第一章現(xiàn)代控制理論緒論

現(xiàn)代控制理論

ModernControlTheory楊秀麗電話短號(hào):615869)QQ:516711699郵箱：xlyscau@163.com公郵：hnnydxzdh(密碼：hnnydx123)自動(dòng)化教研室(工程學(xué)院南507)教材：

曲延濱、王新生主編，《現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005參考資料：劉豹、唐萬生主編，現(xiàn)代控制理論(第三版)，機(jī)械工業(yè)出版社，2006張嗣瀛、高立群，現(xiàn)代控制理論，清華大學(xué)出版社,2006俞立主編，《現(xiàn)代控制理論》，清華大學(xué)出版社，2007袁德成等主編《現(xiàn)代控制理論》，清華大學(xué)出版社，2007中國期刊網(wǎng)（自動(dòng)化學(xué)報(bào)）《ModernControlSystemEngineering》，Ogata《控制系統(tǒng)CAD與仿真：MATLAB語言及應(yīng)用》，王海英主編

………………課時(shí)：32考核：綜合出勤、學(xué)習(xí)態(tài)度、課堂表現(xiàn)、期末閉卷考試等。缺作業(yè)達(dá)到三分之一及其以上，或隨機(jī)點(diǎn)名缺勤三次以上無考試資格?？荚嚪绞剑洪]卷（50%卷面成績，50%平時(shí)成績(出勤率，作業(yè)，測試)）第一章緒論引言1.1

控制理論的發(fā)展歷程1.2控制理論的分析比較1.3現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)1.4現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容1.5現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用1.6本課程的主要內(nèi)容引言面對未知及不斷變化的世界，人類發(fā)明了無數(shù)理論和工具，控制論就是其中之一?？刂普撌且环N思想、一種方法、一種工具、一門學(xué)科。人類在20世紀(jì)所取得的巨大技術(shù)成就，控制科學(xué)與技術(shù)的作用非常顯著。錢學(xué)森曾經(jīng)從生產(chǎn)力，特別是技術(shù)革命的進(jìn)程分析了控制論的產(chǎn)生和發(fā)展。他強(qiáng)調(diào)：“我們可以毫不含糊地說，從科學(xué)理論的角度來看，20世紀(jì)上半葉的三大偉績是相對論、量子論和控制論，也許可以稱它們?yōu)槿?xiàng)科學(xué)革命，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的三大飛躍?！币砸噪S著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，控制的必要性體現(xiàn)在方方面面：飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、宇宙飛船系統(tǒng)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)；數(shù)控機(jī)床，工業(yè)過程中流量、壓力、溫度的控制；機(jī)器人控制、城市交通控制、網(wǎng)絡(luò)擁塞控制；生物系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。1.1控制理論的發(fā)展歷程經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論新發(fā)展——大系統(tǒng)理論智能控制1.1.1經(jīng)典控制理論自動(dòng)控制思想及其實(shí)踐歷史悠久，可以追溯到久遠(yuǎn)的古代：如公元前300年-200年在古希臘出現(xiàn)的水鐘；公元前14-11世紀(jì)中國、埃及和巴比倫的自動(dòng)滴漏計(jì)時(shí)器；古羅馬簡單的水位調(diào)節(jié)裝置等。但，僅是自控系統(tǒng)的萌芽。兩千年前我國發(fā)明的

