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第8章现代控制理论ModernControlTheory第八章现代控制理论初步一、控制理论发展概况二、现代控制理论的主要特点三、现代控制理论基本内容一、控制理论发展概况控制论：1948年美国数学家维纳《控制论》1940——1950经典控制理论单机自动化1960——1970现代控制理论机组自动化1970——1980大系统理论控制管理综合1980——1990智能控制理论智能自动化1990——21c集成控制理论网络控制自动化1788年，英国Wate利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速机。1875年，1895年，英国Routh和德国Hurwitz先后提出判别系统稳定性的代数方法。1892年，俄国李雅普诺夫在《论运动稳定性的一般问题》中建立了动力学系统的一般稳定性理论。1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。1945年，美国Bode在《网络分析和反馈放大器设计》中提出频率响应分析法－Bode图。1948年，美国Wiener在《控制论－关于在动物和机器中控制和通信的科学》中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。－－－标志控制学科的诞生控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律的学科。1954年，钱学森的《工程控制论》在美国出版。－－－奠定了工程控制论的基础（1）经典控制理论a.特点研究对象：单输入、单输出线性定常系统。解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。非线性系统：相平面法和描述函数分析。数学工具：拉氏变换、常微分方程。b.局限性难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性。(2)现代控制理论随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。a.特点研究对象：多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。解决方法：状态空间法（时域方法）。数学工具：线性代数、微分方程。b.主要标志1965年，R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观性、Kalman滤波概念1961年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。（3）大系统理论是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，如生产过程、交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统。复杂系统的特点：（1）动力学模型的不确定性（2）测量信息的粗糙性和不完整性（3）动态行为或扰动的随机性（4）离散层次和连续层次的混杂性（5)系统动力学的高度复杂性（6）状态变量的高维性和分布性（7）各系统间的强耦合性大系统结构分为三类：多级（递阶）控制多层控制（按任务）多段控制（如导弹轨迹控制）公司工厂车间决策、协调、计划、组织、管理计算机实现生产调度，过程控制的最优化调节装置协调控制级递阶控制级局部控制级（4）智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人。利用知识进行学习、推理与联想，对环境干扰与不确定因素具有鲁棒性。主要内容：模糊控制神经网络控制专家控制、遗传算法(5)控制理论发展趋势企业：资源共享、因特网、信息集成信息技术+控制技术集成控制技术网络控制技术计算机集成制造CIMS：（工厂自动化）ComputerIntegratedManufacturingSystem应用：生物控制、经济控制、社会控制等二、现代控制理论的主要特点研究对象：线性系统、非线性系统、时变系统、多变量系统、连续与离散系统数学上：状态空间法方法上：研究系统输入/输出特性和内部性能内容上：线性系统理论、系统辨识、最优控制、自适应控制等三、现代控制理论基本内容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？（1）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。（2）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。（3）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)（4）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。（5）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