控制理論的發(fā)展及應(yīng)用課件

1、控制理論的發(fā)展及應(yīng)用王晶Beijing University of Chemical Technology內(nèi)容控制論簡(jiǎn)介自動(dòng)控制理論與技術(shù)的早期發(fā)展控制理論各階段的特點(diǎn)控制理論的進(jìn)一步發(fā)展歷史的思考新世紀(jì)自動(dòng)化學(xué)科的挑戰(zhàn)和發(fā)展一 控制論簡(jiǎn)介研究各類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制規(guī)律的科學(xué)它是自動(dòng)控制、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、行為科學(xué)等多種科學(xué)技術(shù)相互滲透形成的一門綜合性學(xué)科。它研究生物體和機(jī)器以及各種不同基質(zhì)系統(tǒng)的通訊和控制的過(guò)程，探討它們共同具有的信息交換、反饋調(diào)節(jié)、自組織、自適應(yīng)的原理和改善系統(tǒng)行為、使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)制，從而形成了一大套適用于各門科學(xué)的概念、模型、原理和方

2、法。Cybernetics，希臘語(yǔ)，原意為掌舵術(shù)，包含了調(diào)節(jié)、操縱、管理、指揮、監(jiān)督等多方面的涵義1943年底在紐約召開(kāi)了關(guān)于信息、反饋問(wèn)題的討論會(huì)，參加者中有生物學(xué)家、數(shù)學(xué)家、社會(huì)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家，從各自角度對(duì)信息反饋問(wèn)題發(fā)表意見(jiàn)。陸續(xù)舉行的討論會(huì)，對(duì)控制論的產(chǎn)生起了推動(dòng)作用。1948年維納發(fā)表控制論，控制科學(xué)誕生?？刂普搫?chuàng)始人維納控制論的三個(gè)發(fā)展時(shí)期I：上世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制論時(shí)期。 代表作：1948年維納發(fā)表控制論 1954年錢學(xué)森發(fā)表的工程控制論。II：上世紀(jì)60年代，現(xiàn)代控制論時(shí)期。 控制論的重點(diǎn)從單變量控制到多變量控制，從自動(dòng)調(diào)節(jié)向最優(yōu)控制，由線性系統(tǒng)向非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。美國(guó)卡爾曼提

3、出的狀態(tài)空間方法以及其它學(xué)者提出的極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法，形成了系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、自組織、自適應(yīng)系統(tǒng)等現(xiàn)代控制理論。III：上世紀(jì)70年代后：大系統(tǒng)理論時(shí)期。 控制論由工程控制論、生物控制論向經(jīng)濟(jì)控制論、社會(huì)控制論發(fā)展。三部經(jīng)典著作信息論開(kāi)端：1948年香農(nóng)(C.E.Shannon)的發(fā)表在貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志上的論文 A Mathematical Theory of Communication控制論創(chuàng)立: 1948年維納（N. Wienner）的經(jīng)典論著： CyberneticsorControl and Communication in the animal and the machin

4、es工程控制論：1954年錢學(xué)森(Tsien H S)的著作Engineering Cybernetics二 自動(dòng)控制技術(shù)的早期發(fā)展數(shù)千年的歷史“控制”：本身反映人們對(duì)征服自然與外在的渴望，“控制理論與技術(shù)”也自然地在人類認(rèn)識(shí)自然與改造自然的歷史中發(fā)展；具有反饋控制原理的控制裝置：古代的計(jì)時(shí)器 “水鐘”( “刻漏”，也叫“漏壺” )；公元前三世紀(jì)中葉，亞歷山大里亞城的Ctesibius首先在受水壺中使用了浮子，具有負(fù)反饋的思想；北宋時(shí)期，蘇頌等于1086年-1090年在開(kāi)封建成“水運(yùn)儀象臺(tái)”，相當(dāng)準(zhǔn)確地跟蹤天體的運(yùn)行；1765年俄國(guó)的波爾祖諾夫（ Polzunov ）發(fā)明了蒸汽機(jī)鍋爐的水位自動(dòng)

