控制理論lesson1緒論

1、現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)緒論 1.1.自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的自動控制是一門不斷發(fā)展的、綜合性的技術(shù)科學(xué)技術(shù)科學(xué); ; 2.2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系; ; 3.3.在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中發(fā)展自動在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中發(fā)展自動控制。控制。 1.1 1.1 從簡單設(shè)備、單性能要求的控制到復(fù)雜的、從簡單設(shè)備、單性能要求的控制到復(fù)雜的、多目標(biāo)高性能控制。多目標(biāo)高性能控制。 例如：從一臺機器、一個溫箱到機器人控制、例如：從一臺機器、一個溫箱到機器人控制、大型工業(yè)過程控制、電網(wǎng)控制、特別是復(fù)雜航天器大型工業(yè)過程控制、電網(wǎng)控制、特別是復(fù)雜

2、航天器姿軌控制、載人飛船返回再入控制和登月控制。姿軌控制、載人飛船返回再入控制和登月控制。 1.2 1.2 控制領(lǐng)域不斷擴大控制領(lǐng)域不斷擴大 從工業(yè)控制已進(jìn)入到生物控制、醫(yī)學(xué)、環(huán)境從工業(yè)控制已進(jìn)入到生物控制、醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、社會、經(jīng)濟、人口控制等各個領(lǐng)域。控制、社會、經(jīng)濟、人口控制等各個領(lǐng)域。 1.3 1.3 控制理論的發(fā)展階段控制理論的發(fā)展階段 控制理論一般分為控制理論一般分為經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論和和現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制理論理論兩大部分。兩大部分。 （1） 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論(古典控制理論古典控制理論),也稱為自動自動控制理論控制理論。 1932年奈奎斯特（奈

3、奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。 1948年伊文斯（伊文斯（W.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊文斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。自動控制理論）。 從二十世紀(jì)四十年代到五十年代末，經(jīng)典從二十世紀(jì)四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、

4、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。化控制技術(shù)。經(jīng)典控制理論的特點：經(jīng)典控制理論的特點：1 1）把系統(tǒng)當(dāng)作）把系統(tǒng)當(dāng)作 “ “黑箱黑箱”，不反映黑箱內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)，不反映黑箱內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系；部變量，只反映外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系；2 2）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，不完全描述；不完全描述；3 3）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)之上的

5、；之上的；4 4）局限性：）局限性： 局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時變系統(tǒng)局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時變系統(tǒng), , 是分析方法而不是最佳的綜合方法，以試湊法為主，滿足性能指是分析方法而不是最佳的綜合方法，以試湊法為主，滿足性能指標(biāo)為目的，無法設(shè)計出最優(yōu)的系統(tǒng)，僅針對某個性能指標(biāo)，設(shè)計標(biāo)為目的，無法設(shè)計出最優(yōu)的系統(tǒng)，僅針對某個性能指標(biāo)，設(shè)計方案多樣。方案多樣。 局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（SISOSISO系統(tǒng)）系統(tǒng)）, , 無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）, , 只能研究確定性的系統(tǒng)，不適合隨機系統(tǒng)只能研究確定性的

6、系統(tǒng)，不適合隨機系統(tǒng), ,（2）現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展）現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展 在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計算機的飛速在二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著計算機的飛速發(fā)展，推動了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而出發(fā)展，推動了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而出現(xiàn)了對多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)現(xiàn)了對多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題的解決需求。的分析與設(shè)計問題的解決需求。 越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已不能勝任，越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已不能勝任，于于50年代末年代末60年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，是建立年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，是建立在古典控制理論基礎(chǔ)上的新一

7、代的控制理論。在古典控制理論基礎(chǔ)上的新一代的控制理論。既適合線性定常系統(tǒng)，也適合非線性及時變系統(tǒng)既適合線性定常系統(tǒng)，也適合非線性及時變系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點（相對于經(jīng)典控制）：（相對于經(jīng)典控制）：分析綜合方法，可實現(xiàn)最優(yōu)控制分析綜合方法，可實現(xiàn)最優(yōu)控制考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初始條件考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初始條件和輸入來刻劃和輸入來刻劃既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機系統(tǒng)既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機系統(tǒng)既適合既適合SISOSISO系統(tǒng)，也適合系統(tǒng)，也適合MIMO(MIMO(多輸入多輸多輸入多輸 出出) )系統(tǒng)系統(tǒng)（3）現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異）現(xiàn)代控制理

