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现代控制理论基础 北京科技大学信息学院自动化系 欢迎随时交流讨论与课程 相关的话题 刘冀伟 电话 O） 主要参考书目 刘豹。现代控制理论（第二版）。北京：机械工业出版社，1989 郑大钟。线性系统理论（第二版）。北京：清华大学出版社，2002 王划一等。现代控制理论基础。北京：国防工业出版社，2004 仝茂达。线性系统理论和设计。合肥：中国科技大学出版社，2004 戴先中。自动化科学与技术学科的内容、地位与体系。北京：高等教育出版社2003 第一章 绪论 控制理论研究的内容 控制理论的发展 现代控制理论的主要内容 本课程的主要内容 需要的预备知识 绪论-控制理论研究的内容 系统：控制理论的研究对象。由相互关联和制约的若干部分所组成的具有特定功能的一个整体。 动态系统：运动状态按确定的规律或确定的统计规律随时间演化的一类系统。动态系统分为连续变量动态系统和离散事件动态系统。 线性-非线性系统 集中参数-分布参数系统 绪论-控制理论研究的内容 绪论-控制理论研究的内容 系统的数学描述-这个步骤解决两个问题，其一是对系统的一般运动规律进行描述，其二是对所讨论的系统进行抽象，系统有具体属性，可以是工程的、生物的、经济的等，此步骤抽去系统的具体属性，建立一般的数学模型； 分析系统的定性和定量的性质-通过系统的数学模型讨论系统各种因素间的相互关系； 根据系统的性质设计控制系统，以达到改进系统性能的目的，这一步骤有时称为系统的综合。 绪论-控制理论的发展 自动控制： 1788年Watt在发明蒸汽机的同时，发明了离心式调速器，当负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动调节进气阀门的开度，从而控制蒸汽机的转速； 20世纪20年代，电子管反馈放大器诞生； 第一个自动控制系统是美国的汽车生产线。 绪论-控制理论的发展 20世纪30年代初奈奎斯特(H. Nyquist)研究反馈放大器稳定性-奈奎斯特判据； 20世纪40年代初波特(Bode)引入对数增益图和线性相位图-波特图，形成基于频率响应的分析与综合反馈控制系统的实用理论和方法； 1948年伊万思(W.R.Evans)提出的根轨迹法，为控制系统的分析与设计开辟了新的途径。 绪论-控制理论的发展 经典控制理论的特点：以传递函数为系统的数学描述，以频率法作为研究控制系统动态特性的主要方法，以各种图表，如Routh表、根轨迹、Bode图和Nyquist曲线等作为系统分析和综合的工具。-频率域 经典控制理论的优点：不用求解微分方程就可以分析系统的稳定性、动态品质和稳态性能，为分析和设计系统提供了实用且有力的工具，使系统分析由初期的时域转到频域。特别是第二次世界大战期间，经典控制理论得到广泛地的应用。 绪论-控制理论的发展 经典控制理论的局限： 局限于单变量线性定常系统，对多变量系统处理困难； 不能处理时变系统； 非线性系统的处理限制较大； 无法处理分布参数系统； 传递函数仅反映了系统的输入-输出的关系，难以揭示系统内部结构。 绪论-控制理论的发展 随着航空、航天技术的发展，对控制系统的精度要求越来越高，非线性、时变和多变量系统，控制系统越来越复杂，经典控制理论已经不能适应了； -需求 电子计算机的出现。 -手段 在20世纪50~60年代出现了以状态空间为基础，研究系统的内部描述及系统的定性和定量规律，进而完成控制系统设计的现代控制理论。-时间域 绪论-控制理论的发展 现代控制理论的主要标志性成果有： 庞特里亚金(Pontryayin)的极大值原理； 贝尔曼(Bellman)的动态规划； 卡尔曼(R.E.Kalman)的状态空间描述和滤波理论。 1960第一届IFCA大会上庞特里亚金、贝尔曼和贝尔曼报告了他们的工作，宣告建立现代控制理论学科。 绪论-现代控制理论主要内容 线性控制系统理论 是现代控制理论的基础； 研究线性系统的运动规律； 研究改变系统运动的可能性和实施方案； 建立并揭示系统结构、参数、行为、性能 之间的关系 最优控制 在约束条件下，寻求使系统的性能在某种意义下为最优的控制规律（控制器）核心内容是极大值原理和动态规划法 绪论-现代控制理论主要内容 最优估计与随机控制 研究由随机微(差)分方程描述的系统； 利用被污染的量测数据，按照某种规则，获得有用信号的最优估计-卡尔曼滤波； 基于状态估计讨论随机系统的最优控制问题。 系统辨识与参数估计 寻找最能够体现系统输入输出特性的模型； 参数估计：模型结构已知，参数未知； 系统辨识：结构、参数未知。 绪论-现代控制理论主要内容 自适应控制 实时辨识系统模型并在此基础上给出系统的最优