現(xiàn)代控制理論綜述論文2015

1、如15級(jí)碩士期末論文?現(xiàn)代限制理論綜述?課程現(xiàn)代限制理論姓名學(xué)號(hào)專業(yè)2021年1月4日經(jīng)典限制理論與現(xiàn)代限制理論的差異現(xiàn)代限制理論是建立在狀態(tài)空間法根底上的一種限制理論,是自動(dòng)限制理論的一個(gè)主要組成局部.在現(xiàn)代限制理論中,對限制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)主要是通過對系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來進(jìn)行的,根本的方法是時(shí)間域方法.現(xiàn)代限制理論比經(jīng)典限制理論所能處理的限制問題要廣泛得多,包括線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng),定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng),單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng).它所采用的方法和算法也更適合于在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行.現(xiàn)代限制理論還為設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有指定的性能指標(biāo)的最優(yōu)限制系統(tǒng)提供了可能性.現(xiàn)代限制理論的名稱是在1960年以后開始出

2、現(xiàn)的,用以區(qū)別當(dāng)時(shí)已經(jīng)相當(dāng)成熟并在后來被稱為經(jīng)典限制理論的那些方法.現(xiàn)代限制理論已在航空航天技術(shù)、軍事技術(shù)、通信系統(tǒng)、生產(chǎn)過程等方面得到廣泛的應(yīng)用.現(xiàn)代限制理論的某些概念和方法,還被應(yīng)用于人口限制、交通治理、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等的研究中.現(xiàn)代限制理論是在20世紀(jì)50年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動(dòng)下開展起來的.空間技術(shù)的開展迫切要求建立新的限制原理,以解決諸如把宇宙火箭和人造衛(wèi)星用最少燃料或最短時(shí)間準(zhǔn)確地發(fā)射到預(yù)定軌道一類的限制問題.這類限制問題十分復(fù)雜,采用經(jīng)典限制理論難以解決.1958年,蘇聯(lián)科學(xué)家JI.C.龐特里亞金提出了名為極大值原理的綜合限制系統(tǒng)的新方法.在這之前,美國學(xué)者R.貝爾曼

3、于1954年創(chuàng)立了動(dòng)態(tài)規(guī)劃,并在1956年應(yīng)用于限制過程.他們的研究成果解決了空間技術(shù)中出現(xiàn)的復(fù)雜限制問題,并開拓了限制理論中最優(yōu)限制理論這一新的領(lǐng)域.19601961年,美國學(xué)者R.E.卡爾曼和R.S.布什建立了卡爾曼-布什濾波理論,因而有可能有效地考慮限制問題中所存在的隨機(jī)噪聲的影響,把控制理論的研究范圍擴(kuò)大,包括了更為復(fù)雜的限制問題.幾乎在同一時(shí)期內(nèi),貝爾曼、卡爾曼等人把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引入限制理論中.狀態(tài)空間法對揭示和熟悉限制系統(tǒng)的許多重要特性具有關(guān)鍵的作用.其中能控性和能觀測性尤為重要,成為限制理論兩個(gè)最根本的概念.到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-布什濾

4、波為根底的分析和設(shè)計(jì)限制系統(tǒng)的新的原理和方法已經(jīng)確立,這標(biāo)志著現(xiàn)代限制理論的形成.現(xiàn)代限制理論所包含的學(xué)科內(nèi)容十分廣泛,主要的方面有：線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)限制理論、隨機(jī)限制理論和適應(yīng)限制理論.線性系統(tǒng)理論是現(xiàn)代限制理論中最為根本和比擬成熟的一個(gè)分支,著重于研究線性系統(tǒng)中狀態(tài)的限制和觀測問題,其根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.羅森布羅克.非線性系統(tǒng)理論的分析和綜合理論尚不完善.

