現(xiàn)代控制理論學習心得

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上現(xiàn)代控制理論學習心得一、綜述60年代產(chǎn)生的現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)變量概念為基礎，利用現(xiàn)代數(shù)學方法和計算機來分析、綜合復雜控制系統(tǒng)的新理論，適用于多輸入、多輸出，時變的或非線性系統(tǒng)。飛行器及其控制系統(tǒng)正是這樣的系統(tǒng)。應用現(xiàn)代控制理論對它進行分析、綜合能使飛行器控制系統(tǒng)的性能達到新的水平。從60年代“阿波羅”號飛船登月，70年代“阿波羅”號飛船與“聯(lián)盟”號飛船的對接，直到80年代航天飛機的成功飛行，都是與現(xiàn)代控制理論和計算機的應用分不開的。在控制精度方面，應用現(xiàn)代控制理論、計算機和新型元、部件，使洲際導彈的命中精度由幾十公里減小到百米左右?，F(xiàn)代控制理論的核心之一是最優(yōu)現(xiàn)代控

2、制理論。這種理論在60年代初開始獲得實際應用。這就改變了經(jīng)典現(xiàn)代控制理論以穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)為中心的設計方法，而是以系統(tǒng)在整個工作期間的性能作為一個整體來考慮，尋求最優(yōu)控制規(guī)律，從而可以大大改善系統(tǒng)的性能。最優(yōu)現(xiàn)代控制理論用于發(fā)動機燃料和轉(zhuǎn)速控制、軌跡修正最小時間控制、最優(yōu)航跡控制和自動著陸控制等方面都取得了明顯的成果?，F(xiàn)代控制理論的另一核心是最優(yōu)估計理論（卡爾曼濾波）。它為解決飛行器控制中的隨機干擾和隨機控制問題提供一種有力的數(shù)學工具?？柭鼮V波突破了維納濾波的局限性，適用于多輸入、多輸出線性系統(tǒng)，平穩(wěn)或非平穩(wěn)的隨機過程，在飛行器測軌-跟蹤、控制攔截和會合等方面得到廣泛應用。二、發(fā)展過程20世

3、紀50年代中期,科學技術(shù)及生產(chǎn)力的發(fā)展，特別是空間技術(shù)的發(fā)展，迫切要求解決更復雜的多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題(例如火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、低消耗控制,到達目標的控制時間最小等)。實踐的需求推動了現(xiàn)代控制理論的進步，同時，計算機技術(shù)的發(fā)展也從計算手段上為現(xiàn)代控制理論的發(fā)展提供了條件，適合于描述航天器的運動規(guī)律，又便于計算機求解的狀態(tài)空間模型成為主要的模型形式。俄國數(shù)學家李雅普諾夫1892年創(chuàng)立的穩(wěn)定性理論被引入到控制中。1956年,美國數(shù)學家貝爾曼(R. Bellman)提出了離散多階段決策的最優(yōu)性原理，創(chuàng)立了動態(tài)規(guī)劃。 之后，貝爾曼等人提出了狀態(tài)分析法；并于19

4、64年將離散多階段決策的動態(tài)規(guī)劃法解決了連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。美國數(shù)學家卡爾曼(R. Kalman)等人于1959年提出了著名的卡爾曼濾波器，1960年又在控制系統(tǒng)的研究中成功地應用了狀態(tài)空間法，提出系統(tǒng)的能控性和能觀測性問題。1956年，前蘇聯(lián)科學家龐特里亞金(L.S. Pontryagin)提出極大值原理，并于1961年證明并發(fā)表了極大值原理。極大值原理和動態(tài)規(guī)劃為解決最優(yōu)控制問題提供了理論工具。到1960年代初，一套以狀態(tài)方程作為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設計的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論應運而生。進入20世紀60年代，英國現(xiàn)代控制理論學

5、者羅森布洛克(H.H. Rosenbrock)、歐文斯(D.H. Owens)和麥克法輪(G.J. MacFarlane)研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典現(xiàn)代控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎。20世紀70年代瑞典現(xiàn)代控制理論學者奧斯特隆姆(K.J. Astrom)和法國現(xiàn)代控制理論學者朗道(L.D. Landau) 朗道在自適應現(xiàn)代控制理論和應用方面作出了貢獻。與此同時,關于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容?，F(xiàn)代控制理論主要利

