《現(xiàn)代控制理論》課件第1章

教學(xué)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(chǔ)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(shè)計方法線性穩(wěn)定性分析現(xiàn)代控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(yīng)用。課程結(jié)構(gòu)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(xué)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(dǎo)彈制導(dǎo)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(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，自動控制技術(shù)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(fù)雜的工作。在科學(xué)技術(shù)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(yīng)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(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(luò)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(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(fù)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)。基本上滿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(yīng)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(xué)(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(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)法和伊萬斯的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，

稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）（5）Bell實驗室的荷蘭裔科學(xué)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(dǎo)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(fù)域),頻率響應(yīng)和根軌跡法設(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)

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(yīng)用于時變系統(tǒng)；（2）難以有效地應(yīng)用于多變量系統(tǒng)；（3）難以有效地應(yīng)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(shù)的推動和計算機技術(shù)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(chǔ)，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(yīng)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(xué)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(chǔ)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(yīng)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?，匈牙利裔美國?shù)學(xué)家。1953年于麻省理工學(xué)院獲得電機工程學(xué)士，翌年碩士學(xué)位。1957年于哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位。1964年至1971年任職斯坦福大學(xué)。1971年至1992年任佛羅里達大學(xué)數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論中心主任。1972起任瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院數(shù)學(xué)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?。龐特里亞金，俄羅斯數(shù)學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)。1925年進入莫斯科大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系。1929年畢業(yè)后成為拓撲學(xué)家亞歷山德洛夫的研究生。他早期研究拓撲學(xué)，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(shè)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(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)。(5)20世紀70年代奧斯特隆姆（瑞典）和朗道（法國）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻。與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(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。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(luò)控制專家控制

自適應(yīng)學(xué)習(xí)控制

隨著交叉學(xué)科的發(fā)展，控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)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(yīng)付這些問題。于是，相應(yīng)的大系統(tǒng)理論和復(fù)雜系統(tǒng)理論就應(yīng)運而生。復(fù)雜系統(tǒng)主要是針對大型及復(fù)雜的工程、社會、經(jīng)濟和管理系統(tǒng)，進行相關(guān)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(fù)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(shè)計方法PID控制和校正網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(chǔ)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(yīng)用現(xiàn)狀1.2現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容倒