5、調(diào)節(jié)器（在俄國(guó)被認(rèn)為是世界上的第一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)器）。中國(guó)、古埃及和巴比倫人發(fā)明的自動(dòng)計(jì)時(shí)裝置(公元前11世紀(jì))具有過(guò)程控制思想的提花織布機(jī)（明代）James wat發(fā)明的飛球調(diào)節(jié)器，控制蒸汽機(jī)的轉(zhuǎn)速（1769年）Polzunov發(fā)明的浮球調(diào)節(jié)器，用于水位控制（1765年）穩(wěn)定性的早期發(fā)展-1J. C. Maxwell是最早對(duì)反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)分析，On Governors（Proc. Royal Society of London, 1868），目前公認(rèn)的以反饋控制為其主要研究?jī)?nèi)容的第一篇理論論文導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)

6、的實(shí)部。開(kāi)創(chuàng)了控制理論研究的先河, 文中還催促數(shù)學(xué)家們盡快地解決多項(xiàng)式的系數(shù)同多項(xiàng)式根的關(guān)系問(wèn)題。由于五次以上的多項(xiàng)式?jīng)]有直接的求根公式，這給判斷高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性代來(lái)了困難。經(jīng)典控制理論的發(fā)展穩(wěn)定性的早期發(fā)展-2兩年一次的Adams Prize獎(jiǎng)授予在該委員會(huì)所選科學(xué)主題方面競(jìng)爭(zhēng)的最佳論文。1877年的主題是“運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性”。Routh E J.A Treatise on the Stability of Motion（London:Macmillan,1877）獲1877年Adams Prize提出根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)確定多項(xiàng)式在右半平面的根的數(shù)目。其意義在于將當(dāng)時(shí)各種有關(guān)穩(wěn)定性的孤立的結(jié)論和非

7、系統(tǒng)的結(jié)果統(tǒng)一起來(lái)，開(kāi)始建立有關(guān)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。經(jīng)典控制理論的發(fā)展穩(wěn)定性的早期發(fā)展-31895年，瑞士數(shù)學(xué)家A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨(dú)立給出了根據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一種方法(Hurwitz A. On the conditions under which an equation has only roots with negative real parts. Mathematische Annelen,vol.46:273-284,1895)。Hurwitz的條件同Routh的條件在本質(zhì)上是一致的。因此這一穩(wěn)定性判據(jù)現(xiàn)在也被稱為Ro

8、uth-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)。經(jīng)典控制理論的發(fā)展1892年，俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Lyapunov（1857-1918）發(fā)表了其具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文The General Problem of the Stability of Motion提出了為當(dāng)今學(xué)術(shù)界廣為應(yīng)用且影響巨大的李亞普諾夫方法，也即李亞普諾夫第二方法或李亞普諾夫直接方法。這一方法不僅可用于線性系統(tǒng)，而且可用于非線性時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。穩(wěn)定性的早期發(fā)展-4經(jīng)典控制理論的發(fā)展負(fù)反饋放大器及頻域理論的建立-1在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)理論建立之后，1928年1945年以美國(guó)AT&T公司Bell Labs的科學(xué)家們?yōu)楹诵?/p>

9、，又建立了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。負(fù)反饋放大器: 1928年，Harold Black(1898-1983)首先提出了基于誤差補(bǔ)償?shù)那梆伔糯笃?，在此基礎(chǔ)上最終提出了負(fù)反饋放大器并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析經(jīng)典控制理論的發(fā)展反饋放大器的振蕩問(wèn)題：實(shí)用化困難1932年，Nyquist發(fā)表了包含著名的“乃奎斯特判據(jù)” (Nyquist criterion)的論文，并在1934年加入了Bell Labs。Black關(guān)于的負(fù)反饋放大器的論文發(fā)表在1934年，參考了Nyquist的論文和他的穩(wěn)定性判據(jù)。同時(shí)，Hendrik Bode(1905-1982)開(kāi)始對(duì)負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究。1940年，Bo

10、de引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。負(fù)反饋放大器及頻域理論的建立-2經(jīng)典控制理論的發(fā)展負(fù)反饋放大器及頻域理論的建立-31925年，英國(guó)電器工程師O. Heaviside，把拉普拉斯變換應(yīng)用到求解電網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題上。不久拉普拉斯變換就被應(yīng)用到分析自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)問(wèn)題上，并取得了顯著成效。傳遞函數(shù)就是在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入的。1942年，H.Harris引入傳遞函數(shù)的概念。用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息傳輸?shù)母拍顏?lái)描述系統(tǒng)的性能和關(guān)系，從而把原來(lái)由研究反饋放大器穩(wěn)定性而建立起來(lái)的頻率法抽象化，并更有普遍意義。（把對(duì)具體物理系統(tǒng)，統(tǒng)一用傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)等抽象的概念來(lái)研究）

