現(xiàn)代控制理論基礎課件1第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容一個人基本情況二控制理論的產生及其發(fā)展三現(xiàn)代控制理論的主要內容四本課程要講的內容五學習、研究和培養(yǎng)學生過程中的一些體會2第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一個人基本情況(1)文成林，男，1963年4月生，博士(后)、教授、博士生指導教師所屬學科：控制理論與控制工程發(fā)表學術論文90余篇，其中已有30余篇次被Sci或Ei收錄主持國家自然科學基金3項、(聯(lián)合主持)國家自然科學基金重點項目1項、中國博士后基金1項、世界銀行貸款項目1項、省部級重點基金5項、國家重點實驗室開放基金4項、省部級自然科學基金3項出版學術專著1部，完成學術專著1部、主編和參編教材5部。3第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月個人基本情況(2)1982.09-1986.06河南大學數(shù)學系基礎數(shù)學專業(yè)本科畢業(yè)1986.06-2004.06在河南大學從事科研和教學究工作1993.09-1996.06鄭州大學基礎數(shù)學專業(yè)碩士研究生畢業(yè)、獲碩士學位1996.09-1999.10西北工業(yè)大學自動控制系博士研究生畢業(yè)1997.10-1997.12中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員1998.10-1998.12中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員1998.12獲得副教授任職資格1999.10-1998.12中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員2000.05-2002.04清華大學《控制科學與工程》博士后流動站工作2002.4被聘任為教授2002.05-2002.07清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗做客座研究員2003.02-2003.06香港浸會大學計算機科學系高級訪問教授2005.10-2005.12加拿大Albeta大學高級訪問教授2004.06至今杭州電子科技大學特聘教授4第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月個人基本情況(3)

杭州電子科技大學特聘教授中國電子學會高級會員，中國自動化學會會員，中國自動化學會過程的故障診斷與技術專業(yè)委員會委員、中國自動化學會智能控制專業(yè)委員會委員國家自然科學基金通訊評閱人，自動化學報、電子學報、電子與信息學報等學報長期審稿人主要研究方向為：多尺度估計理論及其應用、信號處理與數(shù)據(jù)融合技術及應用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應用技術5第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二控制理論的產生及其發(fā)展6第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月自動控制思想及其實踐可以說歷史悠久。它是人類在認識世界和改造世界的過程中產生的，并隨著社會的發(fā)展和科學水平的進步而不斷發(fā)展。人類發(fā)明具有“自動”功能的裝置的歷史可以追溯到公元前14－11世紀的中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的銅壺滴漏計時器。公元前4世紀，希臘柏拉圖（Platon,公元前47－公元前347）首先使用了“控制論”一詞。7第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月公元前300年，古希臘就運用反饋控制原理設計了浮子調節(jié)器，并應用于水鐘和油燈中。在如圖所示的水鐘原理圖中，最上面的蓄水池提供水源，中間蓄水池浮動水塞保證恒定水位，以確保其流出的水滴速度均勻，從而保證最下面水池中的帶有指針的浮子均勻上升，并指示出時間信息。圖1－1水鐘原理圖8第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月早在1000多年前，我國古代先人們也發(fā)明了銅壺滴漏計時器、指南車等控制裝置。齒輪系仙人車身保持預定方向車偏離方向擾動9第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

首次應用于工業(yè)的自控器是瓦特（J.Watt）于1769年發(fā)明的用來控制蒸汽機轉速的飛球控制器，如圖所示。

離心式調速器蒸汽機工具機蒸氣量Q轉速N+ΔQ--10第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

1868年，英國學者麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831－1879）發(fā)表了“論調速器”一文，對的穩(wěn)定性進行了分析，指出控制系統(tǒng)的品質可用微分方程來描述，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用特征方程根的位置形式來研究。該論文屬于最早的理論工作。

1875年，英國的勞斯（E.J.Routh,1831-1907），1995年，德國的赫爾維茨（A.Hurwitz，1859-1919）,先后分別提出根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般準則。11第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

