1、控制理論起源擺玉龍內(nèi) 容控制理論控制理論研究的起源與發(fā)展可能性空間 黑箱認(rèn)識(shí)論 最優(yōu)控制原理自適應(yīng)控制原理結(jié)論 參考文獻(xiàn) 控制論的起源控制理論的主要分支理論發(fā)展控制理論的主要內(nèi)容核心貢獻(xiàn)者核心貢獻(xiàn)者核心概念核心概念核心分析方法核心分析方法核心分析曲線核心分析曲線維納“控制論”的創(chuàng)始人；Routh“Routh”判據(jù)的提出者；李亞普諾夫李亞普諾夫李亞普諾夫穩(wěn)定性定義的提出者；N y q u i s t Nyquist判據(jù)的提出者；反饋（本質(zhì)）反饋（本質(zhì)）；穩(wěn)定（目標(biāo)）穩(wěn)定（目標(biāo)）；開環(huán)，閉環(huán)（基本結(jié)構(gòu)）傳遞函數(shù)（基本的數(shù)學(xué)模型）；特征多項(xiàng)式（核心特征體現(xiàn)式）線性定常系統(tǒng)（基本研究對(duì)象）；狀態(tài)空間模

2、型（現(xiàn)代控制狀態(tài)空間模型（現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）時(shí)域分析法；頻域分析法；根軌跡法；Routh判據(jù)；Nyquist判據(jù)；串聯(lián)校正；PID控制；S平面；Bode圖；極坐標(biāo)圖；尼科爾斯圖；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；信號(hào)流圖；教與學(xué)系統(tǒng)方框圖大綱與教材成績(jī)考試學(xué)生實(shí)際掌握程度學(xué)生應(yīng)掌握內(nèi)容預(yù)習(xí)作業(yè)延遲延遲復(fù)習(xí)課堂回答問題控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖（一個(gè)例子）控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖（一個(gè)例子）控制系統(tǒng)的基本組成控制系統(tǒng)的基本組成 放大與串聯(lián)補(bǔ)償功放執(zhí)行元件被控對(duì)象反饋補(bǔ)償測(cè)量元件參考輸入偏差反饋量被控制量擾動(dòng)量控制理論的概念控制理論的概念可能性空間可能性空間【基本含義】： 顧名思義，控制論是關(guān)于控制的理論。

3、“用計(jì)算機(jī)控制宇宙飛船”，“基因控制著遺傳”，“病人的病已不可控制”【共同特點(diǎn)】：被控制的對(duì)象必須存在著多種發(fā)展的可能性被控制的對(duì)象不僅存在著多種發(fā)展的可能性，而且，人可以在這些可能性中通過一定的手段進(jìn)行選擇【基本定義】：控制的概念與事物發(fā)展的可能性密切相關(guān) 。 我們將事物發(fā)展變化中面臨的各種可能性的集合稱為這個(gè)事物的可能性空間。【一個(gè)例子】：世界上第一個(gè)考慮過事物可能性空間性質(zhì)的可能是中國戰(zhàn)國時(shí)期著名的哲學(xué)家楊朱。列子里有一個(gè)“歧路亡羊”的故事 ?！捌缏分?，又有歧焉”，這位哲學(xué)家所感嘆和研究的，正是事物可能性空間這種重要的展開方式?？刂评碚摰母拍羁刂评碚摰母拍詈谙湔J(rèn)識(shí)論黑箱認(rèn)識(shí)論2022-

4、5-209【基本定義】：任何一種方法論都對(duì)應(yīng)著它的認(rèn)識(shí)論，與控制論獨(dú)特的方法對(duì)應(yīng)，有一種獨(dú)特的認(rèn)識(shí)論，通常稱之為黑箱理論。控制論把人們認(rèn)識(shí)和改造的對(duì)象看作黑箱?！狙芯糠椒ā浚汉?，意味著一些未知的東西，客體事物是復(fù)雜的?？刂普撜J(rèn)為，認(rèn)識(shí)客體黑箱有兩種不同的方法。一種叫不打開黑箱的方法不打開黑箱的方法，一種叫打開黑箱的方法打開黑箱的方法。不打開黑箱的方法就是不影響原有的客體黑箱結(jié)構(gòu)，通過黑箱外部的輸入輸出變量的研究得出關(guān)于黑箱內(nèi)部情況的推理，探求黑箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。打開黑箱的方法則要通過一定的手段來影響原有客體黑箱直接觀察和控制黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？刂评碚摰母拍羁刂评碚摰母拍詈谙湔J(rèn)識(shí)論黑箱認(rèn)識(shí)論2022-5