11、至1945年，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻域方法，“波德圖”(Bode plots)方法，已基本建立了。經(jīng)典控制理論的發(fā)展根軌跡法的建立在經(jīng)典控制理論中，根軌跡法占有十分重要的地位。它同時(shí)域法，頻域法可稱是三分天下。美國(guó)電信工程師W.R.Evans，兩篇論文Graphical Analysis of Control System(1948)和Control System Synthesis by Root Locus Method (1950), 基本建立了根軌跡法的完整理論。Evans所從事的是飛機(jī)導(dǎo)航和控制，其中涉及許多動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題，因此又回到70多年前Maxwell和Routh曾做過(guò)的特征方程

12、的研究工作。但Evans用系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，特征方程的根變化軌跡來(lái)研究，開(kāi)創(chuàng)了新的思維和研究方法。經(jīng)典控制理論的發(fā)展脈沖控制理論的建立-1隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生，脈沖控制理論迅速發(fā)展。重要貢獻(xiàn)： Nyquist和Shannon。 Nyquist首先證明把正弦信號(hào)從它的采樣值復(fù)現(xiàn)出來(lái)，每周期至少必須進(jìn)行兩次采樣。香農(nóng)于1949年完全解決了這個(gè)問(wèn)題，Shannon采樣定理。線性脈沖控制理論以線性差分方程為基礎(chǔ)，線性差分方程理論在三、四十年代中已逐步發(fā)展起來(lái)。利用連續(xù)系統(tǒng)L變換同離散系統(tǒng)L變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系，奧爾登伯格和崔普金等人于1944和1948年分別提出了脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，即線性差分方程的所有特征根

13、應(yīng)位于單位圓內(nèi)。經(jīng)典控制理論的發(fā)展由于離散拉氏變換式是超越函數(shù)，崔普金又提出了用保角變換將Z平面的單位圓內(nèi)部轉(zhuǎn)換到新平面的左半面的方法，這樣即可以使用Routh-Hurwitz判據(jù)，又可將連續(xù)系統(tǒng)分析的頻域方法引入離散系統(tǒng)分析。在變換理論的研究方面，W.Hurewicz于1947年最先引進(jìn)了一個(gè)變換用于對(duì)離散序列的處理。在此基礎(chǔ)上，崔普金于1949年，拉格茲尼和扎德于1952年分別提出并定義了Z變換方法，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算步驟，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。脈沖控制理論的建立-2經(jīng)典控制理論的發(fā)展回顧脈沖控制理論的發(fā)展，盡管俄國(guó)的崔普金等都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，但建立脈沖理論的許多工作都是由

14、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的拉格茲尼和他的博士生們完成的。他們包括朱里（離散系統(tǒng)穩(wěn)定的朱里判據(jù)，能觀測(cè)性與能達(dá)性，分析與設(shè)計(jì)工具等），卡爾曼（離散狀態(tài)方法，能控性與能觀性等。是自控界第二位獲IEEE Medal of Honor者(1974)），扎德（Z變換定義等。是第五位獲IEEE Medal of Honor者(1995)）。五十年代末，脈沖系統(tǒng)的Z變換法 已臻成熟，好幾本教科書(shū)同時(shí)出版。脈沖控制理論的建立-3經(jīng)典控制理論的發(fā)展控制史上重點(diǎn)人物WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman三 控制理論各階段的特點(diǎn)經(jīng)典控制理論：建立在頻率法和根軌

15、跡法基礎(chǔ)上數(shù)學(xué)工具：拉氏變換研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵龅木€性定常系統(tǒng)研究方法：將描述系統(tǒng)的微分方程或差分方程變換到復(fù)數(shù)域中，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并以此作為基礎(chǔ)在頻率域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)?？刂平Y(jié)構(gòu)：通常是采用輸出負(fù)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)學(xué)工具 線性微分方程和基于拉普拉斯變 換的傳遞函數(shù)研究對(duì)象三大分析方法：研究對(duì)象和范圍有限 單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)時(shí)域分析法、頻率特性分析法和根軌跡分析法難于解決復(fù)雜問(wèn)題，如時(shí)變，多變量等開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制量輸入量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件控制器受控對(duì)象開(kāi)環(huán)