20世紀20年代，電子技術得到了迅速發(fā)展，促進了信息處理和自動控制及其理論的發(fā)展。

1932年，美籍瑞典科學家奈奎斯特（H.Nyquist）提出了根據(jù)頻率響應判斷反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定的準則，即奈奎斯特判據(jù)。

1938年，前蘇聯(lián)學者米依洛夫提出用圖解分析方法判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，把奈奎斯特判據(jù)推廣到條件穩(wěn)定和開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。12第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

1948年，美國著名科學家維納（N.Wiener，1894-1964）出版了專著《控制論―關于在動物和機器中控制和通信的科學》，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論科學的發(fā)展奠定了基礎。該書標志著控制科學的誕生。

1954年，我國著名科學家錢學森教授在美國出版了《工程控制論》一書，書中所闡明的基本理論和觀點，奠定了工程控制論的基礎。13第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

控制理論和社會生產及科學技術的發(fā)展密切相關，在近代得到極速發(fā)展。它不僅已經(jīng)成功地運用并滲透到工農業(yè)、科學技術、軍事、生物醫(yī)學、社會經(jīng)濟及人類生活等諸多領域，而且在這過程中控制理論也發(fā)展成為一門內涵極為豐富的新興學科。14第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月控制理論的發(fā)展一般劃分為三個時期經(jīng)典控制理論

(1930-1950)現(xiàn)代控制理論（20世紀50-70年代）大系統(tǒng)理論、智能控制理論、復雜系統(tǒng)等（20世紀60年代至今）15第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第一個時期：

經(jīng)典控制理論

(1930-1950)16第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

經(jīng)典控制理論主要解決單變量控制系統(tǒng)的分析與設計，研究的對象主要是線性定常系統(tǒng)。它是以拉氏變換為數(shù)學工具，采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為基礎的經(jīng)典頻域方法研究系統(tǒng)。

對于非線性系統(tǒng)，除了線性化及漸近展開等計算外，主要采用相平面分析和諧波平衡法(即描述函數(shù)法)研究。17第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

這一時期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外，還有美國的伯德（H.W.Bode）和埃文斯（W.R.Evans）。

1945年，伯德出版了《網(wǎng)絡分析和反饋放大器設計》一書，提出了頻率響應分析方法，即簡便而實用的伯德圖法。

1948年，埃文斯提出了直觀簡便的圖解分析法，即根軌跡法，這一方法在控制工程上得到了廣泛的應用。

18第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

經(jīng)典控制理論著重研究單機自動化，較好地解決了單輸入單輸出（SISO-SingleInputSingleOutput）系統(tǒng)的控制問題。

主要數(shù)學工具是微分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)。

主要研究方法是時域法、頻域法和根軌跡法。

主要問題是控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度。19第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月“經(jīng)典控制理論”具有明顯的局限性

突出的是難以有效地應用于時變系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。20第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第二個時期：

現(xiàn)代控制理論（20世紀50-70年代）21第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

這個時期，由于計算機技術、航空航天技術的迅速發(fā)展，控制理論有了重大的突破和創(chuàng)新。它研究的對象不再局限于單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的系統(tǒng)，而擴展為多變量的、非線性的、時變的、離散的系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要數(shù)學工具，以狀態(tài)空間法為基礎，分析和設計控制系統(tǒng)。所謂狀態(tài)空間法，本質上是一種時域分析方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且揭示了系統(tǒng)的內部狀態(tài)和性能。22第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

現(xiàn)代控制理論分析和綜合系統(tǒng)的目的是在揭示系統(tǒng)內在規(guī)律的基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)在某種意義上的最優(yōu)化，同時，使控制系統(tǒng)的結構不再限于單純的閉環(huán)形式。這個時期的主要代表人物有美國的貝爾曼（R.

