現(xiàn)代控制理論第1章緒論

現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)

ModernControlTheory第一章

緒論

§

1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

§1.2現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容

§

1.3現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異

§

1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用

§

1.1現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

同學(xué)們，我們都知道：控制理論作為一門(mén)科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于我們社會(huì)生活的方方面面。洗衣機(jī)智能控制電冰箱溫度控制第一階段:經(jīng)典(自動(dòng))控制理論

經(jīng)典控制理論即古典控制理論,也稱(chēng)為自動(dòng)控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)過(guò)程：一萌芽階段如果要追朔自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國(guó)就有了自動(dòng)控制技術(shù)的萌芽?？刂评碚摰漠a(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個(gè)發(fā)展階段：1.兩千年前我國(guó)發(fā)明的

指南車(chē)，就是一種開(kāi)

環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。指南車(chē)2.公元1086－1089年

（北宋哲宗元祐初年），

我國(guó)發(fā)明的水運(yùn)儀象臺(tái)，

就是一種閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系

統(tǒng)。水運(yùn)儀象臺(tái)二起步階段

隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動(dòng)控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特三發(fā)展階段1.1868年馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機(jī)調(diào)速

系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問(wèn)題，提出了簡(jiǎn)單的穩(wěn)

定性代數(shù)判據(jù)。馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴(kuò)展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了兩個(gè)著名的穩(wěn)定性判據(jù)—?jiǎng)谒古袚?jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M(mǎn)足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。赫爾維茨（Hurwitz）3.由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補(bǔ)償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量的動(dòng)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。

奈奎斯特4.1948年伊萬(wàn)斯（W.R.Ewans）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。

建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊萬(wàn)斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱(chēng)為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動(dòng)控制理論）。四標(biāo)志階段

1.1947年控制論的奠基人美國(guó)數(shù)學(xué)家韋納（N.Weiner）把控制論引起的自動(dòng)化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來(lái)，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制與通訊的科學(xué)》，書(shū)中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門(mén)學(xué)科奠定了基礎(chǔ)?？刂普撝浮f納2.我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，并與1954年出版了《工程控制論》。錢(qián)學(xué)森

從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(gè)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)、交通運(yùn)輸及國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用了自動(dòng)化控制技術(shù)。（可以說(shuō)工業(yè)革命和戰(zhàn)爭(zhēng)促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。第二階段現(xiàn)代控制理論科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個(gè)重要的條件—現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計(jì)算機(jī)為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺(tái)。在二十世紀(jì)五十年代末開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了核能技術(shù)、空間技術(shù)的發(fā)展，從而對(duì)出現(xiàn)的多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。1.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)劃。2.1959年卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測(cè)性的新概念?？柭?.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(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(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(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)3.1961年龐特里亞金（俄國(guó)人）提出了極?。ù螅┲翟怼｝嬏乩飦喗餖.S.Pontryagin4.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(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(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(jià)轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進(jìn)一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)5.20世紀(jì)70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國(guó)，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻(xiàn)。

與此同時(shí)，關(guān)于系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制、離散時(shí)間系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。朗道L.D.Landau第三階段魯棒控制理論階段

1.由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合著H2和H等范數(shù)而

出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。2.20世紀(jì)70年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、

“智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點(diǎn)，研究各種大系的結(jié)

構(gòu)方案、總體設(shè)計(jì)中的分解方法和協(xié)調(diào)等

問(wèn)題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制智能控制理論：研究與模擬人類(lèi)智能活動(dòng)及其控制與信

息傳遞過(guò)程的規(guī)律，研制具有某些擬人

智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。洗衣機(jī)智能模糊控制機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范

籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過(guò)程反映了人類(lèi)由機(jī)械化時(shí)代進(jìn)入電氣化時(shí)代，并走向自動(dòng)化、信息化、智能化時(shí)代。復(fù)雜航天器控制現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容為:線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論最優(yōu)估計(jì)理論系統(tǒng)辨識(shí)理論自適應(yīng)控制理論智能控制理論§1.2現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容§

1.3現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論

研究對(duì)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)

研究工具拉普拉斯變換

線性代數(shù)矩陣

分析方法頻域(復(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法

復(fù)域、實(shí)域，可控和可觀測(cè)

設(shè)計(jì)方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)

狀態(tài)反饋和輸出反饋

其他

頻率法的物理意義直觀、實(shí)用，難于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制

易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和最優(yōu)控制§

1.4現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用

比起經(jīng)典控制理論,現(xiàn)代控制理論考慮問(wèn)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,系統(tǒng)外部的干擾,但符合從簡(jiǎn)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(yùn)輸及國(guó)防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。倒立擺穩(wěn)定控制單級(jí)倒立擺穩(wěn)定控制二級(jí)倒立擺穩(wěn)定控制導(dǎo)彈穩(wěn)定控制空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制航天器控制月球車(chē)控制衛(wèi)星控制機(jī)器人控制空間機(jī)器人控制足球機(jī)器人控制[課堂小結(jié)]現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生、發(fā)展、內(nèi)容、研究方法和應(yīng)用；2.經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的差異；3.現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用。End指南車(chē)與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車(chē)箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機(jī)械。是一種雙輪獨(dú)轅車(chē)。它的中央有一個(gè)大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車(chē)子向左轉(zhuǎn)，右邊的車(chē)輪就會(huì)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再帶動(dòng)大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車(chē)子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車(chē)開(kāi)動(dòng)以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車(chē)子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車(chē)是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動(dòng)類(lèi)似現(xiàn)代汽車(chē)用的差動(dòng)齒輪，相當(dāng)于汽車(chē)中差動(dòng)齒輪的逆向使用原理。這種指南車(chē)，可以說(shuō)是世界上最早的自動(dòng)化設(shè)備。

