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1绪论：现代控制理论的产生与发展

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现代控制理论-绪论 PPT课件

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控制系统的状态空间描述
系统数学描述的两种基本类型
系统是指由一些相互制约的部分所构成的整体，它可能 是一个由反馈闭合的整体，也可能是某一控制装置或受控对 象。
本章中所研究的系统均假定具有若干输入端和输出端，如图所示。图 中方块以外的部分为系统环境，环境对系统的作用为系统输入，系统对环 境的作用为系统输出，二者分别用向量 u = [u1, u2, …, up]T 和 y = [y1, y2, …, yq]T 表示，它们均为系统的外部变量。描述系统内部每个时刻所处状况的 变量为系统的内部变量，以向量 x = [x1, x2, …, xn]T 表示。
)

控制（输入）向量
y1(t)
y
(t
)


y2
(t
)



ym
(t
)
输出（量测）向量
f1(x1, x2
f
(
x,
u,
t
)


f
2
(
x1
,
x2

fn (x1, x2
, xn , u1, u2 , xn , u1, u2
, xn , u1, u2
,ur ,t)
控制变量 u1 , u2 ,, ur
状态变量 输出变量
x1 , x2 ,, xn 通常并不要求必须是可测量的 y1 , y2 ,, ym 可以直接测量的，又称为量测变量
26
DgXu 中南大学信息学院自动化系
系统的动力学特性一般可用一组一阶微分方程来描述
动态特性 xi (t) fi (x1, x2 , , xn;u1,u2, ur ;t) i 1, 2, , n
1绪论：现代控制理论的产生与发展

1绪论：现代控制理论的产生与发展


瓦特JamesWatt
（JamesWatt,1736～1819）英国发明家、工程师。1736年1月19 日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1753年他在家钟表店学手艺。 15岁学完了《物理学原理》并获得了丰富的木工、金属冶炼和加 工等工艺技术。1753年他在一家钟表店学手艺。 1753年又跟有名 的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造 难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当 了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分 离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。 1768年他制成了一台单动作蒸汽机 。1781年，他发明了行星式齿 轮，将蒸汽机活塞的往运动变为旋转运动 1782年他发明了大动力 的“双动作蒸汽机”并获得专利 1784年他发明了平行运动连杆机 构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调 速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了 蒸汽机配套用压力计。 到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发 明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，而且配套齐全、性能 优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机——高效率瓦特蒸汽机的发 明者称号。
等各个领域。
倒立摆稳定控制
单级倒立摆稳定控制
二级倒立摆稳定控制
导弹稳定控制
地空导弹稳定控制
空空导弹稳定控制
航天器控制
卫星控制
月球车控制
机器人控制
空间机器人控制
足球机器人控制
[课堂小结]
1. 现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应 用； 2. 经典控制理论与现代控制理论的差异； 3. 现代控制理论的应用。 End
“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发
《现代控制理论》课件

《现代控制理论》课件

现代控制理论
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论
01
引言
什么是现代控制理论
现代控制理论是一门研究动态系统控制的学科，它利用数学模型和优化方法来分析 和设计控制系统的性能。
它涵盖了线性系统、非线性系统、多变量系统、分布参数系统等多种复杂系统的控 制问题。
20世纪60年代
线性系统理论和最优控制理论得到发展，为现代控制理论的建立奠定 了基础。
20世纪70年代
非线性系统理论和自适应控制理论逐渐发展起来，进一步丰富了现代 控制理论的应用范围。
20世纪80年代至今
现代控制理论在智能控制、鲁棒控制、预测控制等领域取得了重要进 展，为解决复杂系统的控制问题提供了更有效的工具。
01
利用深度学习算法对系统进行建模和学习，实现更高
效和智能的自适应控制。
多变量自适应控制
02 研究多变量系统的自适应控制方法，以提高系统的全
局性能。
非线性自适应控制
03
发展非线性系统的自适应控制方法，以处理更复杂的
控制系统。
06
鲁棒控制理论
鲁棒控制的基本概念
鲁棒控制是一种设计方法，旨在 提高系统的稳定性和性能，使其 在存在不确定性和扰动的情况下
自适应逆控制
一种基于系统逆动态特性的自适应控制方法，通过对系统 逆动态特性的学习和控制，实现系统的自适应控制。
自适应控制系统设计
系统建模
建立被控对象的数学模型，包括线性系统和非线性系统。
控制器设计
根据系统模型和性能指标，设计自适应控制器，包括线性自适应控制器和 非线性自适应控制器。
参数调整
根据系统运行状态和环境变化，调整控制器参数，以实现最优的控制效果 。
现代控制理论基础知识资料

