最优控制理论及应用

Date:26.03.2020File:OC_CH1.1OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication最优控制理论及应用主讲：董洁[e-mail]2013年11月Date:26.03.2020File:OC_CH1.2OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication1符曦.系统最优化及控制.北京：机械工业出版社2解学书.最优控制理论及应用.北京：清华大学出版社3秦寿康.最优控制.北京：电子工业出版社4邢继祥等.最优控制应用基础.北京：科学出版社5王朝珠，秦化淑.最优控制理论.北京：科学出版社，20036张洪钺，王青.最优控制理论与应用.北京：高等教育出版社，20067胡寿松等.最优控制理论与系统.北京：科学出版社，2007参考教材Date:26.03.2020File:OC_CH1.3OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication最优控制理论的发展1最优化问题的分类2最优化问题的解法3最优控制问题4本课程主要内容5第一章绪论Date:26.03.2020File:OC_CH1.4OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication第三阶段鲁棒控制理论阶段1.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。2.20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：控制理论的产生和发展第一阶段经典控制理论第二阶段现代控制理论Date:26.03.2020File:OC_CH1.5OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。复杂大系统控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.6OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication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，研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.7OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication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。控制理论的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.8OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication最优控制属于现代控制技术的核心内容，是现代控制理论的一个研究热点和中心话题。现代控制理论：以多变量系统控制、最优控制、系统辩识为主要内容，最优控制发展早。20世纪60年代，现代控制理论才得以迅速发展。我国著名学者：钱学森1954年编著的《工程控制论》直接促进了最优控制理论的发展和形成。1最优控制理论的发展Date:26.03.2020File:OC_CH1.9OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication现代控制理论是研究系统状态的控制和观测的理论，主要包括5个方面：线性系统理论最优控制系统辨识最佳滤波（卡尔曼滤波）自适应控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.10OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication线性系统理论研究线性系统在输入作用下状态运动过程规律，揭示系统的结构性质、动态行为之间的关系。主要内容：状态空间描述、能控性、能观性和稳定性、状态反馈、状态观测器设计等。Date:26.03.2020File:OC_CH1.11OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication最优控制在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。主要方法：变分法、极大值原理、动态规划等极大值原理现代控制理论的核心即：使系统的性能指标达到最优（最小或最大）某一性能指标最优：如时间最短或燃料消耗最小等。Date:26.03.2020File:OC_CH1.12OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication自适应控制在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。a.模型参考自适应控制（ModelReferenceAdaptiveControl)b.自校正自适应控制（Self-TurningAdaptiveControl)Date:26.03.2020File:OC_CH1.13OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication系统辨识建立系统动态模型的方法：根据系统的输入输出的试验数据，从一类给定的模型中确定一个与被研究系统本质特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。最佳滤波理论（最佳估计器）当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其综合必须应用概率和统计方法进行。即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法对系统状态估计。Kalman滤波器Date:26.03.2020File:OC_CH1.14OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication控制理论必须回答的三个问题：（1）系统能否被控制？可控性有多大？（2）如何克服系统结构的不确定性及干扰带来的影响？（3）如何实现满足要求的控制策略？Date:26.03.2020File:OC_CH1.15OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication现代控制理论与经典控制理论的差异易于实现实时控制和最优控制频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制其它状态反馈和输出反馈PID控制和校正网络设计方法复域、实域，可控和可观测频域(复域),频率响应和根轨迹法分析方法线性代数矩阵拉普拉斯变换研究工具状态空间法(内部描述)传递函数法(外部描述)研究方法多输入多输出系统(MIMO)一阶微分方程单输入单输出系统(SISO)高阶微分方程研究对象现代控制理论经典控制理论Date:26.03.2020File:OC_CH1.16OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication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。Date:26.03.2020File:OC_CH1.17OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.18OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication航天器控制月球车控制卫星控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.19OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication机器人控制空间机器人控制足球机器人控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.20OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication一些常用概念开环与闭环;调节问题，跟踪问题，随动系统;自治系统，非自治系统;状态反馈，输出反馈;Date:26.03.2020File:OC_CH1.21OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication世界上对控制理论发展有特殊贡献的学者：美国著名学者：贝尔曼（R.E.Bellman）：动态规划1953-1957原苏联著名学者：庞特里亚金：极小值原理1956-1958之后控制论得以迅速发展，发展和促进了许多新的理论学科。最优化技术要解决的主要问题：研究和解决如何从一切可能的方案中寻找最优方案，其中包括以下任务1）根据所提出的最优化问题，建立最优化问题数学模型。确定变量，列出约束条件，确定目标函数（性能指标）2）模型分析，选择合适的最优化求解方法。3）根据选定的最优化算法，编程，求解。Date:26.03.2020File:OC_CH1.22OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication最优化的基本问题：就是寻找一个最优的控制方案或控制规律，使所研究的对象（或系统）能最优地达到预期的目标。例如：1)温度控制系统，如果出现干扰而产生偏差，用什么方法最快消除偏差而使系统恢复到原来的平衡状态。2)雷达高炮随动系统,当发现敌机后,如何以最快速度跟踪目标而将敌机击落？3)电梯控制，如何以最快速度平稳到达地面。以上都涉及到：依据各种不同的研究对象以及人们预期达到的目的，寻求一个最优控制规律u(t)的问题。Date:26.03.2020File:OC_CH1.23OptimalControlTheoryDongJie2013.Allrightsreserved.OptimalControlTheory&itsApplication拦截导弹最短时间控制Date:26.03.2020File:OC_CH1.24OptimalControlTheoryDongJie2013.A