5、-2010【一個(gè)例子】：控制理論的概念控制理論的概念黑箱認(rèn)識(shí)論黑箱認(rèn)識(shí)論2022-5-2011【研究方法】： 某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)（大系統(tǒng)，特大黑箱）； 至今為止，人們所擁有的手段尚不能打開的黑箱（地球內(nèi)部的構(gòu)造） 人類在某一階段掌握的某一類打開黑箱的方法會(huì)嚴(yán)重干擾本身結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)（生物體）認(rèn)識(shí)論的基本模式認(rèn)識(shí)論的基本模式2022-5-2012毛澤東實(shí)踐論“實(shí)踐理論實(shí)踐”最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理2022-5-2013最優(yōu)控制是從大量實(shí)際問題中提煉出來的，它尤其與航空航最優(yōu)控制是從大量實(shí)際問題中提煉出來的，它尤其與航空航天的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)密不可分。天的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制技術(shù)密

6、不可分。 我國的探月計(jì)劃：我國的探月計(jì)劃： 繞月工程：繞月工程：2007年以前發(fā)射人造月球衛(wèi)星年以前發(fā)射人造月球衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)嫦娥一號(hào)”； 落月工程：落月工程：2012年發(fā)射攜帶月球車的登月軟著陸器；年發(fā)射攜帶月球車的登月軟著陸器； 回月工程：回月工程：2020年前完成采集月球樣品工作。年前完成采集月球樣品工作。 最優(yōu)控制問題研究的主要內(nèi)容是：最優(yōu)控制問題研究的主要內(nèi)容是：怎樣選擇控制規(guī)律才怎樣選擇控制規(guī)律才能使控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)在某種意義下為最優(yōu)。能使控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)在某種意義下為最優(yōu)。例：飛船的月球軟著陸問題例：飛船的月球軟著陸問題 飛船靠其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一與月球重力飛船靠其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一

7、與月球重力方向相反的推力方向相反的推力f，賴以控制飛船實(shí)現(xiàn)，賴以控制飛船實(shí)現(xiàn)軟著陸軟著陸(落到月球表面上時(shí)速度為零落到月球表面上時(shí)速度為零)。要求選擇一最好發(fā)動(dòng)機(jī)推力程序要求選擇一最好發(fā)動(dòng)機(jī)推力程序f(t)，使燃料消耗最少。使燃料消耗最少。 設(shè)飛船質(zhì)量為設(shè)飛船質(zhì)量為m，它的高度和垂直速度分別為，它的高度和垂直速度分別為h和和v。月球。月球的重力加速度可視為常數(shù)的重力加速度可視為常數(shù)g，飛船的自身質(zhì)量及所帶燃料分別，飛船的自身質(zhì)量及所帶燃料分別為為M和和F。hgv月球月球最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理要求控制飛船從初始狀態(tài)要求控制飛船從初始狀態(tài) FMmvvhh)0(,)0(,)0(00出發(fā)

8、，于某一時(shí)刻出發(fā)，于某一時(shí)刻tf實(shí)現(xiàn)軟著陸，即實(shí)現(xiàn)軟著陸，即0)(, 0)(fftvthkfmgmfvvh自某自某t=0時(shí)刻開始飛船進(jìn)入著陸過程。其運(yùn)動(dòng)方程為時(shí)刻開始飛船進(jìn)入著陸過程。其運(yùn)動(dòng)方程為其中其中k為一常數(shù)。為一常數(shù)。最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理 滿足上述限制，使飛船實(shí)現(xiàn)軟著陸的推力程序滿足上述限制，使飛船實(shí)現(xiàn)軟著陸的推力程序f(t)不止一不止一種，其中消耗燃料最少者才是最佳推力程序，易見，問題可種，其中消耗燃料最少者才是最佳推力程序，易見，問題可歸結(jié)為求歸結(jié)為求為最大的數(shù)學(xué)問題。為最大的數(shù)學(xué)問題。)(ftmJ 控制過程中推力控制過程中推力f(t)不能超過發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大推

9、力不能超過發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的最大推力fmax，即即max)(0ftf最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理 上面的具體實(shí)例可抽象為共同的數(shù)學(xué)模型，其中受控系統(tǒng)上面的具體實(shí)例可抽象為共同的數(shù)學(xué)模型，其中受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般可以表示為：數(shù)學(xué)模型一般可以表示為：如果是線性時(shí)不變系統(tǒng)，則可以表示為如果是線性時(shí)不變系統(tǒng)，則可以表示為性能指標(biāo)：盡管我們不能為各種各樣的最優(yōu)控制問題規(guī)定性能指標(biāo)：盡管我們不能為各種各樣的最優(yōu)控制問題規(guī)定一個(gè)性能指標(biāo)的統(tǒng)一格式，但是通常情況下如下形式的性能指一個(gè)性能指標(biāo)的統(tǒng)一格式，但是通常情況下如下形式的性能指標(biāo)可以概括一般：標(biāo)可以概括一般：)()(tButAxxfttffdttt