5、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)的限制和觀測問題、非線性反響問題等.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,由微分幾何理論得出的某些方法對分析某些類型的非線性系統(tǒng)提供了有力的理論工具.最優(yōu)限制理論是設(shè)計(jì)最優(yōu)限制系統(tǒng)的理論根底,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)的限制規(guī)律及其綜合方法.在最優(yōu)限制理論中,用于綜合最優(yōu)限制系統(tǒng)的主要方法有極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃.最優(yōu)限制理論的研究范圍正在不斷擴(kuò)大,諸如大系統(tǒng)的最優(yōu)限制、分布參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)限制等.隨機(jī)限制理論的目標(biāo)是解決隨機(jī)限制系統(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)限制理論的根底之一.隨機(jī)限制理論

6、的一個(gè)主要組成局部是隨機(jī)最優(yōu)限制,這類隨機(jī)限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)限制理論系統(tǒng)是在模仿生物適應(yīng)水平的思想根底上建立的一類可自動(dòng)調(diào)整本身特性的限制系統(tǒng).適應(yīng)限制系統(tǒng)的研究?？蓺w結(jié)為如下的三個(gè)根本問題：識(shí)別受控對象的動(dòng)態(tài)特性；在識(shí)別對象的根底上選擇決策；在決策的根底上做出反響或動(dòng)作.一、現(xiàn)代限制理論的開展1 .智能限制(IntelligentControl)智能限制是人工智能和自動(dòng)限制的結(jié)合物,是一類無需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器,實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)限制.智能限制的注意力并不放在對數(shù)學(xué)公式的表達(dá)、計(jì)算和處理上,而放在對任務(wù)和模型的描述,符號(hào)和環(huán)境的識(shí)別以及知識(shí)庫和推理機(jī)的

7、設(shè)計(jì)開發(fā)上.智能限制用于生產(chǎn)過程,讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿專家或熟練操作人員的經(jīng)驗(yàn),建立起以知識(shí)為根底的廣義模型,采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)、知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策等智能化技術(shù),對外界環(huán)境和系統(tǒng)過程進(jìn)行理解、判斷、預(yù)測和規(guī)劃,使被控對象按一定要求到達(dá)預(yù)定的目的.2 .非線性限制(NonlinearControl)非線性限制是復(fù)雜限制理論中一個(gè)重要的根本問題,也是一個(gè)難點(diǎn)課題,它的開展幾乎與線性系統(tǒng)平行.非線性系統(tǒng)的開展,數(shù)學(xué)工具是一個(gè)相當(dāng)困難的問題,泰勒級(jí)數(shù)展開對有些情況是不能適用的.古典理論中的“相平面法只適用于二階系統(tǒng),適用于含有一個(gè)非線性元件的高階系統(tǒng)的“描述函數(shù)法也是一種近似方法.

8、由于非線性系統(tǒng)的研究缺乏系統(tǒng)的、一般性的理論及方法,于是綜合方法得到較大的開展3 .自適應(yīng)限制(AdaptiveControl)自適應(yīng)限制系統(tǒng)通過不斷地測量系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù),逐漸了解和掌握對象,然后根據(jù)所得的信息按一定的設(shè)計(jì)方法,作出決策去更新限制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以適應(yīng)環(huán)境的變化,到達(dá)所要求的限制性能指標(biāo).4 .魯棒限制(RobustControl)過程限制中面臨的一個(gè)重要問題就是模型不確定性,魯棒限制主要解決模型的不確定性問題,但在處理方法上與自適應(yīng)限制有所不同.自適應(yīng)限制的根本思想是進(jìn)行模型參數(shù)的辯識(shí).進(jìn)而設(shè)計(jì)限制器.限制器參數(shù)的調(diào)整依賴于模型參數(shù)的更新,不能預(yù)先把可能出現(xiàn)的

9、不確定性考慮進(jìn)去.而魯棒限制在設(shè)計(jì)限制器時(shí)盡量利用不確定性信息來設(shè)計(jì)一個(gè)限制器,使得不確定參數(shù)出現(xiàn)時(shí)仍能滿足性能指標(biāo)要求.魯棒限制認(rèn)為系統(tǒng)的不確定性可用模型集來描述,系統(tǒng)的模型并不唯一,可以是模型集里的任一元素,但在所設(shè)計(jì)的限制器下,都能使模型集里的元素滿足要求.5 .模糊限制(FuzzyControl)模糊限制借助模糊數(shù)學(xué)模擬人的思維方法,將工藝操作人員的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié),運(yùn)用語言變量和模糊邏輯理論進(jìn)行推理和決策,對復(fù)雜對象進(jìn)行限制.模糊限制既不是指被控過程是模糊的,也不意味限制器是不確定的,它是表示知識(shí)和概念上的模糊性,它完成的工作是完全確定的.1974年英國工程師E.H.Mamdam首次把F

