0 現(xiàn)代控制系統(tǒng)緒論.ppt

1、2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,現(xiàn) 代 控 制 理 論,賀容波 安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院,Modern Control Theory,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,參考書,自動(dòng)控制原理（下冊(cè)） 國(guó)防工業(yè)出版社 李友善 現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 王孝武 線性控制系統(tǒng) 清華大學(xué)出版社 鄭大鐘 現(xiàn)代控制理論習(xí)題集 圖書館相關(guān)書目,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,緒 論,本章要點(diǎn)： 1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展 2 現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容 3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異 4 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 5 現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容劃分,2020/7

2、/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展,控制理論作為一門科學(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。控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個(gè)階段：,1）經(jīng)典控制理論 經(jīng)典控制理論（古典控制理論）,也稱為自動(dòng)控制理論。,從二十世紀(jì)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)。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,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

3、的分析工具。 1948年伊文斯（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)法和伊文斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動(dòng)控制理論）。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,經(jīng)典控制理論的特點(diǎn),1）把系統(tǒng)當(dāng)作“黑箱”，不反映黑箱內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部變量，只反映外部變量，即輸入輸出間的因果關(guān)系； 2）傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，研究系統(tǒng)外部特性，屬于外部描述，不完全描述； 3）主要采用頻域法，建立在根軌跡和奈奎斯特判據(jù)等基礎(chǔ)之上的； 4）局限性：,局限于線性定常系統(tǒng)，不適合非線性和時(shí)變系統(tǒng)；,是分析方法而不是最佳的綜合方法，以試湊法為主，滿

4、足性能指標(biāo)為目的，無法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的系統(tǒng)，僅針對(duì)某個(gè)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案多樣。,局限于單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO系統(tǒng)）;,無法考慮系統(tǒng)的初始條件（傳遞函數(shù)的定義）；,只能研究確定性的系統(tǒng)，不適合隨機(jī)系統(tǒng)；,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,2）現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展,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

5、而出現(xiàn)了對(duì)多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)問題的解決需求。越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)典控制理論已不能勝任，于50年代末60年代初出現(xiàn)了現(xiàn)代控制理論，是建立在古典控制理論基礎(chǔ)上的新一代的控制理論。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,既適合線性定常系統(tǒng)，也適合非線性及系統(tǒng),現(xiàn)代控制理論的優(yōu)點(diǎn)（相對(duì)于經(jīng)典控制）,分析綜合方法，可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制,考慮了初始條件，系統(tǒng)狀態(tài)可以由初始條件和輸入來刻劃,既適合確定性的系統(tǒng)，也適合隨機(jī)系統(tǒng),既適合SISO系統(tǒng)，也適合MIMO(多輸入多輸出)系統(tǒng),2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異,202

6、0/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,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)劃最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ)。,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。,卡爾曼,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,卡爾曼介紹 匈牙利數(shù)學(xué)家，1930年出生于匈牙利首都布達(dá)佩斯。1953、1954年于麻省理工學(xué)院分別獲得電機(jī)工程學(xué)士及碩士學(xué)位。1957年于哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位。在現(xiàn)代控制理論中的卡爾曼濾波器，正是源于他的博士論文和1960年發(fā)表

7、的論文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems（線性濾波與預(yù)測(cè)問題的新方法）。后又發(fā)表了控制系統(tǒng)的一般理論、線性估計(jì)和辨識(shí)問題的新結(jié)果，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,4. 羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法蘭（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)。

8、,3. 1961年龐特里亞金（俄國(guó)人）提出了極小（大）值原理最優(yōu)控制理論的基礎(chǔ)。,龐特里亞金 L.S.Pontryagin,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,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,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,魯棒控制理論,不確定性是系統(tǒng)所必然存在的，是設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的，在經(jīng)典控制理論中以頻域靈敏度函數(shù)的整形為主要手段，來克服系統(tǒng)中存在的不確定

9、性，而在現(xiàn)代控制理論中以始于1975年左右的魯棒控制理論為手段來解決這類問題。 魯棒性的定義：1 魯棒性是一種性質(zhì)，應(yīng)該與某種事物相關(guān)聯(lián)，如控制系統(tǒng)，矩陣；2 魯棒性所指的并不是事物本身，而是事物的某種性質(zhì)，如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，矩陣的正定性；3魯棒性必與某種形式的“擾動(dòng)”相關(guān)聯(lián)。 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：,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,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)等問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。,復(fù)雜大系統(tǒng)控制,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論

10、課程,智能控制理論：研究與模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的規(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,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(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)展過程反映了人類由機(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,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容為: 線性系統(tǒng)理論 非線性系統(tǒng)理論 最優(yōu)控制理論 隨機(jī)控制理論 適應(yīng)控制理論,2 現(xiàn)代控制理論的內(nèi)

11、容,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,線性系統(tǒng)理論 它是現(xiàn)代控制理論中最為基本和比較成熟的一個(gè)分支，著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的控制和觀測(cè)問題，其基本的分析和綜合方法是狀態(tài)空間法。按所采用的數(shù)學(xué)工具，線性系統(tǒng)理論通常分成為三個(gè)學(xué)派：基于幾何概念和方法的幾何理論，代表人物是W.M.旺納姆;基于抽象代數(shù)方法的代數(shù)理論,代表人物是R.E.卡爾曼；基于復(fù)變量方法的頻域理論，代表人物是H.H.羅森布洛克。 非線性系統(tǒng)理論 非線性系統(tǒng)的分析和綜合理論尚不完善。研究領(lǐng)域主要還限于系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、雙線性系統(tǒng)的控制和觀測(cè)問題、非線性反饋問題等。更一般的非線性系統(tǒng)理論還有待建立。從70年代中期以來

12、，由微分幾何理論得出的某些方法對(duì)分析某些類型的非線性系統(tǒng)提供了有力的理論工具。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,最優(yōu)控制理論 它是設(shè)計(jì)最優(yōu)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，主要研究受控系統(tǒng)在指定性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)時(shí)的控制規(guī)律及其綜合方法。在最優(yōu)控制理論中，用于綜合最優(yōu)控制系統(tǒng)的主要方法有極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃。 隨機(jī)控制理論 它的目標(biāo)是解決隨機(jī)控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。維納濾波理論和卡爾曼-布什濾波理論是隨機(jī)控制理論的基礎(chǔ)之一。隨機(jī)控制理論的一個(gè)主要組成部分是隨機(jī)最優(yōu)控制，這類隨機(jī)控制問題的求解有賴于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的概念和方法。 適應(yīng)控制理論 適應(yīng)控制系統(tǒng)是在模仿生物適應(yīng)能力的思想基礎(chǔ)上建立的一類可自動(dòng)調(diào)整本身特性的控制系統(tǒng)。適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究?？蓺w結(jié)為如下的三個(gè)基本問題：識(shí)別受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性；在識(shí)別對(duì)象的基礎(chǔ)上選擇決策；在決策的基礎(chǔ)上做出反應(yīng)或動(dòng)作。,2020/7/28,電氣信息學(xué)院現(xiàn)代控制理論課程,3 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(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律。現(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