了最优过程的数学理论，提出了极大值原理（Maximum Principle）。 1960年，美籍匈牙利人卡尔曼R.E.Kalman 发表了“On the General Theory of Control Systems”，引入状态空间法分析系统，提 出了能控性、能观性、卡尔曼滤波等概念， 奠定了现代控制理论的基础。,1.1.2 现代控制理论,1957年成立了国际自动控制联合会（IFAC：International Federation of Automatic Control）。,60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波

11、为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，标志着现代控制理论的形成。,1.1.2 现代控制理论,70年代中期，自动化的应用开始面向大规模、复杂的系统，如大型电力系统、交通运输系统、国民经济系统等，运用现代控制理论方法已不能取得应有的成效，于是出现了： 大系统理论 是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，如生产过程、交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统。,1.1.3 现代控制理论的发展,研究对象：着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题。 研究方法：时域法为主 重点：大系统多级递阶控制 核心装置：网络化的电子计算机,近年来成为控制理论界研

12、究的热点，如鲁棒控制、非线性控制、自适应控制、预测控制等一直长盛不衰。,从控制论的观点看，人是最巧妙，最灵活的控制系统。 70年代始，人们开始尝试解决模拟人脑功能，形成了新的学 科，人工智能科学AI( Artificial Intelligence)，应用于控制系 统后智能控制（Intelligent Control）：具有某些仿人智 能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人。 信息技术以及计算机技术的发展为智能控制的发展提供了坚实的基础。,主要内容： 模糊控制 神经网络控制 专家控制、遗传算法,1.1.3 现代控制理论的发展,1.1.4 控制理论发展趋势,企业：资源共享、因特网、信息集成 信

13、息技术+控制技术 集成控制技术 网络控制技术 计算机集成制造CIMS：（工厂自动化） Computer Integrated Manufacturing System 应用：生物控制、经济控制、社会控制等,控制论：1948年 美国数学家维纳控制论 19401950 经典控制理论 单机自动化 19601970 现代控制理论 机组自动化 19701980 大系统理论 控制管理综合 19801990 智能控制理论 智能自动化 199021c 集成控制理论 网络控制自动化,控制理论的发展历程小结,1.2.1 经典控制理论 1、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

14、。 2、主要研究对象：单机自动化，SISO线性定常系统 3、主要数学工具：常微分方程、拉氏变换 4、主要研究方法：根轨迹法、频域法和传递函数 5、主要研究问题：控制系统的快速性、稳定性及其精度,1.2 控制理论的分析比较,6、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 难以描述系统内部的结构及其状态变量，无法揭示系统更深刻的特性。,1.2.1 经典控制理论,1.2.2 现代控制理论,1、形成和发展 在20世纪50-60年代形成 上世纪60年代末至80年代迅速发展 大系统 智能系统,2、主要研究对象：机组自动化，MIMO线性、非线 性、定常与时变系统

15、 3、主要数学工具：一次微分方程组、矩阵论、线性 代数 4、主要研究方法：状态空间法（时域方法）,5、取得的成就 1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星； 1961年前苏联载人航天（东方一号，加加林）； 1962年美国制造出第一台工业机器人； 1966年前苏联首次月球软着陆（月球9号）； 1969年美国阿波罗登月。,1.2.2 现代控制理论,导弹制导系统、宇宙飞船系统、卫星姿态控制系统、机器人控制、飞机自动驾驶系统,数控机床 工业过程控制，温度、气压、流速等,城市交通控制、Internet网络拥堵控制； 生物系统、环境系统、社会经济系统,研究对象是多变量系统； （经典理论主要以单输入单输出系

16、统为研究对象） -具有大得多的适用范围。 除输入、输出特性外，还着重研究系统内部状态-“白箱子” （经典理论只考虑系统的外部性能-“黑箱子”） - 所考虑的问题更为全面和深刻。,1.3 现代控制理论的特点, 分析方法以时域法为主，兼用频域法； （经典理论主要采用频域法） -能充分利用这两种方法，而时域法对动态描述要更为直观。 使用更多的数学工具。 除经典理论中使用的拉氏变换外，还大量使用线性代数、矩阵理论和微分方程理论等。 -能探讨更一般更复杂的问题。,1.3 现代控制理论的特点,科学在发展，控制论也在不断发展。实际上，一般讲的现代控制理论指的是五六十年代所产生的一些控制理论。 1、线性系统理

17、论现代控制理论的基础 主要研究线性系统在输入作用下状态运动的规律，建立和揭示系统结构、参数和性能之间的关系。,主要包括：线性系统状态空间表达式- 数学模型 能控性和能观性核心内容 状态反馈和状态观测器设计理论应用 李雅普诺夫稳定性理论-稳定性分析,1.4 现代控制理论的基本内容,2、最优控制（Optimal Control ） 在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。 主要方法： 变分法、极大值原理、动态规划等 极大值原理 最优控制的核心 即：使系统的性能指标达到最优（最小或最大）某一性能指标最优， 如时间最短或燃料消耗最小等。,1.4 现代控制理论的基本内容,3、自适应

18、控制（Adaptive Control ） 在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。 a. 模型参考自适应控制 （Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自适应控制 （Self-Turning Adaptive Control),1.4 现代控制理论的基本内容,4、建模及系统辨识（System Identification ） 建立系统动态模型的方法： 根据系统的输入输出的试验数据，确定一个与被研究系统本质特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。 （若只需确定参数，即结构已知，则称为参数估计

19、Parameter Estimation 。） 5、优滤波理论（最优估计） 当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其不确定性须应用概率和统计方法进行处理。 即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法获得有用信号的最优估计。 Kalman滤波器,1.4 现代控制理论的基本内容,现代控制理论-解决问题的基本步骤 系统建模(System Modeling) 基于物理规律建立数学模型 系统辨识(System Identification) 基于输入输出实测数据建立数学模型，估计模型的各类参数 信号处理(Signal Processing) 用滤波、预测、状态估计等方法处理输出 综合控制输入(Con