《現(xiàn)代控制理論》課件第1章

教學大綱課程名稱：現(xiàn)代控制理論先修課程：矩陣論、線性代數(shù)、電路理論、自動控制原理等課程類別：專業(yè)基礎課適用專業(yè)：自動化課程簡介最優(yōu)控制理論系統(tǒng)的綜合設計方法線性穩(wěn)定性分析現(xiàn)代控制系統(tǒng)的數(shù)學模型狀態(tài)空間方程的解系統(tǒng)能控性能觀性分析《現(xiàn)代控制原理》這一課程闡述現(xiàn)代控制的基本理論與應用。課程結(jié)構ModelAnalysisSynthesize

控制系統(tǒng)(連續(xù)與離散)小標題穩(wěn)定性，動態(tài)性能，

穩(wěn)態(tài)性能(穩(wěn)準快）狀態(tài)空間方程極點配置系統(tǒng)耦合穩(wěn)定性、能控性、

能觀性洛陽理工學院2024/5/18第1章緒論如：在航空航天和國防工業(yè)中，自動控制在飛機的自動駕駛系統(tǒng)、

宇宙飛船系統(tǒng)和導彈制導系統(tǒng)中發(fā)揮著特別重要的作用；

在現(xiàn)代制造業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)過程中，自動控制同樣起著無法替代

的作用。隨著自動控制技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，自動控制技術不僅可以把人類從繁重單一的體力勞動和部分腦力勞動中解放出來，而且還可以完成許多僅靠人類自身無法完成的精密復雜的工作。在科學技術的發(fā)展過程中，自動控制始終擔負著重要的角色。自控控制理論的應用倒立擺穩(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1章緒論流程工業(yè)第1章緒論制造業(yè)第1章緒論導彈穩(wěn)定控制空空導彈穩(wěn)定控制地空導彈穩(wěn)定控制第1章緒論航天器控制月球車控制衛(wèi)星控制第1章緒論足球機器人空間機器人樂高機器人第1章緒論網(wǎng)絡控制第1章緒論無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術角度定義可以分為：無人直升機、無人固定翼機、無人多旋翼飛行器等。

無人機按應用領域，可分為軍用與民用。第1章緒論1.1.1控制理論的發(fā)展階段

智能控制理論(IntelligentControlTheory)1.1控制理論的發(fā)展過程控制理論的發(fā)展階段經(jīng)典控制理論(ClassicalControlTheory)現(xiàn)代控制理論

(ModernControlTheory)經(jīng)典控制理論形成和發(fā)展在20世紀30-40年代，初步形成在20世紀40年代形成體系時域分析頻率分析

根軌跡法123發(fā)展階段形成體系萌芽階段19世紀20世紀40年代18世紀初1.1控制理論的發(fā)展過程經(jīng)典控制理論形成和發(fā)展在20世紀30-40年代，初步形成在20世紀40年代形成體系時域分析頻率分析

根軌跡法123發(fā)展階段形成體系萌芽階段19世紀20世紀40年代18世紀初1.1控制理論的發(fā)展過程經(jīng)典控制理論的奠基人（1）1868年麥斯韋爾（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)。麥斯韋爾（J.C.Maxwell）第一個對反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析并發(fā)表論文的人（2）1877年和1895年勞斯(Routh)與赫爾維茨(Hurwitz）把馬克斯韋爾的思想擴

展到高階微分方程描述的更復雜的系統(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。赫爾維茨（Hurwitz）勞斯（Routh）1.1控制理論的發(fā)展過程（3）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

奈奎斯特（H.Nyquist）提出了頻域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應法，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)提供所需的分析工具。奈奎斯特耶魯大學(Yale)BellLabs1.1控制理論的發(fā)展過程（4）1948年伊萬斯（W.R.Ewans）提出了復數(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法和伊萬斯的根軌跡法基礎上的理論，

稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）（5）Bell實驗室的荷蘭裔科學家亨Bode發(fā)明了一種簡單但準確的方法繪制

增益及相位的圖，這樣的圖后來也就稱為了伯德圖。Evans美國電氣工程師，所從事的是飛機導航和控制1.1控制理論的發(fā)展過程

經(jīng)典控制的特點經(jīng)典控制理論特點研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)，高階微分方程研究方法傳遞函數(shù)法(外部描述)研究工具拉普拉斯變換分析方法頻域(復域),頻率響應和根軌跡法設計方法PID控制和校正網(wǎng)絡

