1、現(xiàn) 代 控 制 理 論 基 礎(chǔ),Modern Control Theory,緒 論, 1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2 現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容 1.3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異 1.4 現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用, 1.1 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展,同學(xué)們，我們都知道：控制理論作為一門科學(xué)技術(shù)，已經(jīng)廣泛地運用于我們社會生活的方方面面。,洗衣機智能控制,電冰箱溫度控制,第一階段: 經(jīng)典(自動)控制理論,經(jīng)典控制理論也稱為自動控制理論。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個過程： 一 萌芽階段 如果要追朔自動控制技術(shù)的發(fā)展歷史,早在兩千年前中國就有了自動控制技術(shù)的萌芽。,控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展要分為以下幾個

2、發(fā)展階段：,二 起步階段,隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，到十八世紀(jì)，自動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）發(fā)明的蒸汽機離心調(diào)節(jié)器，加速了第一次工業(yè)革命的步伐。,瓦特,三 發(fā)展階段,1. 1868年麥克斯韋（J.C.Maxwell）解決了蒸汽機調(diào)速 系統(tǒng)中出現(xiàn)劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，提出了簡單的穩(wěn) 定性代數(shù)判據(jù)。,麥克斯韋（J.C.Maxwell）,1895年勞斯（Routh）與赫爾維茨（Hurwitz）把麥克斯韋的思想擴展到高階微分方程描述的更復(fù)雜的系統(tǒng)中,各自提出了著名的穩(wěn)定性判據(jù)勞斯判據(jù)和赫爾維茨判據(jù)，基本上滿足了二十世紀(jì)初期控制工程師的需要。,赫爾維茨（H

3、urwitz）,3.由于兩次世界大戰(zhàn)中軍事工業(yè)需要控制系統(tǒng)具有準(zhǔn)確跟蹤與補償能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了復(fù)數(shù)域內(nèi)研究系統(tǒng)的頻率響應(yīng)法，為具有高質(zhì)量動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準(zhǔn)確度的軍用控制系統(tǒng)提供了急需的分析工具。,奈奎斯特,4.1948年伊文思（W.R.Ewans）提出了用圖解方式研究系統(tǒng)的根軌跡法。 建立在奈奎斯特的頻率響應(yīng)法和伊文思的根軌跡法基礎(chǔ)上的理論，稱為經(jīng)典（古典）控制理論（或自動控制理論）。,四 標(biāo)志階段,1.1947年控制論的奠基人美國數(shù)學(xué)家維納（N.Weiner）把控制論引起的自動化問題同第二次產(chǎn)業(yè)革命聯(lián)系起來，于1948年發(fā)表控制論關(guān)于在動物和機器中控制與通訊的

4、科學(xué)一文，文中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，為控制理論這門學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。,控制論之父維納,2.我國著名科學(xué)家錢學(xué)森將控制理論應(yīng)用于工程實踐，并于1954年出版了工程控制論。,錢學(xué)森,從四十年代到五十年代末，經(jīng)典控制理論的發(fā)展與應(yīng)用使整個世界的科學(xué)水平出現(xiàn)了巨大的飛躍，幾乎在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)的各個領(lǐng)域都廣泛采用了自動化控制技術(shù)。（可以說工業(yè)革命和戰(zhàn)爭促使了經(jīng)典控制理論的發(fā)展）。,第二階段 現(xiàn)代控制理論,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅需要迅速地發(fā)展控制理論，而且也給現(xiàn)代控制理論的發(fā)展準(zhǔn)備了兩個重要的條件現(xiàn)代數(shù)學(xué)和數(shù)字計算機。 現(xiàn)代數(shù)學(xué)，例如泛函分析、現(xiàn)代代數(shù)等，為現(xiàn)代控制理論提供

5、了多種多樣的分析工具；而數(shù)字計算機為現(xiàn)代控制理論發(fā)展提供了應(yīng)用的平臺。 從二十世紀(jì)五十年代末開始，隨著核能技術(shù)、空間技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，工程領(lǐng)域需要對多輸入多輸出系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和時變系統(tǒng)進行更具體的研究。,1.五十年代后期，貝爾曼（Bellman）等人提出了狀態(tài)空間法；在1957年提出了基于動態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)控制理論。,2.1959年匈牙利數(shù)學(xué)家卡爾曼（Kalman）和布西創(chuàng)建了卡爾曼濾波理論；1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功地應(yīng)用了狀態(tài)空間法，并提出了可控性和可觀測性的新概念。,卡爾曼,4. 羅森布洛克（H.H.Rosenbrock）、歐文斯（D.H.Owens）和麥克法侖（G.J.MacFar

