現(xiàn)代控制理論課程設(shè)計(jì)

1、控制理論:控制理論是講述系統(tǒng)控制科學(xué)中具有新觀念、新思想的理論研究 成果及其在各個(gè)領(lǐng)域中,特別是高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用研究成果,但是 在民用領(lǐng)域即實(shí)際生活中有很?chē)?yán)重的脫節(jié)?，F(xiàn)代控制理論:建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論，是自動(dòng)控制理論的一 個(gè)主要組成部分。在現(xiàn)代控制理論中,對(duì)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要 是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來(lái)進(jìn)行的，基本的方法是時(shí)間域方 法?，F(xiàn)代控制理論比經(jīng)典控制理論所能處理的控制問(wèn)題要廣泛得多， 包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)，單變量系統(tǒng)和多 變量系統(tǒng)。它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。發(fā)展過(guò)程:現(xiàn)代控制理論是在20世紀(jì)50年代中期迅速興起

2、的空間技術(shù)的 推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的?？臻g技術(shù)的發(fā)展迫切要求建立新的控制原理，以 解決諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確地發(fā)射 到預(yù)定軌道一類(lèi)的控制問(wèn)題。這類(lèi)控制問(wèn)題十分復(fù)雜，采用經(jīng)典控制 理論難以解決。1958年，蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)證.龐特里亞金提出了名為極大值原理的 綜合控制系統(tǒng)的新方法。在這之前，美國(guó)學(xué)者R貝爾曼于1954年創(chuàng) 立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并在1956年應(yīng)用于控制過(guò)程。他們的研究成果解決 了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜控制問(wèn)題，并開(kāi)拓了控制理論中最優(yōu)控制理 論這一新的領(lǐng)域。I960 1961年，美國(guó)學(xué)者RE卡爾曼和R.S.布什 建立了卡爾曼布什濾波理論，因而有可能有效地考慮控制問(wèn)題中所 存在

3、的隨機(jī)噪聲的影響，把控制理論的硏究范圍擴(kuò)大，包括了更為復(fù) 雜的控制問(wèn)題。幾乎在同一時(shí)期內(nèi)，貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間 法系統(tǒng)地引入控制理論中。狀態(tài)空間法對(duì)揭示和認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的許多 重要特性具有關(guān)鍵的作用。其中能控性和能觀測(cè)性尤為重要，成為控 制理論兩個(gè)最基本的概念。到60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大 值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng) 的新的原理和方法已經(jīng)確立，這標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。學(xué)科內(nèi)容：按照發(fā)展的過(guò)程，我彳門(mén)通常把自動(dòng)控制理論區(qū)分為經(jīng)典控制理論 和現(xiàn)代控制理論兩個(gè)部分。經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論的研究對(duì)象是單輸入單輸出的自動(dòng) 控制系統(tǒng),特別是線性定常系統(tǒng)。

4、經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)是以輸入輸出 特性為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)代控制理論所包含的學(xué)科內(nèi)容十分廣泛，主要的方面有:線性 系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論、隨機(jī)控制理論和適應(yīng)控 制理論。線性系統(tǒng)理論：它是現(xiàn)代控制理論中最為基本和比較成熟的一個(gè) 分支,著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測(cè)問(wèn)題，其基本的分析 和綜合方法是狀態(tài)空間法。按所采用的數(shù)學(xué)工具，線性系統(tǒng)理論通常 分成為三個(gè)學(xué)派 基于幾何概念和方法的幾何理論，代表人物是W.M. 旺納姆;基于抽象代數(shù)方法的代數(shù)理論，代表人物是RE卡爾曼；基 于復(fù)變量方法的頻域理論，代表人物是H.H.羅森布羅克。非線性系統(tǒng)理論：非線性系統(tǒng)的分析和綜合理論尚不完善。硏

5、究 領(lǐng)域主要還限于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、雙線性系統(tǒng)的控制和觀測(cè)問(wèn)題、 非線性反饋問(wèn)題等。更一般的非線性系統(tǒng)理論還有待建立。從70年 代中期以來(lái),由微分幾何理論得出的某些方法對(duì)分析某些類(lèi)型的非線 性系統(tǒng)提供了有力的理論工具。最優(yōu)控制理論:最優(yōu)控制理論是設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)， 主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律及其綜合 方法。在最優(yōu)控制理論中，用于綜合最優(yōu)控制系統(tǒng)的主要方法有極大 值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。最優(yōu)控制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大，諸如大 系統(tǒng)的最優(yōu)控制、分布參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制等。隨機(jī)控制理論：隨機(jī)控制理論的目標(biāo)是解決隨機(jī)控制系統(tǒng)的分析 和綜合問(wèn)題。維納濾波理論和卡爾曼布什濾波

6、理論是隨機(jī)控制理論 的基礎(chǔ)之_。隨機(jī)控制理論的_個(gè)主要組成部分是隨機(jī)最優(yōu)控制，這 類(lèi)隨機(jī)控制問(wèn)題的求解有賴于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的概念和方法。適應(yīng)控制理論：適應(yīng)控制系統(tǒng)是在模仿生物適應(yīng)能力的思想基礎(chǔ) 上建立的一類(lèi)可自動(dòng)調(diào)整本身特性的控制系統(tǒng)。適應(yīng)控制系統(tǒng)的硏究 ?？蓺w結(jié)為如下的三個(gè)基本問(wèn)題：識(shí)別受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性;在 識(shí)別對(duì)象的基礎(chǔ)上選擇決策;在決策的基礎(chǔ)上做出反應(yīng)或動(dòng)作。智能系統(tǒng):智能控制是人工智能和自動(dòng)控制的結(jié)合物，是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù) 就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器，實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制。智能控制的注 意力并不放在對(duì)數(shù)學(xué)公式的表達(dá)、計(jì)算和處理上，而放在對(duì)任務(wù)和模 型的描述，符號(hào)和環(huán)境的識(shí)別以及知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上。智 能控制用于生產(chǎn)過(guò)程，讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿專(zhuān)家或熟練操作人員的經(jīng) 驗(yàn)，建立起以知識(shí)為基礎(chǔ)的廣義模型，采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程 序設(shè)計(jì)、知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策等智能化技術(shù),對(duì)外界環(huán)境 和系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行理解、判斷、預(yù)測(cè)和規(guī)劃，使被控對(duì)象按一定要求達(dá) 到預(yù)定的目的。智能控制的理論基礎(chǔ)是人工智能,控制論，運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)學(xué)等學(xué)科 的交叉，它的主要特點(diǎn)是：同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的 混合控制過(guò)程;智能控制的核匕'在高層控制，即組織級(jí)，它的主要任務(wù)在于對(duì) 實(shí)際環(huán)境或過(guò)程進(jìn)行組織;系統(tǒng)獲取的信息不僅是數(shù)