10、uzzy集合理論用于鍋爐和蒸氣機(jī)的限制以來,開辟了Fuzzy限制的新領(lǐng)域,特別是對于大時(shí)滯、非線性等難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng),通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模糊限制往往能取得很好的結(jié)果.模糊限制的特點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型,魯棒性強(qiáng),限制效果好,容易克服非線性因素的影響,限制方法易于掌握.最近有人提出神經(jīng)一一模糊Inter3融合限制模型,即把融合結(jié)構(gòu)、融合算法及限制合為一體進(jìn)行設(shè)計(jì).又有人提出利用同倫BP網(wǎng)絡(luò)記憶模糊規(guī)那么,以“聯(lián)想方式使用這些經(jīng)驗(yàn).模糊限制有待進(jìn)一步研究的問題：模糊限制系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性、最優(yōu)化問題的評價(jià);非線性復(fù)雜系統(tǒng)的模糊建模,模糊規(guī)那么的建立和模糊推理算法的研究；找出可遵循的一般

11、設(shè)計(jì)原那么.6 .神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)限制(NeuralNetworkControl)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由所謂神經(jīng)元的簡單單元按并行結(jié)構(gòu)經(jīng)過可調(diào)的連接權(quán)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的種類很多,限制中常用的有多層前向BP網(wǎng)絡(luò),RBF絡(luò),Hopfield網(wǎng)絡(luò)以及自適應(yīng)共振理論模型(ART)等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)限制就是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種工具從機(jī)理上對人腦進(jìn)行簡單結(jié)構(gòu)模擬的新型限制和辨識(shí)方法.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在限制系統(tǒng)中可充當(dāng)對象的模型,還可充當(dāng)限制器.7 .實(shí)時(shí)專家限制(RealTimeExpertControl)專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng),它應(yīng)用人工智能技術(shù),根據(jù)某個(gè)領(lǐng)域一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷,模

12、擬人類專家的決策過程,以解決那些需要專家決定的復(fù)雜問題.專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序最本質(zhì)的區(qū)別在于：專家系統(tǒng)所要解決的問題一般沒有算法解,并且往往要在不完全、不精確或不確定的信息根底上作出結(jié)論.實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)應(yīng)用模糊邏輯限制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,融進(jìn)專家系統(tǒng)自適應(yīng)地管理一個(gè)客體或過程的全面行為,自動(dòng)采集生產(chǎn)過程變量,解釋限制系統(tǒng)的當(dāng)前狀況,預(yù)測過程的未來行為,診斷可能發(fā)生的問題,不斷修正和執(zhí)行限制方案.實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)具有啟發(fā)性、透明性、靈活性等特點(diǎn),目前已經(jīng)在航天試驗(yàn)指揮、工業(yè)爐窯的限制、高爐爐熱診斷中得到廣泛應(yīng)用.目前需要進(jìn)一步研究的問題是如何用簡潔語言來描述人類長期積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),提升聯(lián)想化記憶和自

13、學(xué)習(xí)水平.8 .定性限制(QualitativeControl)定性限制是指系統(tǒng)的狀態(tài)變量為定性量時(shí)(其值不是某一精確值而只知其處于某一范圍內(nèi)),應(yīng)用定性推理對系統(tǒng)施加限制變量使系統(tǒng)在某一期望范圍.9 .預(yù)測限制(PredictiveControl)預(yù)測限制是在工業(yè)實(shí)踐過程中獨(dú)立開展起來的一種新型限制方法,它不僅適用于工業(yè)過程這種“慢過程的限制,也能適用于快速跟蹤的伺服系統(tǒng)這種“快過程限制.目前實(shí)用的預(yù)測限制方法有動(dòng)態(tài)矩陣限制DMC,模型算法限制MAC,廣義預(yù)測限制GPC,模型預(yù)測啟發(fā)限制MPHC以及預(yù)測函數(shù)限制PFC等.最近有人提出一種新的基于主導(dǎo)內(nèi)模概念的預(yù)測限制方法：結(jié)構(gòu)對外來鼓勵(lì)的響應(yīng)