现代控制理论基础知识资料


最优估计理论的内容
参数估计法；（最小方差、最小二乘法） 状态估计法（卡尔曼滤波）
§ 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异
庞特里亚金 L.S.Pontryagin
4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens） 和麦克法仑（G.J.MacFarlane）研究了用于计算机辅助设计的 现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变 量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关 系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
赫尔维茨（Hurwitz）
3.由于两次世界大战中军事 工业需要控制系统具有准确 跟踪与补偿能力，1932年奈 奎斯特（H.Nyquist）提出 了复数域内研究系统的频率 响应法，为具有高质量动态 品质和静态准确度的军用控 制系统提供了急需的分析工 具。
奈奎斯特
4.1948年伊文思（W.R.Ewans）提出了用图解方式研 究系统的根轨迹法。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态空间法； 在1957年提出了基于动态规划的最优控制理论。
2.1959年匈牙利数学家卡尔曼（Kalman） 和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年 在控制系统的研究中成功地应用了状态 空间法，并提出了可控性和可观测性的 新概念。
卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
现代控制理论基础
Modern Control Theory
绪论
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展 § 1.2 现代控制理论的内容 § 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异 § 1.4 现代控制理论的应用
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
同学们，我们都知道：控制理论作为一门科 学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方 方面面。
现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应用经典控制理论与现代控制理论的差异

现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应用经典控制理论与现代控制理论的差异

现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应用经典控制理论与现代控制理论的差异建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。

在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。

现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。

它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。

现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。

现代控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。

现代控制理论已在航空航天技术、军事技术、通信系统、生产过程等方面得到广泛的应用。

现代控制理论的某些概念和方法，还被应用于人口控制、交通管理、生态系统、经济系统等的研究中。

现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。

空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。

这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。

1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。

在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。

他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。

1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。

几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。

状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。

其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。

现代控制理论

现代控制理论




第一章 绪 论
(2) 以MIMO线性、非线性、时变与非时变系 统为主要研究对象。 (3) 以线性代数和微分方程为工具，以状态
空间法为基础。
1.1.3 上世纪80年代以来出现了新的控制思想
和控制理论
(1) 多变量频率域控制理论。
(2) 模糊控制理论。
第一章 绪 论
1.2 现代控制理论的主要内容
⑶ 以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在
频率域中分析与设计。
⑷ 经典控制理论的局限性
① 难以有效地应用于时变系统、多变量系统
② 难以有效地应用于非线性系统。
1.1.2 现代控制理论
⑴ 现代控制理论的形成和发展
第一章 绪 论 ① 在20世纪50年代形成
动态规划法
极大值原理
卡尔曼滤波 ② 上世纪60年代末至80年代迅速发展。 非线性系统 大系统 智能系统
第一章 绪 论
钱学森
钱学森，男，汉族，浙江省杭州市 人。中国共产党优秀党员、忠诚的共 产主义战士、享誉海内外的杰出科学 家和中国航天事业的奠基人，中国两 弹一星功勋奖章获得者之一。曾任美 国麻省理工学院教授、加州理工学院 教授，曾担任中国人民政治协商会议 第六、七、八届全国委员会副主席、 中国科学技术协会名誉主席、全国政 协副主席等重要职务。
第一章 绪 论
贝尔曼
美国数学家，美国全国科学院院士， 动态规划的创始人。1920年8月26 日生于美国纽约。1984年3月19日 逝世。1941年在布鲁克林学院毕业， 获理学士学位，1943年在威斯康星 大学获理学硕士学位，1946年在普 林斯顿大学获博士学位。1946～ 1948年在普林斯顿大学任助理教 授,1948～1952年在斯坦福大学任 副教授,1953～1956年在美国兰德 公司任研究员，1956年后在南加利 福尼亚大学任数学教授、电气工程 教授和医学教授。
现代控制理论课件教材