10、utxLttxJ0),(),(),(最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理( ( ), ( ), )xf x t u t t針對(duì)不同的具體問題，針對(duì)不同的具體問題，J一般可以取為不同的具體形式，如：一般可以取為不同的具體形式，如：最短時(shí)間問題最短時(shí)間問題線性二次最優(yōu)控制問題線性二次最優(yōu)控制問題線性伺服器問題線性伺服器問題 如果要求給定的系統(tǒng)狀態(tài)如果要求給定的系統(tǒng)狀態(tài)x跟蹤或者盡可能地接近目標(biāo)軌跟蹤或者盡可能地接近目標(biāo)軌跡跡xd，則，則J可以取為可以取為 除了特殊情況外，最優(yōu)控制問題的解析解是比較復(fù)雜的，除了特殊情況外，最優(yōu)控制問題的解析解是比較復(fù)雜的，以至必須求其數(shù)值解。當(dāng)指標(biāo)為二次性能指標(biāo)時(shí)，

11、可以給出以至必須求其數(shù)值解。當(dāng)指標(biāo)為二次性能指標(biāo)時(shí)，可以給出整齊的解析解。整齊的解析解。fttfttdtJ00dtRuuQxxJTttTf)(210fttdTddtxxxxJ0)()(21最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制問題有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：最優(yōu)控制問題有四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1 1）受控對(duì)象為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；受控對(duì)象為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；（2 2）初始與終端條件（時(shí)間和狀態(tài)）；初始與終端條件（時(shí)間和狀態(tài)）；（3 3）性能指標(biāo)；性能指標(biāo)；（4 4）容許控制。容許控制。而最優(yōu)控制問題的實(shí)質(zhì)就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，而最優(yōu)控制問題的實(shí)質(zhì)就是要找出容許的控制作用或控制規(guī)律，使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（受控對(duì)象）從初始狀態(tài)

12、轉(zhuǎn)移到某種要求的終端狀使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（受控對(duì)象）從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到某種要求的終端狀態(tài)，并且保證某種要求的性能指標(biāo)達(dá)到最小值或者是最大值。態(tài)，并且保證某種要求的性能指標(biāo)達(dá)到最小值或者是最大值。最優(yōu)控制的基本原理最優(yōu)控制的基本原理 “自適應(yīng)自適應(yīng)”(Adaptive)(Adaptive)最初來源于生物系統(tǒng)，指生物變更最初來源于生物系統(tǒng)，指生物變更自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。人體的體溫、血壓等自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。人體的體溫、血壓等系統(tǒng)都是典型的自適應(yīng)系統(tǒng)；系統(tǒng)都是典型的自適應(yīng)系統(tǒng)； 前蘇聯(lián)學(xué)者前蘇聯(lián)學(xué)者TsypkinTsypkin在在學(xué)習(xí)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)一書中引用一

13、書中引用了馬克了馬克. .吐溫的一段話來說明自適應(yīng)：吐溫的一段話來說明自適應(yīng)：“一只貓?jiān)跓裏岬脑钌弦恢回堅(jiān)跓裏岬脑钌蠣C了一次，這只貓?jiān)僖膊桓以谠钌献耍词惯@只灶是冷的。燙了一次，這只貓?jiān)僖膊桓以谠钌献?，即使這只灶是冷的。”說明了自適應(yīng)過程的機(jī)械性；說明了自適應(yīng)過程的機(jī)械性； “ “自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制”這個(gè)名詞出現(xiàn)在這個(gè)名詞出現(xiàn)在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代。年代。 “ “大百科大百科”中定義：能在系統(tǒng)和環(huán)境的信息不完備的情況下改變自身特性中定義：能在系統(tǒng)和環(huán)境的信息不完備的情況下改變自身特性來保持良好工作品質(zhì)的控制系統(tǒng)，稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。來保持良好工作品質(zhì)的控制系統(tǒng)，稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)