6、lane）研究了用于計算機輔助設(shè)計的現(xiàn)代頻域法理論，將經(jīng)典控制理論傳遞函數(shù)的概念推廣到多變量系統(tǒng)，并探討了傳遞函數(shù)矩陣與狀態(tài)方程之間的等價轉(zhuǎn)換關(guān)系，為進一步建立統(tǒng)一的線性系統(tǒng)理論奠定了基礎(chǔ)。,3. 1961年龐特里亞金（俄國人）提出了極小（大）值原理。,龐特里亞金 L.S.Pontryagin,5. 20世紀(jì)70年代奧斯特拉姆（瑞典）和朗道（法國，L.D.Landau）在自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面作出了貢獻。,與此同時，關(guān)于系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、離散時間系統(tǒng)等理論的發(fā)展也大大豐富了現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容。,朗道 L.D.Landau,第三階段 魯棒控制理論階段,1. 由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展，結(jié)合H2和H等

7、范數(shù)而 出現(xiàn)了H2和H控制，還有逆系統(tǒng)控制等方法。 2. 20世紀(jì)末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”、 “智能控制理論”和“復(fù)雜系統(tǒng)理論”的方向發(fā)展：,大系統(tǒng)理論：用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)方案、總體設(shè)計中的分解方法和協(xié)調(diào)等 問題的技術(shù)基礎(chǔ)理論。,復(fù)雜大系統(tǒng)控制,智能控制理論：研究與模擬人類智能活動及其控制與信 息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些擬人 智能 的工程控制與信息處理系統(tǒng)的理論。,洗衣機智能控制,機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,復(fù)雜系統(tǒng)理論：把系統(tǒng)的研究拓廣到開放復(fù)雜巨系統(tǒng)的范 籌，以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制為目標(biāo)。,回顧控制理論的發(fā)展歷程可以看出，它的發(fā)展過程反映了人類由機械化時代進入電氣化

8、時代，并走向自動化、信息化、智能化時代。,復(fù)雜航天器控制,現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容為: 線性系統(tǒng)理論 最優(yōu)控制理論 最優(yōu)估計理論 系統(tǒng)辨識理論 自適應(yīng)控制理論 智能控制理論, 1.2 現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)的內(nèi)容,狀態(tài)空間實現(xiàn): 線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型問題 線性系統(tǒng)的內(nèi)部特性：穩(wěn)定性、可控性與可觀測性 線性系統(tǒng)的設(shè)計方法：極點配置,線性系統(tǒng)理論的內(nèi)容,變分法（用于不受限系統(tǒng)）； 極?。ù螅┲翟?； 動態(tài)規(guī)劃：最優(yōu)性原理； 線性二次型指標(biāo)的最優(yōu)控制,最優(yōu)控制理論的內(nèi)容,參數(shù)估計法；（最小方差、最小二乘法） 狀態(tài)估計法（卡爾曼濾波）,最優(yōu)估計理論的內(nèi)容, 1.3 現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典控制理論的差異, 1.4 現(xiàn)

9、代控制理論的應(yīng)用,比起經(jīng)典控制理論, 現(xiàn)代控制理論考慮問題更全面、更復(fù)雜,主要表現(xiàn)在考慮系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合,系統(tǒng)外部的干擾,但符合從簡單到復(fù)雜的規(guī)律?，F(xiàn)代控制理論已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸及國防建設(shè)等各個領(lǐng)域。,倒立擺穩(wěn)定控制,單級倒立擺穩(wěn)定控制,二級倒立擺穩(wěn)定控制,導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,空空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,地空導(dǎo)彈穩(wěn)定控制,航天器控制,月球車控制,衛(wèi)星控制,機器人控制,空間機器人控制,足球機器人控制,指南車與司南、指南針等相比在指南的原理上截然不同。它的車箱里裝著非常巧妙而復(fù)雜的機械。是一種雙輪獨轅車。它的中央有一個大平輪，木頭人就豎立在上面。在大平輪兩旁，裝著很多小齒輪。如果車子向左轉(zhuǎn)，右邊的車

10、輪就會帶動小齒輪，小齒輪再帶動大平輪，使大平輪相反地向右轉(zhuǎn)。如果車子向右轉(zhuǎn)，同樣地，大平輪則向左轉(zhuǎn)。因此，只要指南車開動以前，先讓木頭人的右手指向南方，以后車子不論是向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)，木頭人的右手就總是指向南方。指南車是利用齒輪的原理造成的。這種齒輪傳動類似現(xiàn)代汽車用的差動齒輪，相當(dāng)于汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這種指南車，可以說是世界上最早的自動化設(shè)備。,指南車,指南車是我國古代偉大的發(fā)明之一，也是世界上最早的控制論機械之一。用英國著名科學(xué)史專家李約瑟的話說，中國古代的指南車“可以說是人類歷史上邁向控制論機器的第一步”，是人類“第一架體內(nèi)穩(wěn)定機”。,整個水運儀象臺高12米，寬7米，共分3層