16、控制系統(tǒng)特點(diǎn)： 缺點(diǎn)： 最簡(jiǎn)單的控制方式 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問(wèn)題 信號(hào)傳遞沒(méi)有形成閉合回路 輸出量不能對(duì)控制量產(chǎn)生 影響。 控制精度不高 系統(tǒng)抗干擾能力差 對(duì)元器件的要求 比較高控制量輸入量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件控制器受控對(duì)象控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制量輸入量輸出量(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋元件控制器受控對(duì)象控制器受控對(duì)象控制量輸入量輸出量(a) 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng) 反饋通路負(fù)反饋與正反饋控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋 信號(hào)傳遞形成一個(gè)閉合回路 輸入量與反饋量之差稱為偏差信號(hào) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：設(shè)定值r控制器執(zhí)

17、行器被控對(duì)象測(cè)量、變送擾動(dòng) f被控變量y反饋量 z自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)偏差e控制變量u經(jīng)典控制論研究?jī)?nèi)容：系統(tǒng)模型 傳遞函數(shù)模型的建立系統(tǒng)分析 系統(tǒng)時(shí)域分析；穩(wěn)定性（勞斯穩(wěn)定判據(jù)）；穩(wěn)態(tài)偏差；根軌跡；頻率特性分析系統(tǒng)綜合 基于根軌跡、頻率特性進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代控制理論從時(shí)間域內(nèi)系統(tǒng)地講述用來(lái)分析和綜合線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間方法。首先是建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述問(wèn)題，然后在狀態(tài)空間描述的基礎(chǔ)上討論系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能控性，能觀性和穩(wěn)定性理論，逐步 闡明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性，最后專門討論綜合問(wèn)題，包括極點(diǎn)配置，鎮(zhèn)定，跟蹤，解耦等。 數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)研究對(duì)象：多輸入多輸出的線性定常系統(tǒng)研究方法：將描述系統(tǒng)的微

18、分方程或差分方程變換到狀態(tài)空間中，得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述，并以此作為基礎(chǔ)在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，確定控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)?？刂平Y(jié)構(gòu)：通常是采用狀態(tài)反饋控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)典與現(xiàn)代控制論的比較經(jīng)典控制論現(xiàn)代控制論數(shù)學(xué)基礎(chǔ)拉普拉斯變換線性代數(shù)、矩陣分析系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)狀態(tài)空間表達(dá)處理域頻域時(shí)域應(yīng)用對(duì)象SISO系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)表示系統(tǒng)在過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)時(shí)刻的狀況狀態(tài)能夠完全描述系統(tǒng)行為的最小一組變量，只要給定了當(dāng)前時(shí)刻的這組變量以及未來(lái)時(shí)刻作用在系統(tǒng)上的輸入，那么系統(tǒng)在未來(lái)任意時(shí)刻的行為就可以完全確定。 狀態(tài)變量選取的不唯一性以完全表征系統(tǒng)的狀態(tài)變量為元構(gòu)成的向量就是狀態(tài)向量 狀態(tài)向量以

19、n個(gè)狀態(tài)變量為基底所構(gòu)成的n維空間就稱為狀態(tài)空間，狀態(tài)空間中的一點(diǎn)就代表系統(tǒng)在某一特定時(shí)刻的狀態(tài)。 狀態(tài)空間外部描述傳遞函數(shù)：不表征系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量組輸入與輸出間的因果關(guān)系內(nèi)部描述狀態(tài)空間，能夠完全表征系統(tǒng)的一切動(dòng)力學(xué)特征：不完全描述完全描述傳遞函數(shù)：初始條件為零的線性定常系統(tǒng)輸出的拉普拉斯變換與輸入的拉普拉斯變換之比?，F(xiàn)代控制論的重要分支：狀態(tài)空間設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)模型 狀態(tài)空間模型的建立、與傳遞函數(shù)描述之間的相互轉(zhuǎn)化；系統(tǒng)分析 狀態(tài)空間運(yùn)動(dòng)分析；能控性和能觀性的基本概念與判據(jù)、能控、能觀標(biāo)準(zhǔn)形及結(jié)構(gòu)分解；系統(tǒng)綜合 基于狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法極點(diǎn)配置和觀測(cè)器設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)控

