現(xiàn)代控制理論(ppt)
第8章現(xiàn)代控制理論
Modern Control Theory
第八章 現(xiàn)代控制理論初步
一、 控制理論發(fā)展概況
二、 現(xiàn)代控制理論的主要特點
三、 現(xiàn)代控制理論基本內(nèi)容
一、 控制理論發(fā)展概況
控制論：1948年 美國數(shù)學(xué)家維納《控制論》
1940——1950 經(jīng)典控制理論 單機自動化
1960——1970 現(xiàn)代控制理論 機組自動化
1970——1980 大系統(tǒng)理論 控制管理綜合
1980——1990 智能控制理論 智能自動化
1990——21c 集成控制理論 網(wǎng)絡(luò)控制自動化
1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機。
1875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。
1892年，俄國李雅普諾夫在《論運動穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動力學(xué)系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。
1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準(zhǔn)則。
1945年，美國Bode在《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計》中提出頻率響應(yīng)分析法－Bode圖。
1948年，美國Wiener在《控制論－關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學(xué)》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。
－－－標(biāo)志控制學(xué)科的誕生
控制論：研究動物（包括人類）和機器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學(xué)科。
1954年，錢學(xué)森的《工程控制論》在美國出版。
－－－奠定了工程控制論的基礎(chǔ)
（1）經(jīng)典控制理論
a.特點
研究對象：單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)。
解決方法：頻率法、根軌跡法、傳遞函數(shù)。
非線性系統(tǒng)：相平面法和描述函數(shù)分析。
數(shù)學(xué)工具：拉氏變換、常微分方程。
b.局限性
難以應(yīng)用于時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)。
難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。
(2)現(xiàn)代控制理論
隨著計算機技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的。
a.特點
研究對象：多輸入、多輸出系統(tǒng)，線性、定常或時變、離散系統(tǒng)。
解決方法：狀態(tài)空間法（時域方法）。
數(shù)學(xué)工具：線性代數(shù)、微分方程。
b.主要標(biāo)志
1965年，R.Bellman提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃方法。
1958年，R.E.Kalman采用狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀性、Kalman濾波概念
1961年，龐特里亞金證明了最優(yōu)控制中的極大值原理。
（3）大系統(tǒng)理論
是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng)，如生產(chǎn)過程、交通運輸、生物工程、社會經(jīng)濟和空間技術(shù)等復(fù)雜系統(tǒng)。
復(fù)雜系統(tǒng)的特點：
（1）動力學(xué)模型的不確定性
（2）測量信息的粗糙性和不完整性
（3）動態(tài)行為或擾動的隨機性
（4）離散層次和連續(xù)層次的混雜性
（5) 系統(tǒng)動力學(xué)的高度復(fù)雜性
（6）狀態(tài)變量的高維性和分布性
（7）各系統(tǒng)間的強耦合性
大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三類：
多級（遞階）控制
多層控制（按任務(wù)）
多段控制（如導(dǎo)彈軌跡控制）
（4）智能控制
是具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，如智能機器人。
利用知識進行學(xué)習(xí)、推理與聯(lián)想，對環(huán)境干擾與不確定因素具有魯棒性。
主要內(nèi)容：
模糊控制
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
專家控制、遺傳算法
(5) 控制理論發(fā)展趨勢
企業(yè)：資源共享、因特網(wǎng)、信息集成
信息技術(shù)+控制技術(shù) 集成控制技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)控制 技術(shù)
計算機集成制造CIMS：（工廠自動化）
Computer Integrated Manufacturing System
應(yīng)用：生物控制、經(jīng)濟控制、社會控制等
二、 現(xiàn)代控制理論的主要特點
研究對象：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)
數(shù)學(xué)上：狀態(tài)空間法
方法上：研究系統(tǒng)輸入/輸出特性和內(nèi)部性能
內(nèi)容上：線性系統(tǒng)理論、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等
三、 現(xiàn)代控制理論基本內(nèi)容
控制理論必須回答的三個問題：
（1）系統(tǒng)能否被控制？可控性有多大？
（2）如何克服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不確定性及干擾帶來
的影響？
（3）如何實現(xiàn)滿足要求的控制策略？
（1）線性系統(tǒng)理論
研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運動過程
規(guī)律，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、動態(tài)行為之
間的關(guān)系。
主要內(nèi)容：
狀態(tài)空間描述、能控性、能觀性和穩(wěn)定性、狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器設(shè)計等。
（2）最優(yōu)控制
在給定約束條件和性能指標(biāo)下，尋找使系統(tǒng)性
能指標(biāo)最佳的控制規(guī)律。
主要方法：
變分法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃等
極大值原理 現(xiàn)代控制理論的核心
即：使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達到最優(yōu)（最小或最大）
某一性能指標(biāo)最優(yōu)：
如時間最短或燃料消耗最小等。
（3）自適應(yīng)控制
在控制系統(tǒng)中，控制器能自動適應(yīng)內(nèi)外部參數(shù)、
外部環(huán)境變化，自動調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)達
到一定意義下的最優(yōu)。
a. 模型參考自適應(yīng)控制
（Model Reference Adaptive Control)
b. 自校正自適應(yīng)控制
（Self-Turning Adaptive Control)
（4）系統(tǒng)辨識
建立系統(tǒng)動態(tài)模型的方法：
根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)，從一類給定的模型
中確定一個被研究系統(tǒng)本質(zhì)特征等價的模型，并確定
其模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
（5）最佳濾波理論（最佳估計器）
當(dāng)系統(tǒng)中存在隨機干擾和環(huán)境噪聲時，其綜合必須應(yīng)
用概率和統(tǒng)計方法進行。即：已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通
過輸入輸出數(shù)據(jù)的測量，利用統(tǒng)計方法對系統(tǒng)狀態(tài)估
計。
Kalman濾波器

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