现代控制理论课件教材


2. 1895年劳斯（Routh）与赫
尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了两个著名
的稳定性判据—劳斯判据
和赫尔维茨判据。基本上 满足了二十世纪初期控制 赫尔维茨（Hurwitz）
工程师的需要。
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
水 运 仪 象 台
2. 公元1086－1089年 （北宋哲宗元祐初年）， 我国发明的水运仪象台， 就是一种闭环自动调节系 统。
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
二 起步阶段
随着科学技术与工业生 产的发展，到十八世纪， 自动控制技术逐渐应用到 现代工业中。其中最卓越 的代表是瓦特（J.Watt） 发明的蒸汽机离心调速器， 加速了第一次工业革命的 步伐。
•成绩:
• 期终考试: 70% • 作业: 15% • 出席: 15%
同济大学汽车学院 2013
同济大学 汽车学院
College of Automotive, Tongji University
课程内容：
• 绪论 • 控制系统的状态空间描述 • 线性控制系统的运动分析 • 线性控制系统的能控性和能观性 • 控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 • 状态反馈和状态观测器 • 最优控制
3.由于第二次世界大战需要 控制系统具有准确跟踪与补 偿能力，1932年奈奎斯特 （H.Nyquist）提出了频域 内研究系统的频率响应法， 为具有高质量的动态品质和 静态 准确度的军用控制系 统提供了所需的分析工具。
奈奎斯特
同济大学汽车学院 2013
1.1 现代控制理论的产生与发展
4.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内 研究系统的根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨 迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论 （或自动控制理论）。
【武汉大学】现代控制理论绪论【现代控制理论】

【武汉大学】现代控制理论绪论【现代控制理论】

李雅普诺夫
现代控制理论
武汉大学 自动化系 丁李
1.1.2现代控制理论发展历史
– 1956年,美国数学家贝尔曼(R. Bellman)提出了离散多阶段决策的 最优性原理,创立了动态规划方法。
– 1956年,前苏联科学家庞特里亚金 (L.S. Pontryagin)提出极大值原理, • 并于1961年证明并发表了极大 值原理。 • 极大值原理和动态规划为解决 最优控制问题提供了理论工具。
武汉大学 自动化系 丁李
1.1控制理论发展概述
现代工业应用：奥地利OMV公司一角
现代控制理论
武汉大学 自动化系 丁李
1.1控制理论发展概述
现代控制理论
现代化轧钢厂
武汉大学 自动化系 丁李
1.1控制理论发展概述
美国研制的火星探测车
现代控制理论
武汉大学 自动化系 丁李
1.1控制理论发展概述
其它应用： – 航空航天
•反馈是控制的灵魂
现代控制理论
控制论之父——维纳
武汉大学 自动化系 丁李
1.1.1 经典控制理论发展历史
我国著名科学家钱学森将控制 理论应用于工程实践,并与1954年 出版了《工程控制论》。
现代控制理论
钱学森
武汉大学 自动化系 丁李
1.1.1 经典控制理论发展历史
经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分 析与设计的问题。 • 如图1-1所示为 的准确性,却常常导致系统产生 振荡。
瓦特
现代控制理论
武汉大学 自动化系 丁李
1.1.1 经典控制理论发展历史
3. 发展阶段
实践中出现的问题,促使科学家 们从理论上进行探索研究。
– 1868年,英国物理学家麦克斯韦 (J.C. Maxwell)通过对调速系统线 性常微分方程的建立和分析,
现代控制理论教学课件