11、，相當(dāng)于一幢四層樓的建筑物。最上層的板屋內(nèi)放置著1臺渾儀， 屋的頂板可以自由開啟，平時關(guān)閉屋頂，以防雨淋，這已經(jīng)具有現(xiàn)代天文觀測室的雛型了；中層放置著一架渾象；下層又可分成五小層木閣，每小層木閣內(nèi)均安排了若干個木人，5層共有162個木人，它們各司其職：每到一定的時刻，就會有木人自行出來打鐘、擊鼓或敲打樂器、報告時刻、指示時辰等。在木閣的后面放置著精度很高的兩級漏壺和一套機械傳動裝置，可以說這里是整個水運儀象臺的“心臟”部分，用漏壺的水沖動機輪，驅(qū)動傳動裝置，渾儀、渾象和報時裝置便會按部就班地動作起來。 這臺儀器的制造水平堪稱一絕，充分體現(xiàn)了我國古代人民的聰明才智和富于創(chuàng)造的精神。,水運儀象臺,

12、水運儀象臺是我國古代一種大型的天文儀器，由宋朝天文學(xué)家蘇頌等人創(chuàng)建。它是集觀測天象的渾儀、演示天象的渾象、計量時間的漏刻和報告時刻的機械裝置于一體的綜合性觀測儀器，實際上是一座小型的天文臺。,到此為止，瓦特完成了對蒸汽機的整套發(fā)明過程。經(jīng)過他的一系列重大的發(fā)明和改進，使蒸汽機的效率提高到原來紐科門機的3倍多，而且配套齊全、性能優(yōu)良、切合實用。瓦特由此博得了第一部現(xiàn)代蒸汽機高效率瓦特蒸汽機的發(fā)明者稱號。,瓦特JamesWatt,（JamesWatt,17361819）英國發(fā)明家、工程師。1736年1月19日生于蘇格蘭的一個小鎮(zhèn)格里諾克。1753年他在家鐘表店學(xué)手藝。15歲學(xué)完了物理學(xué)原理并獲得了

13、豐富的木工、金屬冶煉和加工等工藝技術(shù)。1753年他在一家鐘表店學(xué)手藝。 1753年又跟有名的機械師摩爾根當(dāng)學(xué)徒。經(jīng)過刻苦學(xué)習(xí)，努力實踐，他已能制造難度較高的象限儀、羅盤、經(jīng)緯儀等。1756年在格拉斯哥大學(xué)當(dāng)了儀器修理員。1765年發(fā)明了把冷凝過程從汽缸中分離出來的分離式冷凝器。冷凝器的發(fā)明在蒸汽機的發(fā)展中起了關(guān)鍵性的作用。1768年他制成了一臺單動作蒸汽機 。1781年，他發(fā)明了行星式齒輪，將蒸汽機活塞的往運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 1782年他發(fā)明了大動力的“雙動作蒸汽機”并獲得專利 1784年他發(fā)明了平行運動連桿機構(gòu)，解決了雙動作蒸汽機的結(jié)構(gòu)問題。1788年他發(fā)明了離心式調(diào)速器和節(jié)氣閥，用來自動控制

14、蒸汽機的運轉(zhuǎn)速度。1790年發(fā)明了蒸汽機配套用壓力計。,為貝爾電話實驗室的工程師，在熱噪聲(Johnson-Nyquist noise)和反饋放大器穩(wěn)定性方面做出了很大的貢獻他早期的理論性工作關(guān)于確定傳輸信息的需滿足的帶寬要求，在貝爾系統(tǒng)技術(shù)期刊上發(fā)表了影響電報速度傳輸速度的因素文章，為后來香農(nóng)的信息論奠定了基礎(chǔ)。 1927年，奈奎斯特確定了如果對某一帶寬的有限時間連續(xù)信號（模擬信號）進行抽樣，且在抽樣率達到一定數(shù)值時，根據(jù)這些抽樣值可以在接收端準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。為不使原波形產(chǎn)生“半波損失”，采樣率至少應(yīng)為信號最高頻率的兩倍，這就是著名的奈奎斯特采樣定理。奈奎斯特1928年發(fā)表了電報傳輸理論的