指南車，就是一種開

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

（北宋哲宗元祐初年），

我國發(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)1.1控制理論的發(fā)展歷程1788年，英國瓦特（J.Watt）利用負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)的用來控制蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的離心調(diào)速器，亦稱飛球調(diào)速器/控制器-----第一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，首次應(yīng)用于工業(yè)，拉開了控制理論發(fā)展的序幕。1868年，英國麥克斯韋（J.C.Maxwell）發(fā)表了《論調(diào)速器》，指出微分方程特征根的位置（在左半面或右半面）跟穩(wěn)定有關(guān)，開辟用數(shù)學(xué)方法研究控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的途徑。瓦特瓦特詹姆斯·瓦特（JamesWatt，1736年1月19日-1819年8月19日）是英國著名的發(fā)明家，是工業(yè)革命時(shí)的重要人物。英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員和法蘭西科學(xué)院外籍院士。他對當(dāng)時(shí)已出現(xiàn)的蒸汽機(jī)原始雛形作了一系列的重大改進(jìn)，發(fā)明了單缸單動(dòng)式和單缸雙動(dòng)式蒸汽機(jī)，提高了蒸汽機(jī)的熱效率和運(yùn)行可靠性，對當(dāng)時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展作出了杰出貢獻(xiàn)。他改良了蒸汽機(jī)、發(fā)明了氣壓表、汽動(dòng)錘。后人為了紀(jì)念他，將功率的單位稱為瓦特，常用符號(hào)“W”表示。瓦特是國際單位制中間的功率和輻射通量的計(jì)量單位，常用符號(hào)“W”表示。1.1.1

經(jīng)典控制理論1875年和1895年，英國勞斯Routh和德國赫爾維茨Hurwitz先后提出了判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法（Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)），奠定了經(jīng)典控制論中時(shí)域法的基礎(chǔ)。1892年，俄國李雅普諾夫在《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，美國奈奎斯特Nyquist提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則，奠定了頻域法的基礎(chǔ)。奈奎斯特奈奎斯特（1889-1976），美國物理學(xué)家。1917年獲得耶魯大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。曾在美國AT&T公司與貝爾實(shí)驗(yàn)室任職。奈奎斯特為近代信息理論做出了突出貢獻(xiàn)。他總結(jié)的奈奎斯特采樣定理是信息論、特別是通訊與信號(hào)處理學(xué)科中的一個(gè)重要基本結(jié)論。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。1945年，美國伯德Bode在《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計(jì)》中提出頻率響應(yīng)法－Bode圖。1948年，美國伊萬斯(W.E.Evans)提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的根軌跡法。1948年，美國維納（Wiener）在《控制論－關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。－－標(biāo)志控制學(xué)科正式誕生?？刂普揅ybernetics：研究動(dòng)物（包括人類）和機(jī)器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學(xué)科。1.1.1

經(jīng)典控制理論1954年，錢學(xué)森的《工程控制論》在美國出版。－－－奠定了工程控制論的基礎(chǔ)維納諾伯特·維納（NorbertWiener）（1894年11月26日—1964年3月18日），美國應(yīng)用數(shù)學(xué)家，控制論的創(chuàng)始人，在電子工程方面貢獻(xiàn)良多。他是隨機(jī)過程和噪聲過程的先驅(qū)，又提出了“控制論”的一詞。