现代控制理论教学课件

数字仿真实验结果分析 阐述如何对数字仿真实验结果进 行分析，包括性能指标的计算和 评估，以及对实验结果进行解释 和讨论。
数字仿真软件 介绍常用的数字仿真软件，如 MATLAB/Simulink等，并解释其 基本原理和使用方法。
数字仿真实验设计 详细说明数字仿真实验的设计方 法，包括如何建立系统模型、如 何设计控制器、如何设置仿真参 数等。
该方法能够全面地反映系统的性能，具有较强的适用性和实用 性。同时，该方法可通过实验手段进行验证，可靠性高。
设计过程相对较为复杂，需要一定的专业知识和经验。
适用于高阶系统和多变量系统的控制器设计，广泛应用于工程 实践中。
最优控制设计法
定义
最优控制设计法是一种基于最优化理论进行控制器设计的 方法。
缺点
现代控制理论阶段
自20世纪60年代开始，状态空间 法成为主导，适用于多输入多输 出、非线性、时变系统的分析与 设计。
现代控制理论的特点
状态空间描述
现代控制理论基于状态空间描述 ，通过状态变量全面反映系统内 部状态，提供更深入的系统分析
。
时域分析法
相比古典控制理论的频域分析法， 现代控制理论采用时域分析法，能 够直接反映系统的时间响应特性。
05
现代控制理论进阶知 识
系统的数学模型 ，包括微分方程、差分方程和状态方程等
。
A 非线性现象
介绍系统中的非线性现象，如死区 、饱和、滞后等，并分析其对系统
性能的影响。
B
C
D
非线性系统设计
探讨非线性控制系统的设计方法，如反馈 线性化、滑模变结构控制、反步法等。
稳定性分析
利用状态空间方程的特征值分析系统的稳定性，通过判断 特征值的分布来确定系统的稳定性。
现代控制理论的发展概况

现代控制理论的发展概况

现代控制理论的发展概况传统的控制理论是在 20 世纪 30 到 40 年代，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成而奠定了基础的。

而由于航空航天技术的推动与计算机技术飞速发展，控制理论在 1960 年先后有了重大的突破与创新。

在此期间，由卡尔曼提出的线性控制系统的状态空间法、能控性与能观测性的概念，奠定了现代控制理论的基础，其提出的卡尔曼滤波，在随机控制系统的分析与控制中得到广泛应用；庞特里亚金等人提出了极大值原理，深入研究了最优控制问题；由贝而曼提出最优控制的动态规划法，广泛用于各类最优控制问题。

这些就构成为了后来被称为现代控制理论的发展起点与基础。

罗森布洛克、麦克法轮与欧文斯研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。

20 世纪 70 年代奥斯特隆姆与朗道在自适应控制理论与应用方面作出了贡献。

与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统与自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。

鲁棒控制理论阶段：由于现代数学的发展，结合着 H2 与H￥等范数而浮现了 H2 与H￥控制，还有逆系统控制等方法。

20 世纪 70 年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”与“复杂系统理论”的方向发展。

“大系统理论”：用控制与信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法与协调等问题的技术基础理论。

“ 智能控制理论”：研究与摹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。

“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。

而“现代控制理论”这一名称是 1960 年卡尔曼的著名文章发表后浮现的，其在经典控制理论的基础上，以线性代数与微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础，分析与设计控制系统。

控制理论产生及发展概要

控制理论产生及发展概要

绪论0.1控制理论产生及发展18世纪中叶英国第一次工业革命1765年瓦特发明蒸汽机→调速问题→稳定性问题1868年调节器一文发表1872年劳斯和1890年赫尔威茨→代数判据1892年李雅普诺夫“运动稳定性的一般问题”1932年乃奎斯特判据1948 维纳发表《控制论—或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》0.2 控制理论发展三个阶段：第一代：古典控制理论（经典控制理论）40-60年代第二代：现代控制理论60-80年代第三代：智能控制及大系统理论80-至今三代控制理论对比简表0.3 智能控制的产生及发展20世纪60年代 Smith 用模式识别器用于最优控制1965年 Zadeh 发表模糊集合论文，付京孙讲人工智能用于学习控制 1976年 Mendel 提出人工智能概念—智能控制70年代初 傅京孙、Gloriso 和Saridis 等人提出递阶智能控制的系统结构 1974年 马丹尼提出世界上第一个模糊控制器(fuzzy logic controller) 20世纪80年代初 建立了多种专家系统20世纪80年代中后期 神经网络的研究又开始兴起 1992年 美国自然基金启动支持“智能控制”的研究0.4 传统控制与智能控制结论：智能控制理论是对传统控制理论的发展，传统控制理论是智能控制理论的低级阶段。