8、論與經(jīng)典控制理論的差異 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 研究對象研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO): 高階微分方程 多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO) : 一階微分方程 研究方法研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述) 狀態(tài)空間法(內(nèi)部描述) 研究工具研究工具拉普拉斯變換 線性代數(shù)，矩陣?yán)碚摲治龇椒ǚ治龇椒l域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法 復(fù)域、實域，可控和可觀測 設(shè)計方法設(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò) 狀態(tài)反饋和輸出反饋 其其 他他 頻率法的物理意義直觀、實用，但難于實現(xiàn)最優(yōu)控制 易于實現(xiàn)實時控制和最優(yōu)控制 （4）現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用）現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 比起經(jīng)典控制理論比起經(jīng)典控制理論,

9、 現(xiàn)代控制理論考慮問題更全現(xiàn)代控制理論考慮問題更全面、更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在考慮系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合面、更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在考慮系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合,系統(tǒng)外部的干擾，并符合從簡單到復(fù)雜的規(guī)律?，F(xiàn)系統(tǒng)外部的干擾，并符合從簡單到復(fù)雜的規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域。防建設(shè)的各個領(lǐng)域。涉及到的學(xué)科涉及到的學(xué)科 物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機、人工智能、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機、人工智能、信息論、生命科學(xué)以及社會科學(xué)等。信息論、生命科學(xué)以及社會科學(xué)等。 2.2.自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系自動控制研究的內(nèi)容及各部分的關(guān)系自動控制的研

10、究內(nèi)容大體可分為三大類自動控制的研究內(nèi)容大體可分為三大類2.1 2.1 理論研究理論研究1 1）基礎(chǔ)理論：反饋理論、微分方程。）基礎(chǔ)理論：反饋理論、微分方程。2 2）應(yīng)用基礎(chǔ)理論：能控能觀、李亞普諾夫穩(wěn)定性。）應(yīng)用基礎(chǔ)理論：能控能觀、李亞普諾夫穩(wěn)定性。各個領(lǐng)域的控制理論以及各種控制用數(shù)學(xué)工具，如各個領(lǐng)域的控制理論以及各種控制用數(shù)學(xué)工具，如拉氏變換、黎卡迪方程。拉氏變換、黎卡迪方程。2.2 2.2 技術(shù)實現(xiàn)技術(shù)實現(xiàn)1 1）控制方法）控制方法 如：如：PIDPID控制、二次型最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以控制、二次型最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及目前出現(xiàn)的各種智能控制方法（模糊控制、專家及目前出現(xiàn)的各種智能控制

11、方法（模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）。系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）。2 2）系統(tǒng)實現(xiàn)）系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)方案設(shè)計包括：建模、性能指標(biāo)、控制律設(shè)計。系統(tǒng)方案設(shè)計包括：建模、性能指標(biāo)、控制律設(shè)計。系統(tǒng)組成包括：系統(tǒng)軟硬件配置設(shè)計、各種配套的敏系統(tǒng)組成包括：系統(tǒng)軟硬件配置設(shè)計、各種配套的敏感器和執(zhí)行器的研制與選擇。感器和執(zhí)行器的研制與選擇。3 3）各種運行故障處理）各種運行故障處理2.3 2.3 工程應(yīng)用工程應(yīng)用 針對各種具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、加工、針對各種具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、加工、軟件編制、調(diào)試、測試等，最終實現(xiàn)控制目標(biāo)以軟件編制、調(diào)試、測試等，最終實現(xiàn)控制目標(biāo)以及運行過程中的維護(hù)、維修。及運行過程中的維