20、制系統(tǒng)（離散控制、脈沖控制、采樣控制等）圖6.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 控制系統(tǒng)通常分成兩大類 ：連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng) ：各處的信號(hào)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù) ，則稱該類系統(tǒng)為連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)。離散時(shí)間控制系統(tǒng) ：有一處或數(shù)處信號(hào)不是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)， 而是在時(shí)間上離散的一系列脈沖序列或數(shù)字信號(hào)，稱這類系統(tǒng)為離散時(shí)間控制系統(tǒng)或采樣控制系統(tǒng)。 1 控制工程中普遍存在離散時(shí)間系統(tǒng)2 計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展和數(shù)字控制的廣泛應(yīng)用意義：離散信號(hào)采樣信號(hào)數(shù)字信號(hào) 時(shí)間整量化 時(shí)間和幅值同時(shí)整量化離散、采樣、數(shù)字控制的差別離散控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)和采樣控制系統(tǒng)都是同類系統(tǒng)，但嚴(yán)格是有差別的。 離散控制系統(tǒng)：內(nèi)涵最廣，它涵蓋了采樣

21、和數(shù)字控制系統(tǒng)。離散控制處理的是離散信號(hào)。采樣控制系統(tǒng)：包括了采樣數(shù)據(jù)信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，如過(guò)程控制系統(tǒng)（PCS）。采樣控制處理的是采樣信號(hào)。數(shù)字控制系統(tǒng)：信號(hào)是一個(gè)數(shù)字序列，如數(shù)字仿真系統(tǒng)（DSS）。數(shù)字控制處理的是數(shù)字信號(hào)。連續(xù)整量化信號(hào)與數(shù)字信號(hào)連續(xù)模擬信號(hào)與采樣信號(hào)采樣控制系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律；（2）控制規(guī)律易改變；（3）精度高、抗干擾性能好。目前采樣控制系統(tǒng)的發(fā)展成為： 1、集散控制系統(tǒng)（DCS）； 2、可編程控制器（PLC）； 3、工業(yè)控制機(jī)（IPC）； 4、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分析方法的比較連續(xù)系統(tǒng)分析 （L變換）

22、 微分方程 傳遞函數(shù)，頻域分析（經(jīng)典） 狀態(tài)方程：求運(yùn)動(dòng)解，通過(guò)系統(tǒng)矩陣分析（現(xiàn)代）離散系統(tǒng)分析類似 （z變換） 差分方程 脈沖傳數(shù)，頻域分析（經(jīng)典） 差分狀態(tài)方程：狀態(tài)空間方法（現(xiàn)代）在設(shè)計(jì)采樣系統(tǒng)中，一個(gè)重要的參數(shù)就是采樣周期T，T過(guò)大，復(fù)現(xiàn)原信號(hào)時(shí)將失真，T過(guò)小，增加計(jì)算量，具體T的選擇可以通過(guò)連續(xù)信號(hào)和采樣信號(hào)頻譜之間的關(guān)系確定。采樣定理：采樣后的離散信號(hào)能恢復(fù)為原連續(xù)信號(hào)的條件是采樣頻率要高于或等于連續(xù)信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍。理想的采樣過(guò)程 四 現(xiàn)代控制理論的進(jìn)一步發(fā)展其他動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的研究非線性系統(tǒng):Lyapunov理論，微分幾何，微分代數(shù)時(shí)變系統(tǒng)：隨環(huán)境變，自適應(yīng)系統(tǒng)或不確定系統(tǒng)隨

23、機(jī)系統(tǒng)：基于概率統(tǒng)計(jì)方法，研究穩(wěn)定、鎮(zhèn)定和最優(yōu)控制等分布參數(shù)系統(tǒng)：廣泛應(yīng)用于熱工、化工、導(dǎo)彈、航天航空、核裂、聚變等工程系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等大規(guī)模系統(tǒng)：用子系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)性質(zhì)來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和控制機(jī)械系統(tǒng)： 2階非線性系統(tǒng)，并充分利用力學(xué)特性簡(jiǎn)化研究不確定系統(tǒng)：自適應(yīng)控制、魯棒控制等多個(gè)學(xué)科控制任務(wù)的多樣化經(jīng)典及現(xiàn)代控制論在于尋求（反饋）控制，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，即“鎮(zhèn)定”。到了二十世紀(jì)，工程技術(shù)不斷提出新的任務(wù)：車間調(diào)度控制：工程上為FMS及CIMS，理論上出現(xiàn)了DEDS（離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)）理論。監(jiān)控、預(yù)警：化工過(guò)程、車間、煤礦采掘面等各種工業(yè)過(guò)程跟蹤、替人操作、裝配：擬人機(jī)器人、