0.5 智能控制论控制三要素： 信息—反馈—控制 智能控制——智能信息反馈控制图0.1 反馈控制系统的原理框图0.6思维科学与智能模拟1. 什么是思维科学研究思维规律和方法的科学。

思维是意识的一部分，而且是最重要的部分，思维是人脑对客观事物间接的反映过程，包括回想、联想、想像、思考、推想等。

人们通过思维活动反映客观事物的特点、本质属性、内部联系及发展规律。

因此思维是人们认识过程的高级阶段。

2.思维的类型(1) 抽象思维（逻辑思维）：抽去表象的思维，例如小学生的算数。

(2)形象思维（直觉思维）：既看形又看象的思维。

现代控制理论及其MATLAB实现 PPT

12
5. 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。
6. 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：
➢大系统理论：研究各种大系的结构方案、总体设计中的分
解方法和协调等问题的技术基础理论。
➢智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信
1.2.2 根据微分方程建立状态空间模型
• 当已知系统的微分方程时，可根据高阶微分方程与一阶微分方程组的 关系将其化为一阶微分方程组。由于状态变量选取的非唯一性，同一 微分方程可演化出许多不同的状态空间模型，其中最常用的是两种观 测器规范型。
1.能观测规范Ⅰ型
y( 4 )( t ) a3 y( 3 )( t ) a2 y( t ) a1 y( t ) a0 y( t )
x1 x2
x2 y
y k y f y 1 p MMM
x2
k M
x1
f M
x2
1 M
p
x Ax bp
y x1 Cx
0 1
A
k M
f M
C 1 0
0 b1
M
【例】 一个由电阻、电容和电感元件组成的四端无源网络如图所示，试建立以输
u u 入电压 为输入量、以输出电压 i
+
D
x
S -1
y +
C+
A
线性定常系统
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1.2 线性定常连续系统的状态空间数学模型 1.2.1根据物理模型建立状态空间模型
当已知系统的物理模型时，状态变量一般选物理量，特别是标 志能量大小的物理量。如机械系统中弹性元件的变形（反映位能） 和质量元件的速度（反映动能）；电气系统中的电容电压（反映 电能）和电感电流（反映磁能）。

《现代控制理论》 教案大纲

《现代控制理论》教案大纲第一章：绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章：控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章：线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章：线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章：线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章：非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章：状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章：先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章：最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器（LQR）9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章：现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章：鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章：自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章：数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章：控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章：现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用，分为十五个章节。

【现代控制理论】第一章+绪论

控制论是一种思想、一种方法、 一种工具、一门学科。
人类在20世纪所取得的巨大技 术成就，控制科学与技术的作 用非常显著。
引言
钱学森曾经从生产力，特别是技术革命 的进程分析了控制论的产生和发展。
他强调： “我们可以毫不含糊地说，从科学理论的 角度来看，20世纪上半叶的三大伟绩是相对 论、量子论和控制论，也许可以称它们为三 项科学革命，是人类认识客观世界的三大飞 跃。”
1.2 控制理论的分析比较
1.2.1 经典控制理论 1、形成和发展
① 在20世纪30-40年代，初步形成。 ② 在20世纪40年代形成体系。 2、主要研究对象：单机自动化，SISO线性定常系 统 3、主要数学工具：常微分方程、拉氏变换 4、主要研究方法：根轨迹法、频域法和传递函数
1.2.1 经典控制理论
引言
随着社会的发展和科学的进步，控制的必要性体现在方方 面面：
飞机的自动驾驶系统、宇宙飞船系统和导弹制导系统； 数控机床，工业过程中流量、压力、温度的控制； 机器人控制、城市交通控制、网络拥塞控制； 生物系统、生物医学系统、社会经济系统。
1.1 控制理论的发展历程
经典控制理论 现代控制理论 新发展——大系统理论 智能控制 1.1.1 经典控制理论 自动控制思想及其实践历史悠久，可以追溯到久远
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，美国奈奎斯特Nyquist提出了 根据频率响应判断系统稳定性的准则， 奠定了频域法的基础。
1.1.1 经典控制理论
1945年，美国伯德Bode在《网络分析和反馈放大器设 计》中提出频率响应法－Bode图。
6、经典控制理论的局限性：
① 难以有效地应用于时变系统、多变量 系统

