控制理論的進展

控制理論的進展第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五課程介紹線性代數(shù)微積分自動控制理論古典控制理論現(xiàn)代控制理論積分變換復(fù)變函數(shù)過程控制電力電子技術(shù)計算機技術(shù)通訊技術(shù)自動控制原理線性系統(tǒng)理論第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論最優(yōu)估計理論系統(tǒng)辨識理論自適應(yīng)控制理論智能控制理論現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容和發(fā)展第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五以“三論”（系統(tǒng)論、信息論、控制論）為代表的科學(xué)方法論，是二十實際以來最偉大的成果。它的崛起為人類認識世界和改造世界提供了新的有力的武器?！叭摗钡拇碜鳎骸跋到y(tǒng)論”----貝塔朗菲的《關(guān)于一般系統(tǒng)論》1945年“控制論”----維納的《控制論》1948年（該書的全稱為《控制論----動物和機器中的控制與通信》《CyberneticsorControlandCommunicationintheAnimalandMachine》)“信息論”----香農(nóng)的《通信的數(shù)學(xué)理論》1948年第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五自動控制的發(fā)展及現(xiàn)狀以維納的《控制論》為標志，1948年正式形成。三個時期：第一個時期經(jīng)典控制理論時期40年代末到50年代單機自動化局部自動化單變量控制自動調(diào)節(jié)器伺服系統(tǒng)第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五第二個時期現(xiàn)代控制理論時期60年代

多變量控制最優(yōu)控制多種變化因素

航天系統(tǒng)導(dǎo)彈系統(tǒng)人造衛(wèi)星世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五第三個時期大系統(tǒng)理論時期70年代規(guī)模龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜變量參數(shù)多目標不單一生物系統(tǒng)社會系統(tǒng)機器人計算機集成制造系統(tǒng)第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五美國“哥倫比亞”號航天飛機首次發(fā)射成功

(1981年)。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五大鼠導(dǎo)航遙控系統(tǒng)智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)展前景：向大系統(tǒng)理論發(fā)展規(guī)模龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜功能綜合因數(shù)眾多……向智能控制系統(tǒng)發(fā)展自組織自學(xué)習(xí)自修復(fù)自繁殖……第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五現(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)、交通運輸及國防建設(shè)等各個領(lǐng)域。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五倒立擺穩(wěn)定控制單級倒立擺穩(wěn)定控制二級倒立擺穩(wěn)定控制第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五洗衣機智能控制電冰箱溫度控制智能控制第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五導(dǎo)彈穩(wěn)定控制空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五機器人控制空間機器人控制足球機器人控制第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是英國人瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)速器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。瓦特控制界的大師、奠基人第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五Watt’sflyballgovernor第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五1868年英國物理學(xué)家馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調(diào)速系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)。馬克斯韋爾（J.C.Maxwell）第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五俄國數(shù)學(xué)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。李雅普諾夫第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五

赫爾維茨（Hurwitz）1895年英國數(shù)學(xué)家勞斯(E.J.Routh)和德國數(shù)學(xué)家胡爾維茨(A.Hurwitz)把麥克斯韋的思想擴展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，各自提出了兩個著名的穩(wěn)定性判據(jù)—勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)?；旧蠞M足了二十世紀初期控制工程師的需要。勞斯第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五由于第二次世界大戰(zhàn)需要控制系統(tǒng)具有準確跟蹤與補償能力，1932年美國物理學(xué)家奈奎斯特（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)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。

奈奎斯特第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納（N.Weiner）把控制論引起的自動化同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，并與1948年出版了《控制論—關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的科學(xué)》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。控制論之父——維納維納其人：四歲開始讀書神童十一歲寫出關(guān)于感知理論的哲學(xué)論文十八歲哈佛大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位五十五歲（1948年）名著《控制論》第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并與1954年出版了《工程控制論》。錢學(xué)森第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五五十年代后期，美國數(shù)學(xué)家貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在1957年提出了動態(tài)規(guī)劃。1959年美國數(shù)學(xué)家卡爾曼（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性的新概念。卡爾曼第27頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五1956年,前蘇聯(lián)科學(xué)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。龐特里亞金L.S.Pontryagin第28頁，共29頁，2023年，2月20日，星期五20世紀70