6、用計算機作為系統(tǒng)建模分析、設計乃至控制的手段,適用于多變量、非線性、時變系統(tǒng)。 它在本質(zhì)上是一種“時域法”但并不是對經(jīng)典頻域法的從頻率域回到時間域的簡單再回歸，而是立足于新的分析方法，有著新的目標的新理論?，F(xiàn)代控制理論研究內(nèi)容非常廣泛,主要包括三個基本內(nèi)容：多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)現(xiàn)代控制理論以及最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論?，F(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的能控性、能觀測性、穩(wěn)定性以及許多復雜系統(tǒng)的控制問題。三、現(xiàn)代控制理論的學科內(nèi)容現(xiàn)代控制理論所包含的學科內(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)現(xiàn)代控制理論、隨機現(xiàn)代控制理論和適應現(xiàn)代控制理論。線性系統(tǒng)理論：它是現(xiàn)代控制理論中

7、最為基本和比較成熟的一個分支，著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測問題，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)學工具，線性系統(tǒng)理論通常分成為三個學派：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R.E.卡爾曼；基于復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。研究領域主要還限于系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性、雙線性系統(tǒng)的控制和觀測問題、非線性反饋問題等。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，由微分幾何理論得出的某些方法對分析某些類型的非線性系統(tǒng)提供了有力的理論工具。最優(yōu)現(xiàn)代控

8、制理論：最優(yōu)現(xiàn)代控制理論是設計最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標實現(xiàn)最優(yōu)時的控制規(guī)律及其綜合方法。在最優(yōu)現(xiàn)代控制理論中，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態(tài)規(guī)劃。最優(yōu)現(xiàn)代控制理論的研究范圍正在不斷擴大，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。隨機現(xiàn)代控制理論：隨機現(xiàn)代控制理論的目標是解決隨機控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。維納濾波理論和卡爾曼-布什濾波理論是隨機現(xiàn)代控制理論的基礎之一。隨機現(xiàn)代控制理論的一個主要組成部分是隨機最優(yōu)控制，這類隨機控制問題的求解有賴于動態(tài)規(guī)劃的概念和方法。適應現(xiàn)代控制理論：適應控制系統(tǒng)是在模仿生物適應能力的思想基礎上建立的一類可自動

9、調(diào)整本身特性的控制系統(tǒng)。適應控制系統(tǒng)的研究?？蓺w結(jié)為如下的三個基本問題：識別受控對象的動態(tài)特性；在識別對象的基礎上選擇決策；在決策的基礎上做出反應或動作。四、經(jīng)典現(xiàn)代控制理論的特點經(jīng)典現(xiàn)代控制理論以拉氏變換為數(shù)學工具，以單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)為主要的研究對象。將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到復數(shù)域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以此作為基礎在頻率域中對系統(tǒng)進行分析和設計，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。通常是采用反饋控制，構(gòu)成所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)典現(xiàn)代控制理論具有明顯的局限性，突出的是難以有效地應用于時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。當把這種理論推廣到更為復雜的系統(tǒng)時，經(jīng)典現(xiàn)代控制

10、理論就顯得無能為力了，這是因為它的以下幾個特點所決定。1經(jīng)典現(xiàn)代控制理論只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對最簡單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的；這就從本質(zhì)上忽略了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性，也不能處理輸入和輸出皆大于1的系統(tǒng)。實際上，大多數(shù)工程對象都是多輸入多輸出系統(tǒng)，盡管人們做了很多嘗試，但是，用經(jīng)典現(xiàn)代控制理論設計這類系統(tǒng)都沒有得到滿意的結(jié)果； 2經(jīng)典現(xiàn)代控制理論采用試探法設計系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗選用合適的、簡單的、工程上易于實現(xiàn)的控制器，然后對系統(tǒng)進行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。雖然這種設計方法具有實用等很多完整，從而促使現(xiàn)代控制理論的發(fā)展：對經(jīng)典理論的精確化、數(shù)學化及理論化。優(yōu)點，但是，在推理上卻是不能

11、令人滿意的，效果也不是最佳的。綜上所述，經(jīng)典現(xiàn)代控制理論的最主要的特點是：線性定常對象，單輸入單輸出，完成指定任務。五、現(xiàn)代控制理論的目的、特點及方法經(jīng)典現(xiàn)代控制理論只研究一個輸入輸出變量，且固定參數(shù)的定常系統(tǒng)。其數(shù)學基礎是拉普拉斯變換，分析綜合的方法為頻率響應特性等。然而，即使傳遞函數(shù)相同，系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以不同。因此，用傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)有時是不完整的。如果只知道端部狀態(tài)，對于充分了解一個系統(tǒng)的運動狀況和掌握系統(tǒng)的整體性質(zhì)也是不夠的。隨著技術(shù)的進步，人們的目標也越高。這意味著人們要研究更復雜的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)里包含了更多相互作用的元素。對控制系統(tǒng)也有了更高的精確性和穩(wěn)定性的需求。此外，還有其