指南車(chē)指南車(chē)是我國(guó)古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機(jī)械之一。用英國(guó)著名科學(xué)史專(zhuān)家李約瑟的話說(shuō)，中國(guó)古代的指南車(chē)“可以說(shuō)是人類(lèi)歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類(lèi)“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機(jī)”。

整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)高12米，寬7米，共分3層，相當(dāng)于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺(tái)渾儀，屋的頂板可以自由開(kāi)啟，平時(shí)關(guān)閉屋頂，以防雨淋，這已經(jīng)具有現(xiàn)代天文觀測(cè)室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內(nèi)均安排了若干個(gè)木人，5層共有162個(gè)木人，它們各司其職：每到一定的時(shí)刻，就會(huì)有木人自行出來(lái)打鐘、擊鼓或敲打樂(lè)器、報(bào)告時(shí)刻、指示時(shí)辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級(jí)漏刻和一套機(jī)械傳動(dòng)裝置，可以說(shuō)這里是整個(gè)水運(yùn)儀象臺(tái)的“心臟”部分，用漏壺的水沖動(dòng)機(jī)輪，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，渾儀、渾象和報(bào)時(shí)裝置便會(huì)按部就班地動(dòng)作起來(lái)。

這臺(tái)儀器的制造水平堪稱(chēng)一絕，充分體現(xiàn)了我國(guó)古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。水運(yùn)儀象臺(tái)水運(yùn)儀象臺(tái)是我國(guó)古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學(xué)家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀測(cè)天象的渾儀、演示天象的渾象、計(jì)量時(shí)間的漏刻和報(bào)告時(shí)刻的機(jī)械裝置于一體的綜合性觀測(cè)儀器，實(shí)際上是一座小型的天文臺(tái)。到此為止，瓦特完成了對(duì)蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過(guò)程。經(jīng)過(guò)他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機(jī)的效率提高到原來(lái)紐科門(mén)機(jī)的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實(shí)用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機(jī)——高效率瓦特蒸汽機(jī)的發(fā)明者稱(chēng)號(hào)。瓦特JamesWatt（JamesWatt,1736～1819）英國(guó)發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個(gè)小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家鐘表店學(xué)手藝。15歲學(xué)完了《物理學(xué)原理》并獲得了豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。1753年又跟有名的機(jī)械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過(guò)刻苦學(xué)習(xí)，努力實(shí)踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤(pán)、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過(guò)程從汽缸中分離出來(lái)的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機(jī)的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年他制成了一臺(tái)單動(dòng)作蒸汽機(jī)。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機(jī)活塞的往運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)1782年他發(fā)明了大動(dòng)力的“雙動(dòng)作蒸汽機(jī)”并獲得專(zhuān)利1784年他發(fā)明了平行運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，解決了雙動(dòng)作蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來(lái)自動(dòng)控制蒸汽機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機(jī)配套用壓力計(jì)。

為貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquistnoise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻(xiàn)他早期的理論性工作關(guān)于確定傳輸信息的需滿(mǎn)足的帶寬要求，在《貝爾系統(tǒng)技術(shù)》期刊上發(fā)表了《影響電報(bào)速度傳輸速度的因素》文章，為后來(lái)香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。

1927年，奈奎斯特確定了如果對(duì)某一帶寬的有限時(shí)間連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）進(jìn)行抽樣，且在抽樣率達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號(hào)。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號(hào)最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了《電報(bào)傳輸理論的一定論題》。

1954年，他從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休。奈奎斯特奈奎斯特，美國(guó)物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對(duì)信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國(guó)并于1912年進(jìn)入北達(dá)克塔大學(xué)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年～1934年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。

物理、電學(xué)了。他18歲時(shí)取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個(gè)博士學(xué)位，后來(lái)又到德國(guó)、英國(guó)學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進(jìn)一步深造。

維納已是一個(gè)很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對(duì)其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個(gè)大問(wèn)題特別引起了他的興趣，一個(gè)是電子計(jì)算機(jī)，另一個(gè)是火炮命中率問(wèn)題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車(chē)這種簡(jiǎn)單的動(dòng)作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車(chē)按要求行駛。維納又請(qǐng)來(lái)了神經(jīng)專(zhuān)家進(jìn)行共同研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)器和人的控制機(jī)能有相似之處。后來(lái)，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽(tīng)取對(duì)方的批評(píng)意見(jiàn)，甚至是“攻擊”意見(jiàn)，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來(lái)，叫《控制論》。維納維納生于哥倫比亞市一個(gè)猶太人家里。維納4歲開(kāi)始讀書(shū)。9歲時(shí)讀中學(xué)，11歲進(jìn)人大學(xué)學(xué)習(xí)．他的數(shù)學(xué)知識(shí)已超過(guò)大學(xué)一年級(jí)學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、1955年回國(guó)。1955年至1946年任中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員，國(guó)防部第五研究院院長(zhǎng)。1965年至1970年任第七機(jī)械工業(yè)部副部長(zhǎng)。1970年至1982年任國(guó)防科工委科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)科協(xié)副主席。還歷任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)第一、二屆理事長(zhǎng)，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)，中科院主席團(tuán)執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國(guó)科協(xié)第三屆全委會(huì)主席。1991年5月在中國(guó)科協(xié)第四次全國(guó)代表大會(huì)上當(dāng)