14、主要由其本身的模態(tài)所決定,即結(jié)構(gòu)只對鼓勵(lì)信息中與其起主導(dǎo)作用的幾個(gè)主要自振頻率相接近的頻率成分有較大的響應(yīng).目前利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對被控對象進(jìn)行在線辨識(shí),然后用廣義預(yù)測限制規(guī)律進(jìn)行限制得到較多重視.預(yù)測限制目前存在的問題是預(yù)測精度不高；反響校正方法單調(diào)；滾動(dòng)優(yōu)化策略少;對任意的一般系統(tǒng),其穩(wěn)定性和魯棒性分析較難進(jìn)行；參數(shù)調(diào)整的總體規(guī)那么雖然比擬明確,但對不同類型的系統(tǒng)的具體調(diào)整方法仍有待進(jìn)一步總結(jié).10 .分布式限制系統(tǒng)DistributedControlSystem分布式限制系統(tǒng)又稱集散限制系統(tǒng),是70年代中期開展起來的新型計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng),它融合了通信技術(shù)Communication,計(jì)算機(jī)技術(shù)Co

15、mputer,圖像顯示技術(shù)CRT,限制技術(shù)Control的“4C技術(shù),形成了以微處理器為核心的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、限制和治理.既打破了常規(guī)限制儀表功能的局限,又較好地解決了早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對于信息、治理過于集中帶來的危險(xiǎn),而且還有大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、處理的功能以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信水平.分布式限制系統(tǒng)既有計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)限制算法靈活,精度高的優(yōu)點(diǎn),又有儀表限制系統(tǒng)平安可靠,維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn).它的主要特點(diǎn)是：真正實(shí)現(xiàn)了分散限制；具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性；較強(qiáng)的數(shù)據(jù)通信水平；友好而豐富的人機(jī)聯(lián)系以及極高的可靠性.二：經(jīng)典限制理論與現(xiàn)代限制理論的差異自動(dòng)限制有經(jīng)典限制與現(xiàn)代限制之分：經(jīng)典限制使用三角函數(shù)

16、微分方程,拉普拉斯變換,Z變換進(jìn)行研究,因此經(jīng)典限制主要是從頻率域的角度對系統(tǒng)進(jìn)行研究；而現(xiàn)代限制主要從時(shí)間域的角度主要是狀態(tài)方程對系統(tǒng)進(jìn)行研究！現(xiàn)代限制理論有卡爾曼在60年代創(chuàng)立.此后李雅普諾夫和約當(dāng)在進(jìn)一步研究之后,得出了在現(xiàn)代限制論中占據(jù)核心地位的矩陣特征值理論.李雅普諾夫?qū)τ谙拗评碚摰淖畲蠓瞰I(xiàn)是系統(tǒng)穩(wěn)定性理論.這個(gè)理論是從能量角度考察系統(tǒng),即只有消耗能量的系統(tǒng)才是穩(wěn)定的,得出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的判據(jù).這個(gè)理論對于整個(gè)限制理論有根底性的作用.它不僅適合于線性系統(tǒng),同樣適合于非線性系統(tǒng).限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于獲取被控對象數(shù)學(xué)模型模型一旦建立,可以認(rèn)為數(shù)學(xué)模型的參數(shù)不便.當(dāng)然從理論上說,獲取被控對

17、象的精確數(shù)學(xué)模型的概率為零.但是我們知道,對于賦范線性空間,有這樣一個(gè)結(jié)論,如果兩個(gè)可測函數(shù)之間在范數(shù)意義下能夠的逼近足夠好,那么對于同樣的輸入,兩個(gè)模型的輸出之間的誤差就可以足夠小.這保證了我們可以在一定的允許誤差范圍內(nèi)使用“足夠精確的模型進(jìn)行限制系統(tǒng)設(shè)計(jì).嚴(yán)格地說,真正的線性系統(tǒng)并不存在,任何系統(tǒng)都帶有一定的非線性.目前對于非線性系統(tǒng),還沒有找到統(tǒng)一有效的解決方法,一般的研究方法都是對非線性系統(tǒng)線性化之后再進(jìn)行處理.被控對象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境的影響下,自身的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一些變化,這樣就有可能導(dǎo)致原來建立的數(shù)學(xué)模型失真模型參數(shù)可變,進(jìn)而影響限制效果.為解決這種問題而產(chǎn)生了模型辨識(shí)與限制同時(shí)進(jìn)行的思想,就是自適應(yīng)限制即在限制過程中不斷的辨識(shí)被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型或修改模型參數(shù),根據(jù)此事的被