12、他方面的要求諸如：節(jié)能，降低成本，縮短操作時間等。優(yōu)化以上這些指標的參數(shù)不可避免的要使用到非線性系統(tǒng)，優(yōu)化現(xiàn)代控制理論需要使用到非線性時變控制規(guī)律。這些都是現(xiàn)代控制理論的研究目的。它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且描述和揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標是在揭示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構(gòu)成帶有更高的仿生特點，現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要的數(shù)學工具，以狀態(tài)空間法為基限于單純的閉環(huán)，而擴展為適應環(huán)、學習環(huán)等。較之經(jīng)典現(xiàn)代控制理論，現(xiàn)代控制理論的研究對象要廣泛得多，原則上講，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的、時

13、變的、離散的?，F(xiàn)代控制理論具有以下特點：控制對象結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變 控制對象結(jié)構(gòu)由簡單的單回路模式向多回路模式轉(zhuǎn)變，即從單輸入單輸出向多輸入多輸出。它必須處理極為復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制問題。2研究工具的轉(zhuǎn)變 （1）積分變換法向矩陣理論、幾何方法轉(zhuǎn)變，由頻率法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究；（2）計算機技術(shù)發(fā)展，由手工計算轉(zhuǎn)向計算機計算。3建模手段的轉(zhuǎn)變 由機理建模向統(tǒng)計建模轉(zhuǎn)變，開始采用參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識的統(tǒng)計建模方法。現(xiàn)代控制理論它采用了狀態(tài)空間變量法進行分析，計算。不僅可以了解系統(tǒng)的輸入輸出關系，而且能了解和控制系統(tǒng)內(nèi)部的特征。這把原來經(jīng)典現(xiàn)代控制理論的簡單模型轉(zhuǎn)化為更接近現(xiàn)實的模型，使過去被忽略掉的

14、一些方面，如系統(tǒng)內(nèi)部各元素的交互作用和反饋，都被考慮進去了。它提供了一個統(tǒng)一而強大的描述系統(tǒng)的方法，可處理多變量和單變量系統(tǒng)、定常和時變系統(tǒng)。其基本分析綜合方法為：時域方法，包括：微分方程，線性代數(shù)，數(shù)值計算等。因此現(xiàn)代控制理論比經(jīng)典現(xiàn)代控制理論所能處理的控制問題要廣泛得多，它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計算機上進行，適合于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中的日趨復雜和精度要求趨高的情況。六、現(xiàn)代控制理論的學習心得在現(xiàn)代科學技術(shù)飛速發(fā)展中,伴隨著學科的高度分化和高度綜合,各學科之間相互交叉、相互滲透,出現(xiàn)了橫向科學。作為跨接于自然科學和社會科學的具有橫向科學特點的現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論已成為我國理工科大學高年級的

15、選修課和研究生的學位課。從經(jīng)典控制論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論，是人類對控制技術(shù)認識上的一次飛躍。經(jīng)典控制論限于處理單變量的線性定常問題，在數(shù)學上可歸結(jié)為單變量的常系數(shù)微分方程問題?，F(xiàn)代控制理論面向多變量控制系統(tǒng)的問題，它是以矩陣論和線性空間理論作為主要數(shù)學工具，并用計算機來實現(xiàn)?，F(xiàn)代控制理論來源于工程實際，具有明顯的工程技術(shù)特點，但它又屬于系統(tǒng)論范疇。系統(tǒng)論的特點是在數(shù)學描述的基礎上，充分利用現(xiàn)有的強有力的數(shù)學工具，對系統(tǒng)進行分析和綜合。系統(tǒng)特性的度量，即表現(xiàn)為狀態(tài)；系統(tǒng)狀態(tài)的變化，即為動態(tài)過程。狀態(tài)和過程在自然界、社會和思維中普遍存在?，F(xiàn)代控制理論是在引入狀態(tài)和狀態(tài)空間的概念基礎上發(fā)展起來的。狀態(tài)

16、和狀態(tài)空間早在古典動力學中得到了廣泛的應用。在5O年代Mesarovic教授曾提出“結(jié)構(gòu)不確定性原理”，指出經(jīng)典理論對于多變量系統(tǒng)不能確切描述系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。后來采用狀態(tài)變量的描述方法，才完全表達出系統(tǒng)的動力學性質(zhì)。6O年代初，卡爾曼(Kalman)從外界輸入對狀態(tài)的控制能力以及輸出對狀態(tài)的反映能力這兩方面提出能控制性和能觀性的概念。這些概念深入揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在特性。實際上，現(xiàn)代控制理論中所研究的許多基本問題，諸如最優(yōu)控制和最佳估計等，都是以能能控性和能觀性作為“解”的存在條件的?，F(xiàn)代現(xiàn)代控制理論是一門工程理論性強的課程，在自學這門課程時，深感概念抽象，不易掌握；學完之后，從工程實際抽象出一個