《现代控制理论基础》课件第0章


2. 现代控制理论的产生和发展 随着近代科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类 高速飞行器的发展，使工程系统结构和完成的任务越来越复 杂，速度和精度也越来越高。这就要求控制理论能够解决动 态耦合的多输入多输出、非线性以及时变系统的设计问题。 此外，还常常要求系统的某些性能是最优的，并且要求有一 定的环境适应能力。这些新的控制要求都是经典控制理论所 无法解决的，因此，现代控制理论应运而生。
近半个世纪以来，现代控制理论已广泛应用于工业、农 业、交通运输及国防建设等各个领域。回顾控制理论的发展 历程可以看出，它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。
0.1.2 现代控制理论与经典控制理论的差异 现代控制理论与经典控制理论的差异主要表现在研究对
另外，经典控制理论中，频率法的物理意义直观、实用， 但难于实现最优控制，现代控制理论则易于实现最优控制和 实时控制。
现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的。 虽然两者有本质的区别，但对动态系统进行分析研究时，两 种理论可以互相补充，相辅相成，而不是互相排斥。对初学 者来说，应采用与经典控制计。基于对象的输入、输出数据， 在希望的估计准则下，找到系统的阶数和参数，建立对象的 数学模型。
0.2 本书的主要内容
0.2.1 本书主要内容结构 现代控制理论主要研究线性系统状态的运动规律和改变
这种运动规律的可能性与方法，建立和揭示系统结构、参数、 行为及性能间的关系。通常，这可以分解为三个问题，即系 统数学模型的建立、系统运动规律的分析和致力于改变运动 规律的系统设计。基于控制理论的认识规律，本书内容安排 如下：
0.1.3 现代控制理论的研究内容及其分支 科学在发展，控制论也在不断发展。我们通常讲的现代
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机器人神经网络控制
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。
复杂航天器控制
回顾控制理论的发展历程可以看出，它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。
§ 1.2 现代控制理论基础的内容
现代控制理论基础的内容为: 线性系统理论 最优估计理论 自适应控制理论 最优控制理论 系统辨识理论 智能控制理论
现 代 控 制 理 论 基 础
Modern Control Theory
数学与信息科学学院 李 钧 涛
第一章 绪 论
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
§ 1.2 现代控制理论的内容
§ 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异
§ 1.4 现代控制理论的应用
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活
朗道
ndau
与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适 应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。
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”、
等各个领域。
倒立摆稳定控制
单级倒立摆稳定控制
二级倒立摆稳定控制
导弹稳定控制
地空导弹稳定控制
空空导弹稳定控制
航天器控制
卫星控制
月球车控制
机器人控制
空间机器人控制
足球机器人控制
[课堂小结]
1. 现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应 用； 2. 经典控制理论与现代控制理论的差异； 3. 现代控制理论的应用。 End
四 标志阶段
1.1947年控制论的奠基人美国
数学家韦纳（N.Weiner）把控制
论引起的自动化同第二次产业革
命联系起来，并与1948年出版了
《控制论—关于在动物和机器中 控制与通讯的科学》，书中论述
了控制理论的一般方法，推广了
反馈的概念，为控制理论这门学
控制论之父——韦纳
科奠定了基础。
2.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实
步伐。
瓦特
三 发展阶段
1. 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速 系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳 定性代数判据。
马克斯韦尔（J.C.Maxwell）
2. 1895年劳斯（Routh）与赫 尔维茨（Hurwitz）把马克 斯韦尔的思想扩展到高阶微 分方程描述的更复杂的系 统中,各自提出了两个著名 的稳定性判据—劳斯判据 和赫尔维茨判据。基本上 满足了二十世纪初期控制 工程师的需要。 赫尔维茨（Hurwitz）
维纳
维纳生于哥伦比亚市一个犹太人家里。维纳4岁开始读 书。9岁时读中学，11岁进人大学学习．他的数学知识已 超过大学一年级学生的水平，所以转而热衷于研究化学、 物理、电学了。他18岁时取得了哈佛大学数学和哲学两个博士学位，后来又到德国、 英国学习，拜著名哲学家罗素、数学家希尔伯特为师，进一步深造。 维纳已是一个很有名的数学家了，但他对其他学科也很有兴趣。在第二次世界大 战末期，有两个大问题特别引起了他的兴趣，一个是电子计算机，另一个是火炮命 中率问题。 维纳和一位年轻工程师合作，从驾驶汽车这种简单的动作中发现，人是采用了一 种叫“反馈”的控制方法，使汽车按要求行驶。维纳又请来了神经专家进行共同研 究，发现机器和人的控制机能有相似之处。后来，维纳又和许多有名科学家进行讨 论，听取对方的批评意见，甚至是“攻击”意见，终于于1948年把自己的研究成果 发表了出来，叫《控制论》。
瓦特JamesWatt
（JamesWatt,1736～1819）英国发明家、工程师。1736年1月19 日生于苏格兰的一个小镇格里诺克。1753年他在家钟表店学手艺。 15岁学完了《物理学原理》并获得了丰富的木工、金属冶炼和加 工等工艺技术。1753年他在一家钟表店学手艺。 1753年又跟有名 的机械师摩尔根当学徒。经过刻苦学习，努力实践，他已能制造 难度较高的象限仪、罗盘、经纬仪等。1756年在格拉斯哥大学当 了仪器修理员。1765年发明了把冷凝过程从汽缸中分离出来的分 离式冷凝器。冷凝器的发明在蒸汽机的发展中起了关键性的作用。 1768年他制成了一台单动作蒸汽机 。1781年，他发明了行星式齿 轮，将蒸汽机活塞的往运动变为旋转运动 1782年他发明了大动力 的“双动作蒸汽机”并获得专利 1784年他发明了平行运动连杆机 构，解决了双动作蒸汽机的结构问题。1788年他发明了离心式调 速器和节气阀，用来自动控制蒸汽机的运转速度。1790年发明了 蒸汽机配套用压力计。 到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发 明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多，而且配套齐全、性能 优良、切合实用。瓦特由此博得了第一部现代蒸汽机——高效率瓦特蒸汽机的发 明者称号。