14、。自適應(yīng)控制原理自適應(yīng)控制原理 在反饋控制和最優(yōu)控制中，都假定被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型是已知的，并且具有線性定常的特性。實(shí)際上在許多工程中，被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型事先是難以確定的，即使在某一條件下被確定了的數(shù)學(xué)模型，在工況和條件改變了以后，其動(dòng)態(tài)參數(shù)乃至于模型的結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常發(fā)生變化。【背景】自適應(yīng)控制原理自適應(yīng)控制原理飛機(jī)控制飛機(jī)控制 近地點(diǎn)和高空的空氣密度不同，飛機(jī)控制特性隨高度、近地點(diǎn)和高空的空氣密度不同，飛機(jī)控制特性隨高度、 飛行速度的不同而有很大的變化飛行速度的不同而有很大的變化 導(dǎo)彈控制導(dǎo)彈控制 導(dǎo)彈的質(zhì)量和重心隨燃料的消耗迅速變化導(dǎo)彈的質(zhì)量和重心隨燃料的消耗迅速變化 過程控制過程

15、控制 連續(xù)生產(chǎn)化工設(shè)備參數(shù)隨著環(huán)境溫度和輸入輸出流量而改變連續(xù)生產(chǎn)化工設(shè)備參數(shù)隨著環(huán)境溫度和輸入輸出流量而改變；鍋爐機(jī)組過熱蒸氣溫度的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著負(fù)荷變化而變化；鍋爐機(jī)組過熱蒸氣溫度的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著負(fù)荷變化而變化 電力拖動(dòng)電力拖動(dòng) 造紙：卷紙筒慣性變化，為保持紙張力不變，馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩需造紙：卷紙筒慣性變化，為保持紙張力不變，馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩需改變改變船舶的航線控制船舶的航線控制傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著船載、速度、吃水深度和環(huán)境（傳遞函數(shù)的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨著船載、速度、吃水深度和環(huán)境（即波浪、風(fēng)速、海潮等）的變化而變化即波浪、風(fēng)速、海潮等）的變化而變化自適應(yīng)控制原理自適應(yīng)控制原理 在發(fā)生這些問題時(shí)，常規(guī)控制器不可

16、能得到很好的控在發(fā)生這些問題時(shí)，常規(guī)控制器不可能得到很好的控制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自制品質(zhì)。為此，需要設(shè)計(jì)一種特殊的控制系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，動(dòng)地補(bǔ)償在模型階次、參數(shù)和輸入信號(hào)方面非預(yù)知的變化，這就是這就是自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制。而自適應(yīng)控制器的。而自適應(yīng)控制器的特點(diǎn)特點(diǎn)就是它能修正就是它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性變化。自己的特性以響應(yīng)過程和擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性變化。 自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的這里所謂的“不確定性不確定性”是指描

17、述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因?qū)W模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。素。 自適應(yīng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)是分不開的。自適應(yīng)控制和系統(tǒng)辨識(shí)是分不開的。自適應(yīng)控制原理自適應(yīng)控制原理自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖自適應(yīng)系統(tǒng)的原理框圖 自適應(yīng)系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、自適應(yīng)器及反饋?zhàn)赃m應(yīng)系統(tǒng)主要由控制器、被控對(duì)象、自適應(yīng)器及反饋控制回路和自適應(yīng)回路組成?？刂苹芈泛妥赃m應(yīng)回路組成。控制器控制器被控對(duì)象被控對(duì)象自適應(yīng)器自適應(yīng)器參考輸入?yún)⒖驾斎雛(t)控制量控制量u(t)干擾干擾v(t)輸出量輸出量y(t)2022-5-2025_+控制器受

18、控對(duì)象自適應(yīng)律參考模型自適應(yīng)控制系統(tǒng) 主控制回路 u 控制對(duì)象 xp 自適應(yīng)模塊 控制器?WaveGenerator?BeltFlex?m?MotorInertia K d K p SVF P?PositionSensor K SVF?SpringDamper?m?Mass F?ForceActuator?m?Load K?OnOff Liapunov模塊 K i p 22 p 21 2 n k (s+2z s+ ) n 2 n MRAS控制仿真結(jié)果00.511.5參考輸入-0.500.51負(fù)載輸出020406080100時(shí) 間 s-0.500.51偏差信號(hào)自適應(yīng)系統(tǒng)的仿真實(shí)例自適應(yīng)系統(tǒng)的仿真實(shí)例擺玉龍等（2008）最優(yōu)控制最優(yōu)控制 “沒有更好只有最好沒有更好只有最好”自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制 以變制變以變制變魯棒控制魯棒控制 以靜制動(dòng)以靜制動(dòng)總結(jié)總結(jié)2022-5-20Chapter 11 Four-dimensional Data Assimilatio