其他頻率法的物理意義直觀、實用1.1控制理論的發(fā)展過程

經(jīng)典控制的局限性（1）難以有效地應用于時變系統(tǒng)；（2）難以有效地應用于多變量系統(tǒng)；（3）難以有效地應用于非線性系統(tǒng)；（4）難以實現(xiàn)最優(yōu)控制。1.1控制理論的發(fā)展過程現(xiàn)代控制理論1發(fā)展階段形成體系萌芽階段60~80年代80年代后20世紀50年代231.1控制理論的發(fā)展過程現(xiàn)代控制理論的發(fā)展20世紀50年代形成動態(tài)規(guī)劃法美國Bellman極大值原理蘇聯(lián)Pontryagin卡爾曼濾波美國Kalman在蓬勃興起的航空航天技術的推動和計算機技術飛速發(fā)展的支持下，控制理論在1960年前后有了重大的突破和創(chuàng)新。在此期間，由卡爾曼提出的線性控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間法、能控性和能觀測性的概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎，其提出的卡爾曼濾波，在隨機控制系統(tǒng)的分析與控制中得到廣泛應用。1.1控制理論的發(fā)展過程現(xiàn)代控制理論的發(fā)展（1）五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)分析法；在

1957年提出了動態(tài)規(guī)劃；動態(tài)規(guī)劃是解決多階段決策問題的一種方法.1951年，美國數(shù)學家貝爾曼（R.Bellman，1920～1984）研究了一類多階段決策問題的特征，提出了解決這類問題的基本原理。在研究、解決了某些實際問題的基礎上，他于1957年出版了《動態(tài)規(guī)劃》這一名著。貝爾曼1.1控制理論的發(fā)展過程（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；卡爾曼魯?shù)婪颉た柭傺览崦绹鴶?shù)學家。1953年于麻省理工學院獲得電機工程學士，翌年碩士學位。1957年于哥倫比亞大學獲得博士學位。1964年至1971年任職斯坦福大學。1971年至1992年任佛羅里達大學數(shù)學系統(tǒng)理論中心主任。1972起任瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院數(shù)學系統(tǒng)理論中心主任直至退休。1.1控制理論的發(fā)展過程（3）1961年龐特里亞金提出了極?。ù螅┲翟怼｝嬏乩飦喗?，俄羅斯數(shù)學家。1908年9月3日生于莫斯科。13歲時因爆炸事故雙目失明，母親幫助他自學數(shù)學。1925年進入莫斯科大學數(shù)學力學系。1929年畢業(yè)后成為拓撲學家亞歷山德洛夫的研究生。他早期研究拓撲學，50年代開始研究振動理論和最優(yōu)控制理論，以極大值原理著稱于世。龐特里亞金1.1控制理論的發(fā)展過程(4)羅森布洛克、歐文斯和麥克法輪研究了使用于計算機輔助控制系統(tǒng)設計的現(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)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎。(5)20世紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國）在自適應控制理論和應用方面作出了貢獻。與此同時，關于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)和自適應控制的發(fā)展大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。1.1控制理論的發(fā)展過程智能控制理論智能控制方法模糊控制

神經(jīng)網(wǎng)絡控制專家控制

自適應學習控制

隨著交叉學科的發(fā)展，控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構越來越復雜，范圍也擴展到了社會、經(jīng)濟及管理等其他非工程系統(tǒng)，原有的理論難以應付這些問題。于是，相應的大系統(tǒng)理論和復雜系統(tǒng)理論就應運而生。復雜系統(tǒng)主要是針對大型及復雜的工程、社會、經(jīng)濟和管理系統(tǒng)，進行相關的控制理論研究。1.1控制理論的發(fā)展過程經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論研究對象單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO)多輸入多輸出系統(tǒng)(MIMO)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)矩陣分析方法時域、頻率分析和根軌跡法實域、復數(shù)域分析內(nèi)容穩(wěn)定性、準確性、快速性穩(wěn)定性、能觀性、能控性設計方法PID控制和校正網(wǎng)絡狀態(tài)反饋和輸出反饋1.1控制理論的發(fā)展過程1.1.2經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的關系兩種理論的區(qū)別1.1控制理論的發(fā)展過程兩種理論的聯(lián)系現(xiàn)代控制理論是在經(jīng)典控制理論的基礎上發(fā)展起來的，在對動態(tài)系統(tǒng)進行分析研究時，兩種理論相互補充、相輔相成。例：對于線性定常系統(tǒng)，以傳遞函數(shù)(矩陣)為聯(lián)系，可以把經(jīng)典

控制方法推廣到現(xiàn)代控制方法中。經(jīng)典控制理論是研究控制系統(tǒng)輸出的分析與綜合的理論現(xiàn)代控制理論是研究控制系統(tǒng)狀態(tài)的分析與綜合的理論1.2.1現(xiàn)代控制理論的主要分支線性系統(tǒng)理論建模及系統(tǒng)辨識最優(yōu)濾波理論

控制系統(tǒng)的綜合現(xiàn)代控制理論主要分支1.2現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容狀態(tài)空間分析法

研究系統(tǒng)輸入/輸出特性和內(nèi)部性能

(Input/outputpropertiesofsystemsandinternalperformance)現(xiàn)代控制理論研究的方法1.2現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容1.2.2現(xiàn)代控制理論的應用現(xiàn)狀1.2現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容倒