Bellman）、原蘇聯(lián)的龐特里亞金和美籍匈牙利人卡爾曼（R.E.Kalman）等人。23第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

1965年，貝爾曼發(fā)表了“動態(tài)規(guī)劃理論在控制過程中的應用“一文，提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃法。

1958年，Kalman提出遞推估計的自動化控制原理，奠定了自校正控制器的基礎。

1960年，Kalman發(fā)表了“控制系統(tǒng)的一般理論”等論文，引入了狀態(tài)空間分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測性、最優(yōu)調節(jié)器和Kalman濾波等概念。24第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

1962年，Kalman等人又提出最優(yōu)控制反饋問題，并得到若干有關魯棒性的結果。這些理論構造了現(xiàn)代控制理論的框架。

1961年，龐特里亞金的《最優(yōu)過程的數(shù)學理論》一書正式出版，證明了極大值原理，使得最優(yōu)控制理論得到了極大的發(fā)展。25第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第三個時期：

大系統(tǒng)理論、智能控制理論和復雜系統(tǒng)等（20世紀60年代至今）26第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

從20世紀60年代開始，控制理論進入了一個多樣化發(fā)展的時期。它不僅涉及系統(tǒng)辨識和建模、統(tǒng)計估計和濾波、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制及控制系統(tǒng)CAD等理論和方法。同時，它在與社會經(jīng)濟、環(huán)境生態(tài)、組織管理等活動中，與生物醫(yī)學中的診斷及控制，與信號處理、軟件計算等鄰近學科相交叉中又形成了許多新的研究分支。27第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

例如，在20世紀70年代以來形成的大系統(tǒng)理論主要是解決大型工程和社會經(jīng)濟中信號處理、可靠性控制等綜合最優(yōu)的設計問題。由于應用范圍涉及越來越復雜的工程系統(tǒng)和社會、經(jīng)濟、管理等非工程的人類活動系統(tǒng)，原有的理論方法遇到了本質困難，大系統(tǒng)和社會發(fā)展逐漸轉向“復雜系統(tǒng)”的概念。28第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

智能控制的發(fā)展始于20世紀60年代，它是一種能更好地模仿人類智能的、非傳統(tǒng)的控制方法。它突破了傳統(tǒng)控制中對象有明確的數(shù)學描述和控制目標是可以數(shù)量化的限制。它所采用的理念方法主要是來自自動控制理論、人工智能、模糊集和神經(jīng)網(wǎng)絡以及運籌學等學科分支。主要代表人物有美國扎德（L.A.Zadeh）教授，在1965年，他創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復雜系統(tǒng)的控制提供了新的數(shù)學工具。29第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

1968年，美籍華人傅京孫（K.S.Fu）教授和桑托斯（E.S.Saridis）等人提出運用模糊神經(jīng)元概念研究復雜大系統(tǒng)行為，正式提出了智能控制就是人工智能技術與控制理論的交叉，并創(chuàng)立了人－機交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結構。30第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月到了21世紀，隨著經(jīng)濟和科學技術的迅猛發(fā)展，控制理論與許多學科相互交叉、滲透融合的趨勢在進一步加強，控制理論的應用范圍在不斷擴大，控制理論在認識事物運動的客觀規(guī)律和改造世界中將得到進一步的發(fā)展和完善。31第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三現(xiàn)代控制理論的主要內容32第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月線性系統(tǒng)理論

線性系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論的基礎，也是現(xiàn)代控制理念中最完善、技術上較成熟、應用也最廣泛的部分。它主要研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運動過程的規(guī)律和改變這些規(guī)律的可能性與措施；建立和揭示系統(tǒng)結構性質、動態(tài)行為和性能之間的關系。33第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月線性系統(tǒng)理論主要包括系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、能控性、能觀測性和穩(wěn)定性分析，狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器及補償?shù)睦碚摵驮O計方法等內容。34第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月建模和系統(tǒng)辨識

建立動態(tài)系統(tǒng)在空間的模型，使其能正確反映系統(tǒng)輸入、輸出之間的基本關系，是對系統(tǒng)進行分析和控制的出發(fā)點。由于系統(tǒng)比較復雜，往往不能通過解析的方法直接建模，而主要是在系統(tǒng)輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)或運行數(shù)據(jù)的基礎上，從一類給定的模型中確定一個與研究系統(tǒng)本質特征等價的或近似的模型。