15、一定論題。 1954年，他從貝爾實驗室退休。,奈奎斯特,奈奎斯特，美國物理學(xué)家，1889年出生在瑞典。1976年在德克薩斯逝世。奈奎斯特對信息論做出了重大的貢獻。奈奎斯特1907年移民到美國并于1912年進入北達克塔大學(xué)學(xué)習(xí)。1917年在耶魯大學(xué)獲得物理學(xué)博士學(xué)位。1917年1934年在AT&T公司工作，后轉(zhuǎn)入貝爾電話實驗室工作。,物理、電學(xué)了。他18歲時取得了哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)和哲學(xué)兩個博士學(xué)位，后來又到德國、英國學(xué)習(xí)，拜著名哲學(xué)家羅素、數(shù)學(xué)家希爾伯特為師，進一步深造。 維納已是一個很有名的數(shù)學(xué)家了，但他對其他學(xué)科也很有興趣。在第二次世界大戰(zhàn)末期，有兩個大問題特別引起了他的興趣，一個是電子計算機，

16、另一個是火炮命中率問題。 維納和一位年輕工程師合作，從駕駛汽車這種簡單的動作中發(fā)現(xiàn)，人是采用了一種叫“反饋”的控制方法，使汽車按要求行駛。維納又請來了神經(jīng)專家進行共同研究，發(fā)現(xiàn)機器和人的控制機能有相似之處。后來，維納又和許多有名科學(xué)家進行討論，聽取對方的批評意見，甚至是“攻擊”意見，終于于1948年把自己的研究成果發(fā)表了出來，叫控制論。,維納,維納生于哥倫比亞市一個猶太人家里。維納4歲開始讀書。9歲時讀中學(xué)，11歲進入大學(xué)學(xué)習(xí)他的數(shù)學(xué)知識已超過大學(xué)一年級學(xué)生的水平，所以轉(zhuǎn)而熱衷于研究化學(xué)、,1955年回國。1955年至1946年任中國科學(xué)院力學(xué)研究所所長、研究員，國防部第五研究院院長。1965

17、年至1970年任第七機械工業(yè)部副部長。1970年至1982年任國防科工委科學(xué)技術(shù)委員會副主任，中國科協(xié)副主席。還歷任中國自動化學(xué)會第一、二屆理事長，中國宇航學(xué)會、中國力學(xué)學(xué)會、中國系統(tǒng)工程學(xué)會名譽會長，中科院主席團執(zhí)行主任、數(shù)學(xué)物理學(xué)部委員。1986年至1991年5月任中國科協(xié)第三屆全委會主席。1991年5月在中國科協(xié)第四次全國代表大會上當(dāng)選為科協(xié)名譽主席。1992年4月被聘為中科院學(xué)部主席團名譽主席。1994年6月當(dāng)選為中國工程院院士。,錢學(xué)森,錢學(xué)森，1911年12月11日生，浙江杭州人，1959年8月加入中國共產(chǎn)黨，博士學(xué)位。 1929年至1934年在上海交通大學(xué)機械工程系學(xué)習(xí)。1935

18、年至1939年在美國麻省理工學(xué)院航空工程系學(xué)習(xí)，獲碩士學(xué)位。1936年至1939年在美國加州理工學(xué)院航空與數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，獲博士學(xué)位。1939年至1943年任美國加州理工學(xué)院航空系研究員。1943年至1945年任美國加州理工學(xué)院航空系助理教授（其間：1940年至1945年為四川成都航空研究所通信研究員）。1945年至1946年任美國加州理工學(xué)院航空系副教授。1946年至1949年任美國麻省理工學(xué)院航空系副教授、空氣動力學(xué)教授。1949年至1955年任美國加州理工學(xué)院噴氣推進中心主任、教授。,1957年于哥倫比亞大學(xué)獲得博士學(xué)位。在現(xiàn)代控制理論中的卡爾曼濾波器，正是源于他的博士論文和1960年發(fā)表的論文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems（線性濾波與預(yù)測問題的新方法）。,卡爾曼,卡爾曼全名Rudolf Emil Kalman，匈牙利數(shù)學(xué)家，1930年出生于匈牙利首都布達佩斯。1953、1954年于麻省理工學(xué)院分別獲得電機工程學(xué)士及碩士學(xué)位。,現(xiàn)代控制理論預(yù)覽,建模,建立,求解,轉(zhuǎn)換,可控性,可觀性,穩(wěn)定性,狀態(tài)反饋,狀態(tài)觀測器,最優(yōu)控制,第一章 控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式,本章主要內(nèi)容： 狀態(tài)