12、護(hù)、維修。 自動控制之所以能在生產(chǎn)實際、科學(xué)研究和國自動控制之所以能在生產(chǎn)實際、科學(xué)研究和國防建設(shè)中起作用，需要上述各部分有機的、統(tǒng)一防建設(shè)中起作用，需要上述各部分有機的、統(tǒng)一的工作。的工作。 各部分的發(fā)展有互相推動的作用，從自動控制各部分的發(fā)展有互相推動的作用，從自動控制發(fā)展的歷史中可以看出，應(yīng)用推動技術(shù)，技術(shù)推發(fā)展的歷史中可以看出，應(yīng)用推動技術(shù)，技術(shù)推動理論，理論又反過來促使技術(shù)的發(fā)展和指導(dǎo)實動理論，理論又反過來促使技術(shù)的發(fā)展和指導(dǎo)實際應(yīng)用。際應(yīng)用。3. 3. 在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中發(fā)展自動在實際工程應(yīng)用和科學(xué)研究中發(fā)展自動控制控制3.1 3.1 自動控制發(fā)展的兩條途徑自動控制發(fā)展的兩

13、條途徑 1 1）應(yīng)用）應(yīng)用技術(shù)技術(shù)理論理論應(yīng)用應(yīng)用 2 2）理論）理論技術(shù)技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用 控制理論形成：控制理論形成： 把自動控制中的普遍規(guī)律抽象出來；把自動控制中的普遍規(guī)律抽象出來； 其它科學(xué)的發(fā)展如數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等。其它科學(xué)的發(fā)展如數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等。3.2 3.2 從控制理論形成的歷史看自動控制的發(fā)展從控制理論形成的歷史看自動控制的發(fā)展早在兩千年前，我國就發(fā)明了開環(huán)自動調(diào)節(jié)早在兩千年前，我國就發(fā)明了開環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)指南針，北宋（公元指南針，北宋（公元1086-10891086-1089年）我國年）我國又發(fā)明了閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)又發(fā)明了閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)水運儀象臺。水運儀象臺。 大約經(jīng)

14、過七百年以后，在英國和俄國等國家，大約經(jīng)過七百年以后，在英國和俄國等國家，開始將自動控制技術(shù)應(yīng)用到近代工業(yè)中。開始將自動控制技術(shù)應(yīng)用到近代工業(yè)中。17881788年瓦特發(fā)明蒸汽機的離心調(diào)速器。年瓦特發(fā)明蒸汽機的離心調(diào)速器。18681868年麥克斯韋爾研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，年麥克斯韋爾研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，控制理論最早的論文控制理論最早的論文“論調(diào)節(jié)器論調(diào)節(jié)器”。18921892年俄國年俄國LyapunovLyapunov的博士論文的博士論文“論運動穩(wěn)定性的論運動穩(wěn)定性的一般問題一般問題”，提出了，提出了LyapunovLyapunov的穩(wěn)定理論的穩(wěn)定理論. .此后隨著近代工業(yè)技術(shù)的

15、發(fā)展，自動控制技術(shù)也此后隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自動控制技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 20 20世紀(jì)世紀(jì)50-6050-60年代，人類開始征服太空，年代，人類開始征服太空，19571957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星，19691969年美國阿年美國阿波羅載人飛船成功登上月球。在這些舉世矚目的波羅載人飛船成功登上月球。在這些舉世矚目的成功中，自動控制起著不可磨滅的作用。產(chǎn)生了成功中，自動控制起著不可磨滅的作用。產(chǎn)生了“現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論”（動態(tài)規(guī)劃、極大值原理、狀（動態(tài)規(guī)劃、極大值原理、狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制理論）。態(tài)空間法、最優(yōu)控制理論）

16、。3.3 3.3 需求與推動需求與推動3.3.1 3.3.1 重大工程的需求：重大工程的需求： 衛(wèi)星、載人航天、深空探測衛(wèi)星、載人航天、深空探測3.3.2 3.3.2 科學(xué)發(fā)展的需求：科學(xué)發(fā)展的需求： 生命科學(xué)、機器人生命科學(xué)、機器人3.3.3 3.3.3 前沿課題的推動：前沿課題的推動： 控制理論發(fā)展中的一些問題。例如：非線性控制理論發(fā)展中的一些問題。例如：非線性時變不確定系統(tǒng)、智能控制的理論問題。時變不確定系統(tǒng)、智能控制的理論問題。3.4 3.4 智能控制是自動控制發(fā)展的第三個里程碑智能控制是自動控制發(fā)展的第三個里程碑 復(fù)雜工程系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等需求。復(fù)雜工程系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等需求。原有控制理論進(jìn)一步發(fā)展的需求。原有控制理論進(jìn)一步發(fā)展的需求。其他科學(xué)發(fā)展的推動。其他科學(xué)發(fā)