35第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月如果模型的結構已經(jīng)確定，只需要確定其參數(shù)，就是參數(shù)估計問題。若模型的結構和參數(shù)需同時確定，就是系統(tǒng)辨識問題。36第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月最優(yōu)濾波理論

最優(yōu)濾波亦稱為最佳估計理論。當系統(tǒng)受到環(huán)境噪聲或負載干擾時，其不確定性可以用概率或統(tǒng)計的方法進行描述或處理。也就是在系統(tǒng)的數(shù)學模型已建立的基礎上，利用被噪聲等污染的輸入輸出的量測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計方法獲得有用信號的最優(yōu)估計。37第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

經(jīng)典的維納濾波理念闡述的是平穩(wěn)隨機過程按均方差意義的最佳濾波，而現(xiàn)代的Kalman濾波理論用狀態(tài)空間法設計最優(yōu)濾波器，克服了前者的局限性，適用于非平穩(wěn)過程，并在很多領域中得到廣泛應用。成為現(xiàn)代控制理論的基石38第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是在給定限制條件和性能指標(即評價函數(shù)或目標函數(shù))下，尋找使系統(tǒng)性能在一定意義下為最優(yōu)的控制規(guī)律。所謂“限制條件”，即約束條件，指的是物理上對系統(tǒng)所施加的一些約束；而“性能指標”，則是為評價系統(tǒng)在全工作過程中的優(yōu)劣所規(guī)定的標準；所尋找的控制規(guī)律就是綜合出的最佳控制器。39第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月在解決最優(yōu)控制問題中，除了龐特里亞金的極大值原理和貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法是最重要的兩種方法外，用各種“廣義”梯度描述的最優(yōu)算法，以及動態(tài)規(guī)劃的哈密頓－雅可比（Hamilton-Jacobi-Bellman）方程求解的新方法正在形成并用于非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制。40第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月自適應控制

所謂自適應控制，是隨時辨識系統(tǒng)的數(shù)學模型，并按照當前的模型去修改最優(yōu)控制律。當被控對象的內部結構和參數(shù)以及外部的環(huán)境特性和擾動存在不確定時，系統(tǒng)自身能在線量測和處理有關信息，在線相應修改控制器的結構和參數(shù)，以保持系統(tǒng)所要求的最佳性能。

41第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月自適應控制的兩大基本類型是：

(1)模型參考自適應

(2)自校正控制近期自適應理論的發(fā)展包括：

(1)廣義預測控制

(2)魯棒穩(wěn)定的自適應系統(tǒng)

(3)引入了人工智能技術的自適應控制等。42第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月本課的教學主線控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述（數(shù)學模型）能控性、能觀測性和穩(wěn)定性（基本性質分析）狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器設計（系統(tǒng)的綜合與設計）43第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月四本課程要講的內容

第9章狀態(tài)空間系統(tǒng)響應、可控性與可觀性第10章線性反饋系統(tǒng)的時間域綜合第11章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析第12章控制系統(tǒng)設計實例分析

44第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第九章狀態(tài)空間系統(tǒng)響應、可控性與可觀性9.1線性定常系統(tǒng)的響應9.2狀態(tài)轉移矩陣9.3線性離散系統(tǒng)的響應9.4可控性和可觀性9.5線性定常系統(tǒng)的線性變換9.6對偶原理9.7線性定常系統(tǒng)的結構分解9.8矩陣處理的MATLAB實現(xiàn)45第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第十章線性反饋系統(tǒng)的時間域綜合10.1輸出反饋與狀態(tài)反饋10.2極點配置問題10.3狀態(tài)重構與狀態(tài)觀測器設計10.4最優(yōu)控制問題概論10.5MATLAB在線性反饋系統(tǒng)時間域綜合中的應用

46第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章李亞普諾夫穩(wěn)定性分析11.1李亞普諾夫關于穩(wěn)定性的定義11.2李亞普諾夫第一方法11.3李亞普諾夫第二方法11.4線性定常系統(tǒng)的李亞普諾夫穩(wěn)定性分析