現(xiàn)代控制理論-課件-緒論

現(xiàn)代控制理論浙江大學趙光宙zhaogz@緒論一.經(jīng)典控制理論及其局限性

1、系統(tǒng)的建模：把對象或過程抽象成具有一定變量（輸入、輸出等）關系的系統(tǒng)，并用數(shù)學式子表示出它們之間的關系。

2、系統(tǒng)分析：用成熟的數(shù)學理論和先進的計算工具定量或定性地研究系統(tǒng)的各種性能：穩(wěn)定性，靜態(tài)特性和動態(tài)特性等。

3、系統(tǒng)綜合(設計)：對系統(tǒng)設計出控制作用，使系統(tǒng)的性能滿足要求。系統(tǒng)的研究:2.系統(tǒng)分析：穩(wěn)定性：勞斯判據(jù)根軌跡奈氏判據(jù)靜態(tài)特性：L終值定理動態(tài)特性：根軌跡截止頻率諧振頻率諧振峰值等1.系統(tǒng)模型：微分方程(常系數(shù)線性微分方程)L變換3.系統(tǒng)綜合：根軌跡校正頻率法校正經(jīng)典控制理論:傳遞函數(shù)可知，用傳遞函數(shù)描述系統(tǒng)，用根軌跡法、頻率法分析和設計系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論存在許多局限性：1、僅適合單變量（一個輸入一個輸出）、線性的、定常的系統(tǒng)。2、其輸入—輸出的系統(tǒng)描述方式不關心系統(tǒng)內(nèi)部的運行及變量的變化，本質上忽略了系統(tǒng)結構的內(nèi)在特性。3、采用工程的試探方法設計系統(tǒng)，依賴經(jīng)驗，不是最優(yōu)。但也不能否定它：對線性定常的單變量系統(tǒng)，它簡單實用，易于實現(xiàn)。并也在不斷得以改進。

60年代航天技術和先進武器的發(fā)展，使這樣一些問題必須得到研究（如飛行器姿態(tài)控制）：

1.多輸入—多輸出系統(tǒng)，變參數(shù)系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)

2.系統(tǒng)的最優(yōu)化問題，最小時間系統(tǒng)，最小能耗問題等3.對隨機干擾的處理現(xiàn)代數(shù)學（線性代數(shù)，泛函分析，微分幾何等）的發(fā)展為系統(tǒng)的定量化研究奠定了基礎。二.現(xiàn)代控制理論的特點和主要內(nèi)容電子計算機的發(fā)展和普及成為這種研究的有力工具。這兩篇論文標志控制理論進入了一個嶄新的歷史時期，整個60年代理論的蓬勃發(fā)展，終于形成了現(xiàn)代控制理論。主要內(nèi)容包括：1.線性多變量系統(tǒng)理論（狀態(tài)空間描述）2.卡爾曼濾波理論（最優(yōu)估計理論）3.最優(yōu)控制理論4.系統(tǒng)辨識理論等等。1960年Kalman發(fā)表了“控制系統(tǒng)的一般理論”著名論文，1961年與Bucy合作發(fā)表了“線性過濾和預測問題的新結果”論文。1.對系統(tǒng)進行精確的數(shù)學描述，使控制由一類工程設計方法提高成為一門科學。2.從系統(tǒng)結構的內(nèi)在特性出發(fā)研究控制系統(tǒng)，注重系統(tǒng)本質的理論刻劃。3.促進了非線性系統(tǒng)，最優(yōu)控制，自適應控制，辨識與估計理論，卡爾曼濾波，魯棒控制等的發(fā)展，使它們成為獨立的學科分支。其主要特點有：并不是現(xiàn)代控制理論就可以解決一切問題了，隨著經(jīng)濟全球化和生產(chǎn)大規(guī)模化，單機、局部自動化走向綜合自動化，自動化科學技術面對越來越復雜的系統(tǒng)，表現(xiàn)為：1.系統(tǒng)結構的復雜性：不確定性，非線性，變量過多，難以用常規(guī)數(shù)學工具建模和研究（自動化工廠等）。2.任務的復雜性：高產(chǎn)量，低消耗，調(diào)度，監(jiān)控、預警等。3.運行環(huán)境的復雜性：外部環(huán)境的制約、影響（自動車行駛，挖掘機等）。面對3C，特別是由于現(xiàn)代控制理論依賴精確的數(shù)學模型的缺陷，從上世紀80年代開始，控制理論向“廣度”和“深度”兩個方面發(fā)展和開拓，又進入了一個新的發(fā)展時期，主要包括：三.控制理論的進一步發(fā)展“廣度”——大系統(tǒng)理論：大型鋼鐵企業(yè)的自動化，大電網(wǎng)的調(diào)度、管理自動化等。分解、協(xié)調(diào)控制。

“深度”——智能控制（模糊控制，專家控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制）以人工智能技術為基礎，模仿人類智能活動在控制、信息處理中的行為過程，使人的經(jīng)驗知識與思維方式參與其中，從而對系統(tǒng)實現(xiàn)有效的控制。此外，還有自適應控制、學習控制、魯棒控制、故障診斷及容錯控制等等。都是以現(xiàn)代控制理論作為基礎。四.關于教材：1、比較適用于注重學科性的自動化專業(yè)（“研究主導型”、“工程研究應用型”）本科生。注重基本知識結構完整，對重要結論給出適當推導或說明，便于對重要內(nèi)容的科學化理解和系統(tǒng)性掌握。2、以線性系統(tǒng)理論的基本內(nèi)容為基礎，以狀態(tài)空間描述、結構特性分析（定量、定性）、線性定常系統(tǒng)的狀態(tài)反饋綜合為主要內(nèi)容，適當介紹非線性系統(tǒng)分析以及最優(yōu)控制、最優(yōu)估計的內(nèi)容。3、初學者面