維納在其50年的科學(xué)生涯中，先后涉足哲學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)和工程學(xué)，最后轉(zhuǎn)向生物學(xué)，在各個(gè)領(lǐng)域中都取得了豐碩成果，稱得上是恩格斯頌揚(yáng)過的、本世紀(jì)多才多藝和學(xué)識(shí)淵博的科學(xué)巨人。在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了解決防空火力控制和雷達(dá)噪聲濾波問題，維納綜合運(yùn)用了他以前幾方面的工作，于1942年2月首先給出了從時(shí)間序列的過去數(shù)據(jù)推知未來的維納濾波公式，建立了在最少均方誤差準(zhǔn)則下將時(shí)間序列外推進(jìn)預(yù)測的維納濾波理論。維納的這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)自動(dòng)防空控制炮火等方面的預(yù)測問題提供了理論依據(jù)，并為評價(jià)一個(gè)通訊和控制系統(tǒng)加工信息的效率和質(zhì)量從理論上開辟了一條途徑。它對自動(dòng)化技術(shù)科學(xué)有重要的影響。維納在問題中引進(jìn)統(tǒng)計(jì)因素并使用了自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)，事實(shí)證明這是極其重要的。維納濾波模型在50年代被推廣到僅在有限時(shí)間區(qū)間內(nèi)進(jìn)行觀測的平穩(wěn)過程以及某些特殊的外平穩(wěn)過程，其應(yīng)用范圍也擴(kuò)充到更多的領(lǐng)域，至今它仍是處理各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如氣象、水文、地震勘探等)及預(yù)測未來的有力工具之一。維納對科學(xué)發(fā)展所作出的最大貢獻(xiàn)，是創(chuàng)立控制論。這是一門以數(shù)學(xué)為紐帶，把研究自動(dòng)調(diào)節(jié)、通信工程、計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)以及生物科學(xué)中的神經(jīng)生理學(xué)和病理學(xué)等學(xué)科共同關(guān)心的共性問題聯(lián)系起來而形成的邊緣學(xué)科。1947年10月，維納寫出劃時(shí)代的著作《控制論》，1948年出版后，立即風(fēng)行世界。維納的深刻思想引起了人們的極大重視。它揭示了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺機(jī)能的共同規(guī)律；為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究提供了嶄新的科學(xué)方法；它從多方面突破了傳統(tǒng)思想的束縛，有力地促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)思維方式和當(dāng)代哲學(xué)觀念的一系列變革?，F(xiàn)在，控制論已有了許多重大發(fā)展，但維納用吉布斯統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理某些數(shù)學(xué)模型的思想仍處于中心地位。他定義控制論為：“設(shè)有兩個(gè)狀態(tài)變量，其中一個(gè)是能由我們進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而另一個(gè)則不能控制。這時(shí)我們面臨的問題是如何根據(jù)那個(gè)不可控制變量從過去到現(xiàn)在的信息來適當(dāng)?shù)卮_定可以調(diào)節(jié)的變量的最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)對于我們最為合適、最有利的狀態(tài)。”

1956年，美國貝爾曼R.Bellman發(fā)表《動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論在控制過程中的應(yīng)用》，建立了最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ)。1956/1958年，前蘇聯(lián)的龐德里亞金發(fā)表了《最優(yōu)過程的數(shù)學(xué)理論》，提出了極大值原理（MaximumPrinciple）。1960年，美籍匈牙利人卡爾曼R.E.Kalman發(fā)表了“OntheGeneralTheoryofControlSystems”，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出了能控性、能觀性、卡爾曼濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。1.1.2現(xiàn)代控制理論L.S.Pontryagin1957年成立了國際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC：InternationalFederationofAutomaticControl）。60年代初，一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立，標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。1.1.2現(xiàn)代控制理論

70年代中期，自動(dòng)化的應(yīng)用開始面向大規(guī)模、復(fù)雜的系統(tǒng)，如大型電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、國民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論方法已不能取得應(yīng)有的成效，于是出現(xiàn)了：——大系統(tǒng)理論

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)，如生產(chǎn)過程、交通運(yùn)輸、生物工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和空間技術(shù)等復(fù)雜系統(tǒng)。1.1.3現(xiàn)代控制理論的發(fā)展研究對象：著重解決生物系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)這樣一些眾多變量的大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化問題。研究方法：時(shí)域法為主重點(diǎn)：大系統(tǒng)多級(jí)遞階控制核心裝置：網(wǎng)絡(luò)化的電子計(jì)算機(jī)近年來成為控制理論界研究的熱點(diǎn)，如魯棒控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等一直長盛不衰。從控制論的觀點(diǎn)看，人是最巧妙，最靈活的控制系統(tǒng)。

70年代始，人們開始嘗試解決模擬人腦功能，形成了新的學(xué)科，人工智能科學(xué)AI(ArtificialIntelligence)，應(yīng)用于控制系統(tǒng)后——智能控制（IntelligentControl）具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，如智能機(jī)器人。信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為智能控制的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要內(nèi)容：

模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制專家控制、遺傳算法1.1.3現(xiàn)代控制理論的發(fā)展1.1.4控制理論發(fā)展趨勢企業(yè)：資源共享、因特網(wǎng)、信息集成信息技術(shù)+控制技術(shù)集成控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)集成制造CIMS：（工廠自動(dòng)化）

