现代控制理论[绪论].pptVIP

* 第一章 绪 论 第一章 绪 论 现代控制理论 Modern Control Theory 第一章 绪 论 1.1 控制理论的发展历程简介 1.2 现代控制理论的主要内容 1.3 课程学习要求 1.4 现代控制理论的应用 § 1.1 现代控制理论的形成和发展 一、经典控制理论的形成与发展 1、萌芽阶段 随着科学技术与工 业生产的发展，到十八世 纪，自动控制技术逐渐应 用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特 （J.Watt）发明的蒸汽机 离心调速器，加速了第一 次工业革命的步伐。 2、发展阶段 1868年马克斯韦尔 （J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。 马克斯韦尔（J.C.Maxwell） 3、形成体系阶段 1895年劳斯（Routh）与 赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。 由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特 （H.Nyquist）提出了频域 内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。 4、经典控制理论的特点和局限性 (1) 以SISO线性定常系统为研究对象。 (2) 以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在频率域中分析与设计。 (3) 难以有效地应用于时变系统、多变量系统 (4)难以有效地应用于非线性系统。 二、现代控制理论的形成与发展 1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析 法；在1957年提出了动态规划法。 2.1959年卡尔曼（Kalman） 和布西创建了卡尔曼滤波理论； 1960年在控制系统的研究中成 功地应用了状态空间法，并提 出了可控性和可观测性的新概 念。 3. 1961年庞特里亚金（俄国人） 提出了极小（大）值原理。 4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯 （D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了 使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将 经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探 讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为 进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 5. 由于现代数学的发展，结合着H2和H∞等范数而 出现了H2和H∞控制，还有逆系统控制等方法。 6. 20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、 “智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展： 大系统理论：研究各种大系的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。 智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律的理论。 复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。 既适合线性定常系统，也适合非线性及系统 7、现代控制理论的优点（相对于经典控制）： 分析综合方法，可实现最优控制 考虑了初始条件，系统状态可以由初始条件和输入来刻划 既适合确定性的系统，也适合随机系统 既适合SISO系统，也适合MIMO(多输入多输 出)系统 三、现代控制理论与经典控制理论的差异 1.2 现代控制理论的主要内容 ⑴ 线性系统理论（重点：状态空间分析法） ⑵ 最优滤波理论 ⑶ 系统辨识 ⑷ 最优控制 ⑸ 自适应控制 ⑹ 非线性系统理论 状态空间分析法（本课程主讲内容） 1、基本概念 2、数学模型—状态空间表达式的建立 3、如何有状态方程分析系统的响应特性 4、系统的稳定性 5、系统状态变量的能空性及能观性 6、系统性能指标不满足要求时，如何利用状态反馈来改善系统性能 § 1.3 学习要求 课堂要求 听课自由，可以选择不听课自学方式学习，不受歧视。 准时到位，迟到者请在后排就坐，迟到10分钟以上免进。勿中途退场。 可以充耳不闻，但勿交头接耳；可以睡觉，但勿打鼾。 可以随时提问、讨论和嘲笑。 作业要求 要求独立完成作业，抄写作业且还不会者，成绩0分。 考核要求 平时考核：作业＋讨论+考勤，成绩占30％； 期末考试：闭卷成绩占70%。 § 1.4 现代控制理论的应用 比起经典控制理论, 现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。 倒立摆稳定控制 单级倒立摆稳定控制 二级倒立摆稳定控制 导弹稳定控制 空空导弹稳定控制 地空导弹稳定控制 航天器控制 月球车控制 卫星控制 机器人控制 空间机器人控制