复域、实域，可控和可观测
状态反馈和输出反馈
频率法的物理意义直观、实用， 易于实现实时控制和最优控制 难于实现最优控制
§ 1.4 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
和 麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制 系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念 推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的 等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础
5. 20世纪70年代奥斯特隆 姆（瑞典）和朗道（法国， ndau）在自适应控制 理论和应用方面作出了贡献。
指南车
指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世 界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史 专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说 是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人 类“第一架体内稳定机”。 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱 里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大 平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车 子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平 轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此， 只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向 左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的 原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中 差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化 设备。
水运仪象台
水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋 朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演 示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置 于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。 整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上 层的板屋内放置着1台浑仪， 屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋， 这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层 木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每 到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰 等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是 整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑 象和报时装置便会按部就班地动作起来。 这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造 的精神。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法； 在1957年提出了动态规划。
2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创
建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制 系统的研究中成功地应用了状态空间 法，并提出了可控性和可观测性的新 概念。
卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。 4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）
奈奎斯特
奈奎斯特，美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德 克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特 1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年 在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年～1934年在AT&T公司 工作，后转入贝尔电话实验室工作。
为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(Johnson-Nyquist noise)和反馈放大器稳 定性方面做出了很大的贡献他早期的理论性工作关于确定传输信息的需满足的带 宽要求，在《贝尔系统技术》期刊上发表了《影响电报速度传输速度的因素》文 章，为后来香农的信息论奠定了基础。 1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号） 进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢 复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两 倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了《电报传输理论的 一定论题》。 1954年，他从贝尔实验室退休。
的方方面面。
洗衣机产生和发展要分为以下几个发展阶段：
第一阶段: 经典(自动)控制理论
经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的 发展大致经历了以下几个过程：
一 萌芽阶段
如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就
有了自动控制技术的萌芽。
1. 两千年前我国发明的 指南车，就是一种开 环自动调节系 统。
“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发
展：
大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系的结构