24、智能機(jī)器人及車等這一趨勢(shì)是明顯的，也是必然的。自動(dòng)控制就是由系統(tǒng)來(lái)代替人控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的控制活動(dòng)越來(lái)越多，因而控制任務(wù)也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜和困難?，F(xiàn)代控制理論的進(jìn)一步發(fā)展-2專業(yè)學(xué)科化的發(fā)展 因受控對(duì)象的性質(zhì)千差萬(wàn)別，屬于不同的學(xué)科，各學(xué)科又有自己的獨(dú)特之處，所以在各門學(xué)科中相對(duì)獨(dú)立地發(fā)展控制理論及方法，是必然的?？臻g機(jī)器人：多體系統(tǒng)、受非完整約束、自主控制、遙控、裝配等等。擬人機(jī)器人：要求具有計(jì)算機(jī)視覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)、自主控制、應(yīng)付復(fù)雜環(huán)境（避碰、避雨及雷電）等等。智能材料：具有及時(shí)預(yù)報(bào)缺陷及損傷，自加強(qiáng)等功能。醫(yī)學(xué)控制：血管內(nèi)的“聰明藥”具有對(duì)可能發(fā)生阻塞部位進(jìn)行修整的能力。現(xiàn)代控

25、制理論的進(jìn)一步發(fā)展-3五 歷史的思考社會(huì)發(fā)展的需要是科學(xué)發(fā)展的動(dòng)力 控制技術(shù)的存在與發(fā)展已有數(shù)千年的歷史，但只有在工業(yè)的發(fā)展對(duì)動(dòng)力產(chǎn)生巨大的需求，蒸氣機(jī)穩(wěn)定性問(wèn)題出現(xiàn)并具有至關(guān)重要的意義時(shí)，人們才集中智力來(lái)解決這一難題，并由此產(chǎn)生了穩(wěn)定性理論。頻域方法和離散（脈沖）系統(tǒng)理論同樣如此，也是在通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中為解決關(guān)鍵問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的。錢三強(qiáng)“科學(xué)來(lái)源于生產(chǎn)和對(duì)自然現(xiàn)象的觀察，它的發(fā)展取決于生產(chǎn)和社會(huì)的需求?！睔v史的思考科學(xué)的進(jìn)步是集體努力的結(jié)果，科學(xué)家的群體效應(yīng) 同早期科學(xué)理論的發(fā)展不同，現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展要依賴于集體的智慧。穩(wěn)定性理論、頻域理論及脈沖理論的建立與發(fā)展很好地說(shuō)明了

26、這一點(diǎn)?？茖W(xué)的發(fā)明與科學(xué)理論的建立有賴于科學(xué)家堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，杰出的科學(xué)家大多是多面發(fā)展的 現(xiàn)代科學(xué)理論的建立有賴于有堅(jiān)實(shí)與深厚的知識(shí)基礎(chǔ)。例如在控制理論發(fā)展史上做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家如Maxwell、Lyapunov、Zadeh等無(wú)不在多個(gè)方面均有建樹(shù)。而B(niǎo)lack最早提出負(fù)反饋放大器的思想，但本人理論基礎(chǔ)較差，頻域理論卻是在Nyquist和Bode等的努力下建立的。Black的論文也是在參考了Nyquist的論文之后才完成，他的專利申請(qǐng)也是在Nyquist等的工作完成后才被認(rèn)可并獲準(zhǔn)的。沒(méi)有理論，社會(huì)實(shí)踐就不能成為系統(tǒng)的科學(xué)，實(shí)踐也就難以深入和系統(tǒng)地發(fā)展 控制技術(shù)和理論的發(fā)展還表明了這樣一個(gè)道理：任何社會(huì)實(shí)踐沒(méi)有理論就不能成為科學(xué)，也就難以發(fā)展?？刂萍夹g(shù)在中國(guó)和巴比倫已有數(shù)千年的歷史，但由于沒(méi)有上升為理論，只能在低級(jí)的水平上發(fā)展。1868年以來(lái)，隨著控制理論的建立，控制理論和控制技術(shù)同時(shí)開(kāi)始飛速發(fā)展，控制技術(shù)終于成為人們征服自然與改造自然的有力武器。 由于我們中國(guó)幾千年來(lái)只重