ComputerIntegratedManufacturingSystem應(yīng)用：生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會(huì)控制等控制論：1948年美國數(shù)學(xué)家維納《控制論》1940——1950經(jīng)典控制理論單機(jī)自動(dòng)化1960——1970現(xiàn)代控制理論機(jī)組自動(dòng)化1970——1980大系統(tǒng)理論控制管理綜合1980——1990智能控制理論智能自動(dòng)化1990——21c集成控制理論網(wǎng)絡(luò)控制自動(dòng)化控制理論的發(fā)展歷程—小結(jié)

1.2.1經(jīng)典控制理論1、形成和發(fā)展①在20世紀(jì)30-40年代，初步形成。②在20世紀(jì)40年代形成體系。2、主要研究對象：單機(jī)自動(dòng)化，SISO線性定常系統(tǒng)3、主要數(shù)學(xué)工具：常微分方程、拉氏變換4、主要研究方法：根軌跡法、頻域法和傳遞函數(shù)5、主要研究問題：控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度1.2控制理論的分析比較6、經(jīng)典控制理論的局限性：

①難以有效地應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)②難以有效地應(yīng)用于非線性系統(tǒng)③難以描述系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及其狀態(tài)變量，無法揭示系統(tǒng)更深刻的特性。1.2.1經(jīng)典控制理論1.2.2現(xiàn)代控制理論1、形成和發(fā)展①在20世紀(jì)50-60年代形成②上世紀(jì)60年代末至80年代迅速發(fā)展大系統(tǒng)智能系統(tǒng)2、主要研究對象：機(jī)組自動(dòng)化，MIMO線性、非線性、定常與時(shí)變系統(tǒng)3、主要數(shù)學(xué)工具：一次微分方程組、矩陣論、線性代數(shù)4、主要研究方法：狀態(tài)空間法（時(shí)域方法）5、取得的成就?1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星；?1961年前蘇聯(lián)載人航天（東方一號(hào)，加加林）；?1962年美國制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；

?1966年前蘇聯(lián)首次月球軟著陸（月球9號(hào)）；?1969年美國阿波羅登月。1.2.2現(xiàn)代控制理論

研究對象是多變量系統(tǒng)；（經(jīng)典理論主要以單輸入單輸出系統(tǒng)為研究對象）

-----具有大得多的適用范圍。

②除輸入、輸出特性外，還著重研究系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)-“白箱子”（經(jīng)典理論只考慮系統(tǒng)的外部性能-“黑箱子”）

----所考慮的問題更為全面和深刻。1.3現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)③分析方法以時(shí)域法為主，兼用頻域法；（經(jīng)典理論主要采用頻域法）

-----能充分利用這兩種方法，而時(shí)域法對動(dòng)態(tài)描述要更為直觀。

④使用更多的數(shù)學(xué)工具。除經(jīng)典理論中使用的拉氏變換外，還大量使用線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摵臀⒎址匠汤碚摰取?/p>

-----能探討更一般更復(fù)雜的問題。1.3現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)科學(xué)在發(fā)展，控制論也在不斷發(fā)展。實(shí)際上，一般講的現(xiàn)代控制理論指的是五六十年代所產(chǎn)生的一些控制理論。1.線性系統(tǒng)理論—現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)主要研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能之間的關(guān)系。主要包括：線性系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式---數(shù)學(xué)模型能控性和能觀性—核心內(nèi)容狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)—理論應(yīng)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論---穩(wěn)定性分析1.4現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容2.最優(yōu)控制（OptimalControl

）在給定約束條件和性能指標(biāo)下，尋找使系統(tǒng)性能指標(biāo)最佳的控制規(guī)律。主要方法：變分法、極大值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等極大值原理最優(yōu)控制的核心即：使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)（最小或最大）某一性能指標(biāo)最優(yōu)，如時(shí)間最短或燃料消耗最小等。1.4現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容3.自適應(yīng)控制（AdaptiveControl

）在控制系統(tǒng)中，控制器能自動(dòng)適應(yīng)內(nèi)外部參數(shù)、外部環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)達(dá)到一定意義下的最優(yōu)。a.模型參考自適應(yīng)控制

（ModelReferenceAdaptiveControl)b.自校正自適應(yīng)控制（Self-TurningAdaptiveControl)1.4現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容4.建模及系統(tǒng)辨識(shí)（SystemIdentification

）建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的方法：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定一個(gè)與被研究系統(tǒng)本質(zhì)特征等價(jià)的模型，并確定其模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。（若只需確定參數(shù)，即結(jié)構(gòu)已知，則稱為參數(shù)估計(jì)ParameterEstimation

。）5.