17、控制論方面的課題很難，如何用現(xiàn)代控制理論的基本原理去解決生產(chǎn)實際問題則更困難，這是一個比較突出的矛盾。對現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論來說，首先遇到的問題是將實際系統(tǒng)抽象為數(shù)學模型，有了數(shù)學模型，才能有效地去研究系統(tǒng)的各個方面。許多機電系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、管理系統(tǒng)?？山聘爬榫€性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)和力學中質(zhì)點系統(tǒng)一樣，是一個理想模型，理想模型是研究復雜事物的主要方法，是對客觀事物及其變化過程的一種近似反映。現(xiàn)代控制理論從自然和社會現(xiàn)象中抽象出的理想模型，用狀態(tài)空間方法表示，再作理論上的探討。線性系統(tǒng)理論是一門嚴謹?shù)目茖W。抽象嚴謹是其本質(zhì)的屬性，一旦體會到數(shù)學抽象的豐富含義，再不會感到枯燥乏味。線性系統(tǒng)理論是建立在

18、線性空間的基礎上的，它大量使用矩陣論中深奧的內(nèi)容，比如線性變換、子空間等，是分析中最常用的核心的內(nèi)容，要深入理解，才能體會其物理意義。比如，狀態(tài)空間分解就是一種數(shù)學分析方法。在控制論中把實際系統(tǒng)按能控性和能觀性化分成四個子空間，它們有著確切的物理概念。線性變換的核心思想在于：線性系統(tǒng)的基本性質(zhì)(如能控性、能觀性、極點、傳遞函數(shù)等)在線性變換下都不改變，從而可將系統(tǒng)化為特定形式，使問題的研究變得簡單而透徹。在學習現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論教材時，發(fā)現(xiàn)不少“引而未發(fā)”的問題。由于作者有豐富的教學經(jīng)驗與學術(shù)造詣，能深入淺出闡述問題，發(fā)人深省。因此，通過自己反復閱讀教材，就能理解這些內(nèi)容。比如，在探討線性系統(tǒng)的

19、傳遞函數(shù)的零極點相消時，如果潛伏著不穩(wěn)定的振型，從數(shù)字表達式看不出什么問題，但會影響整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。那么，用什么方法消除其影響，在什么情況下又不能消除，這一系列疑點，需要我獨立思考。又如在構(gòu)造李雅普諾夫(Liapunov)函數(shù)判定線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，如果構(gòu)造不出這種函數(shù)，是否就意味著這個系統(tǒng)不穩(wěn)定了呢?不是的。因為這種判定方法，只給出一個充分條件，而不是必要條件。況且實際系統(tǒng)基本上都是非線性系統(tǒng)。在具體運算中，又如在觀測設計時，對同一問題，大家所得的“解”互不相同。這正是在不同變換下，系統(tǒng)的過程與狀態(tài)的描述各不相同，有如同一條曲線在不同坐標系里有不同的方程一樣；同一物理現(xiàn)象，在不同的參照

20、系內(nèi)有不同的表述。這些都是教材中“引而未發(fā)”、引人深思的問題。在人一生的學習中，必須逐步培養(yǎng)一種正確的學習方法，才能通過自己的深入體會，加深對教材的真正理解。特別是概念的外延和內(nèi)涵，不能隨意擴大或縮小，否則會在運用公式定理去解答復雜問題時出現(xiàn)錯誤。與此同時，要注意發(fā)展自己對時間和空間的想象力。愛因斯坦說：“想象力比知識更重要”。 現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論是由經(jīng)典現(xiàn)代控制理論發(fā)展而來的，而現(xiàn)代控制理論本身作為一種方法，在機械、電氣、控制等多個領域都有廣泛的應用，科學中涉及的大多數(shù)問題都可以用系統(tǒng)的概念來分析和處理。從經(jīng)典控制論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論,是人類對控制技術(shù)認識上的一次飛躍。經(jīng)典控制論限于處理單變量的線性定常問題,在數(shù)學上可歸結(jié)為單變量的常系數(shù)微分方程問題?，F(xiàn)代控制理論面向多變量控制系統(tǒng)的問題,它是以矩陣論和線性空間理論作為主要數(shù)學工具,并用計算機來實現(xiàn)。現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)空間法基礎上的一種現(xiàn)代控制理論，是自動現(xiàn)代控制理論的一個主要組成部分。在現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論中，對控制系統(tǒng)的分析和設計主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的