現(xiàn)代控制理論-1-緒論

1、現(xiàn)代控制理論Modern Control Theory緒 論,教材：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 參考資料： 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 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 課時(shí)：32 考查方式：考試70% + 考勤10% + 作業(yè)20%,第2章 控制系統(tǒng)狀態(tài)空間描述,第3章 狀態(tài)方程的解,第4章 線性系統(tǒng)的能控性和能觀測(cè)性,第6章 狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測(cè)器,第1章 緒論,第5章 控制系統(tǒng)的李雅普諾

2、夫穩(wěn)定性分析,第1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 本課程的主要內(nèi)容,面對(duì)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。 控制論是一種思想、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。,引言,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(jī)是相對(duì)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

3、三大飛躍?！?引言,引言,隨著社會(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、問題的提出 改進(jìn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能以達(dá)到所需要的目標(biāo) 兩大永恒主題： 反饋：在不確定性存在的條件下達(dá)到性能目標(biāo)。用系統(tǒng)輸出與期望之間的誤差構(gòu)成新的輸入，搭建包含原動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的新的動(dòng)態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)。（穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性） 最優(yōu)控制：尋找一個(gè)控制使得一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所需性能與實(shí)際性能之間的差異指標(biāo)最小。（觀測(cè)器與控制器）,1.1 控制理論的發(fā)展歷

4、程,2、解決的方法1-經(jīng)典控制理論（1935-1950） 傳遞函數(shù)模型 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H. Bode（1938）以及Nyquist （1940）提出了頻率響應(yīng)法 1948年，美國(guó)伊萬斯W.R.Evans提出了根軌跡法 美國(guó)MIT的維納N. Wiener提出Wiener濾波理論（1942）， 發(fā)表了Cybernetics 控制學(xué)科誕生,經(jīng)典控制理論（1935-1950） 存在的問題 1、簡(jiǎn)單對(duì)象 單輸入單輸出、線性、時(shí)不變系統(tǒng) 2、缺乏系統(tǒng)化方法 圖形化方法，依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn) 3、達(dá)到的性能要求較低，不能處理多目標(biāo)性能。 面臨的挑戰(zhàn) 對(duì)象日益復(fù)雜化、控制性能要求不斷提高。,3、解決的方法2

5、-現(xiàn)代控制理論 1954年，我國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森發(fā)表工程控制論Engineering Cybernetics奠定了工程控制論的基礎(chǔ)，極大推動(dòng)了自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 1956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（Maximum Principle） 1957年，美國(guó)貝爾曼發(fā)表了動(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) 1960年，美籍匈牙利人卡爾曼發(fā)表了“On the General Theory of Control Systems”，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 控制理論的發(fā)展歷程,經(jīng)

6、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 控制理論的發(fā)展歷程,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(guó)、埃及和巴比倫的自動(dòng)滴漏 計(jì)時(shí)器； 古羅馬簡(jiǎn)單的水位調(diào)節(jié)裝置等。 但，僅是自控系統(tǒng)的萌芽。,1788年，英國(guó)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(guó)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

7、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。,1.1 控制理論的發(fā)展歷程,1.1.1 經(jīng)典控制理論,1875年和1895年，英國(guó)勞斯Routh和德國(guó)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(guó)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(guó)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)。,1.1 控制理論的發(fā)展歷程,1.1.1 經(jīng)典控制理論,1945年，美國(guó)伯德Bode在網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)

8、計(jì)中提出頻率響應(yīng)法Bode圖。 1948年，美國(guó)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(guó)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。,控制論Cybernetics ：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。,1954年，錢學(xué)森的工程控制論在美國(guó)出版。 奠定了工程控制論的基礎(chǔ),1.1.1 經(jīng)典控制理論,我國(guó)自動(dòng)控制界的先驅(qū)式人物、中國(guó)導(dǎo)彈之父、工程控制論作者-錢學(xué)森 “錢學(xué)森無論走到哪里，都抵得上5個(gè)師的兵力，我寧可把他擊斃在美國(guó)也不能讓他離開。”-美國(guó)

9、海軍高級(jí)將領(lǐng)金布爾 1934年上海交通大學(xué)畢業(yè)，次年留學(xué)美國(guó) 1938年在美國(guó)從事空氣動(dòng)力學(xué)研究 1939年加州理工學(xué)院獲得航空、數(shù)學(xué)博士學(xué)位，曾任加州理工學(xué)院副教授，麻省理工學(xué)院教授，加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)中心主任、教授。 40年代末加州理工學(xué)院給研究生講課 1955年一家乘克萊弗蘭總統(tǒng)號(hào)回國(guó) 1964年我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功 1967年我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功 1970年我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)上天 1989年獲“小羅克韋爾獎(jiǎng)?wù)隆保?982創(chuàng)立-1/16） 2009年10月31日在北京逝世,1956年，美國(guó)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

10、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（Maximum Principle）。 1960年，美籍匈牙利人卡爾曼R.E.Kalman 發(fā)表了“On the General Theory of Control Systems”，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,1957年成立了國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC：International Federation of Automatic Control）。,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

11、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(guó)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(duì)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

12、究的熱點(diǎn)，如魯棒控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制等一直長(zhǎng)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( Artificial Intelligence)，應(yīng)用于控制系 統(tǒng)后智能控制（Intelligent Control）：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(shì),企業(yè)：資源共享、因特網(wǎng)、信息集成 信

13、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） Computer Integrated Manufacturing System 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(guó)數(shù)學(xué)家維納控制論 19401950 經(jīng)典控制理論 單機(jī)自動(dòng)化 19601970 現(xiàn)代控制理論 機(jī)組自動(dòng)化 19701980 大系統(tǒng)理論 控制管理綜合 19801990 智能控制理論 智能自動(dòng)化 199021c 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 在20世紀(jì)30-40年代，初步形成。 在20世紀(jì)40年代形成體系

14、。 2、主要研究對(duì)象：?jiǎn)螜C(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： 難以有效地應(yīng)用于時(shí)變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng) 難以有效地應(yīng)用于非線性系統(tǒng) 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 在20世紀(jì)50-60年代形成 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(duì)象：機(jī)組自動(dòng)化，MIMO線性、非線 性、定常與時(shí)變系統(tǒng)

15、 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(guó)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(guó)阿波羅登月。,1.2.2 現(xiàn)代控制理論,導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、宇宙飛船系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制、飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng),數(shù)控機(jī)床 工業(yè)過程控制，溫度、氣壓、流速等,城市交通控制、Internet網(wǎng)絡(luò)擁堵控制； 生物系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),研究對(duì)象是多變量系統(tǒng)； （經(jīng)典理論主要以單輸入單輸出系

16、統(tǒng)為研究對(duì)象） -具有大得多的適用范圍。 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), 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(duì)動(dòng)態(tài)描述要更為直觀。 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?-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

17、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(cè)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（Optimal Control ） 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)

18、控制（Adaptive Control ） 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 （Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自適應(yīng)控制 （Self-Turning Adaptive Control),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)（System Identification ） 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)

19、Parameter Estimation 。） 5、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(cè)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,現(xiàn)代控制理論-解決問題的基本步驟 系統(tǒng)建模(System Modeling) 基于物理規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)辨識(shí)(System Identification) 基于輸入輸出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，估計(jì)模型的各類參數(shù) 信號(hào)處理(Signal Processing) 用濾波、預(yù)測(cè)、狀態(tài)估計(jì)等方法處理輸出 綜合控制輸入(Con