最優(yōu)濾波理論（最優(yōu)估計(jì)）當(dāng)系統(tǒng)中存在隨機(jī)干擾和環(huán)境噪聲時(shí)，其不確定性須應(yīng)用概率和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。即：已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過輸入輸出數(shù)據(jù)的測量，利用統(tǒng)計(jì)方法獲得有用信號(hào)的最優(yōu)估計(jì)。Kalman濾波器1.4現(xiàn)代控制理論的基本內(nèi)容1.5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(yùn)輸及國防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域。1.5現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用倒立擺穩(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1.5現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用導(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1.5現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制1.5現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用機(jī)器人控制空間機(jī)器人控制足球機(jī)器人控制經(jīng)典控制理論:

數(shù)學(xué)模型：線性定常高階微分方程和傳遞函數(shù);

分析方法：時(shí)域法(低階1～3階)

根軌跡法頻域法

適應(yīng)領(lǐng)域：單輸入－單輸出（SISO）線性定常系統(tǒng)

缺點(diǎn)：只能反映輸入－輸出間的外部特性，難以揭示系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)代控制理論：

數(shù)學(xué)模型：以一階微分方程組或差分方程組表示的動(dòng)態(tài)方程

分析方法：精準(zhǔn)的時(shí)域分析法

適應(yīng)領(lǐng)域：（1）多輸入－多輸出系統(tǒng)（MIMO、SISO、MISO、SIMO）（2）非線性系統(tǒng)（3）時(shí)變系統(tǒng)

優(yōu)越性：（1）能描述系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)

（2）便于考慮初始條件（與傳遞函數(shù)比較）（3）適用于多變量、非線性、時(shí)變等復(fù)雜大型控制系統(tǒng)（4）便于計(jì)算機(jī)分析與計(jì)算

（5）便于性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制

內(nèi)容：線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制近似分析經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論--小結(jié)線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述狀態(tài)空間基本概念；動(dòng)態(tài)方程模型的建立；狀態(tài)方程的線性變換。線性控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣及其性質(zhì)；狀態(tài)方程的求解。線性系統(tǒng)的能控性與能觀測性能控性和能觀性概念；能控性和能觀性判據(jù)等?？刂葡到y(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性分析李雅普諾夫意義下的穩(wěn)定性定義和判斷方法。

線性定?？刂葡到y(tǒng)的綜合設(shè)計(jì) 狀態(tài)反饋與閉環(huán)極點(diǎn)配置；輸出反饋與極點(diǎn)配置；狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)。1.6本課程的主要內(nèi)容指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車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。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。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車輪就會(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)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開動(dòng)以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動(dòng)類似現(xiàn)代汽車用的差動(dòng)齒輪，相當(dāng)于汽車中差動(dòng)齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動(dòng)化設(shè)備。

指南車指南車是我國古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機(jī)械之一。用英國著名科學(xué)史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機(jī)器的第一步”，是人類“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)有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、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。

這臺(tái)儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國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，瓦特完成了對蒸汽機(jī)的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進(jìn)，使蒸汽機(jī)的效率提高到原來紐科門機(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)明者稱號(hào)。瓦特JamesWatt（JamesWatt,1736～1819）英國發(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、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)明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。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)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動(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。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻(xiàn)。奈奎斯特1907年移民到美國并于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，后來又到德國、英國學(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)是火炮命中率問題。維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動(dòng)作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經(jīng)專家進(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，維納又和許多有名科學(xué)家進(jìn)行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來，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歲開始讀書。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)