現(xiàn)代控制理論-緒論課件

現(xiàn)代控制理論4/2/20231緒論

控制理論的發(fā)展史

現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容

現(xiàn)代控制理論的進(jìn)一步發(fā)展

4/2/20232控制理論的發(fā)展史自動(dòng)控制理論：簡(jiǎn)稱(chēng)控制理論，是關(guān)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、分析和設(shè)計(jì)理論。系統(tǒng)：可以定義為處于自身相互關(guān)系中以及與環(huán)境的相互關(guān)系中的要素集合，系統(tǒng)是由按一定的關(guān)系作用和制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體，由一定的邊界將系統(tǒng)內(nèi)部與系統(tǒng)外部(系統(tǒng)環(huán)境)區(qū)分開(kāi)來(lái)。控制：是為了改善系統(tǒng)的性能或達(dá)到系統(tǒng)的目的，通過(guò)信息采集和加工而形成的施加在系統(tǒng)上的作用。自動(dòng)控制系統(tǒng)：是代替或部分代替人的直接參與，使生產(chǎn)過(guò)程或其它過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定過(guò)程進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)也簡(jiǎn)稱(chēng)為控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，而不是工程實(shí)踐。4/2/20233

1945年伯德發(fā)表專(zhuān)著《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計(jì)》

1947年詹姆斯等三人合著的第一本經(jīng)典控制理論教材《伺服機(jī)構(gòu)理論》出版

1948年維納發(fā)表《控制論》，為控制論奠定了基礎(chǔ)，同年香農(nóng)發(fā)表《通信的屬性基礎(chǔ)》，為信息論奠定了基礎(chǔ)

1954年錢(qián)學(xué)森發(fā)表《工程控制論》，全面總結(jié)了經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論成熟的標(biāo)志4/2/20235經(jīng)典控制理論很快就面臨新的挑戰(zhàn)工程實(shí)際和科學(xué)技術(shù)問(wèn)題中大量出現(xiàn)多輸入多輸出的情況被控的系統(tǒng)不少是非線性的或者是參數(shù)時(shí)變的控制目標(biāo)也有許多不同的情況等等4/2/20236學(xué)者們?cè)噲D把經(jīng)典控制控制理論推廣到多變量系統(tǒng)的控制，都遭到了失敗，需要尋求新的理論和方法，于是現(xiàn)代控制理論誕生了?，F(xiàn)代控制理論是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量描述來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，基本的方法是時(shí)域方法?，F(xiàn)代控制理論4/2/20237在空間技術(shù)等方面的推動(dòng)下，關(guān)于現(xiàn)代控制理論的研究獲得了積極的推進(jìn)，并取得了一批杰出的成果：1956年，龐特里雅金創(chuàng)立了極大值原理，同年貝爾曼創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃，這兩者為最優(yōu)控制建立了理論基礎(chǔ)1959年卡爾曼提出了卡爾曼濾波1960年卡爾曼提出了系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性現(xiàn)代控制理論形成的標(biāo)志4/2/202391960年在第一屆全美聯(lián)合自動(dòng)控制會(huì)議上：把系統(tǒng)與控制領(lǐng)域中研究單變量控制問(wèn)題的學(xué)科稱(chēng)為經(jīng)典控制理論研究多變量控制問(wèn)題的學(xué)科稱(chēng)為現(xiàn)代控制理論使用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論這樣兩個(gè)學(xué)科名稱(chēng)，是歷史的原因形成的，標(biāo)志著自動(dòng)控制理論發(fā)展的兩個(gè)不同階段。要避免一種誤解，以為兩者是沒(méi)有內(nèi)在聯(lián)系的，甚至誤以為經(jīng)典控制理論是過(guò)時(shí)的，應(yīng)予淘汰。實(shí)則兩者存在著內(nèi)在的聯(lián)系；而且，用經(jīng)典控制理論的方法分析研究單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)，往往是簡(jiǎn)單明了的，迄今仍然十分有效。經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的劃分4/2/202310大系統(tǒng)理論和智能控制理論的出現(xiàn)，使控制理論發(fā)展到一個(gè)新階段：所謂大系統(tǒng)，是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng)，它涉及生產(chǎn)過(guò)程、交通運(yùn)輸、生物控制、計(jì)劃管理、環(huán)境保護(hù)、空間技術(shù)等多方面的控制和信息處理問(wèn)題智能控制系統(tǒng)是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，其中最典型的智能能機(jī)器人大系統(tǒng)理論和智能控制理論4/2/202311經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論—種頻域方法以系統(tǒng)的輸出輸入特性作為研究的依據(jù)

著眼于系統(tǒng)的輸出

本質(zhì)是一種時(shí)域方法建立在狀態(tài)變量描述方法基礎(chǔ)上的著眼于系統(tǒng)的狀態(tài)

給定一類(lèi)特定的輸入情況下，分析輸出的響應(yīng)是根據(jù)給定的某種指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)?？傊塾谙到y(tǒng)外部聯(lián)系。

揭示系統(tǒng)對(duì)控制和初始狀態(tài)的依賴(lài)關(guān)系，指出其可能影響的性質(zhì)和程度揭示系統(tǒng)在一定的指標(biāo)提法和其它限制條件下可能達(dá)到的最佳狀態(tài)，即最優(yōu)控制

4/2/202313經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論控制器即校正裝置，是由能實(shí)現(xiàn)典型控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器構(gòu)成的

控制器則是能實(shí)現(xiàn)任意控制規(guī)律的數(shù)字機(jī)

基本內(nèi)容有時(shí)域法、頻率法、根軌跡法、描述函數(shù)法、相平面法、代數(shù)與幾何穩(wěn)定判據(jù)、校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等主要問(wèn)題是穩(wěn)定性問(wèn)題基本內(nèi)容有線性系統(tǒng)基本理論、系統(tǒng)辨識(shí)、最優(yōu)控制問(wèn)題、自適應(yīng)控制問(wèn)題及最佳濾波問(wèn)題等主要問(wèn)題是最優(yōu)化問(wèn)題研究控制系統(tǒng)輸出的分析與綜合的理論研究控制系統(tǒng)狀態(tài)的分析與綜合的理論4/2/202314現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容

1、線性系統(tǒng)理論狀態(tài)空間法

狀態(tài)空間表達(dá)式的解

可控性和可觀測(cè)性

穩(wěn)定性和李雅普諾夫方法狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測(cè)器

4/2/2023153、隨機(jī)最優(yōu)估計(jì)和控制在具有隨機(jī)信號(hào)、隨機(jī)噪聲和隨機(jī)系統(tǒng)特性時(shí)，系統(tǒng)的最優(yōu)估計(jì)和控制，包括：最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題(包括預(yù)測(cè)、濾波和平滑問(wèn)題)，即求狀態(tài)向量的最優(yōu)估計(jì)隨機(jī)最優(yōu)控制問(wèn)題，主要是線性高斯二次型問(wèn)題，它可分為兩部分，一是用Kalman濾波技術(shù)求狀態(tài)的估計(jì)值，另一是按確定性二次型最優(yōu)控制問(wèn)題，由上述估計(jì)值求狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制規(guī)律。4/2/202317魯棒控制：控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動(dòng)時(shí)仍可使系統(tǒng)性能指標(biāo)不變的屬性稱(chēng)為魯棒性。模糊控制：采用由模糊數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述的控制律(控制規(guī)則)來(lái)操縱系統(tǒng)工作的控制方式智能控制：在無(wú)人干預(yù)的情