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1、1 控制理论研究现状与发展龚小茂西安交通大学 机硕 1005 班 3111003040 目录1 前言 . 1 2 控制方法 . 3 2.1 开环控制 . 3 2.2PID 控制 . 3 2.3 状态反馈控制 . 4 2.4 模糊控制 . 5 2.5 变结构 (VSC)控制 . 6 2.6 神经网络控制 . 7 2.7 自适应控制 . 9 2.8 鲁棒控制 . 11 2.9 H 控制（隶属于鲁棒控制） . 11 2.10 最优控制 . 12 2.11 预测控制 . 12 2.12 混沌控制 . 13 2.13 容错控制 . 14 2.14 在专业领域特有的控制方法 . 15 3 控制论的发展态势
2、 . 15 参考文献 . 16 1 前言自动控制技术最早产生于 18 世纪 60 年代，俄国人波尔祖诺夫于 1765 年发明了控制锅炉水位的自动装置， 英国人瓦特 (J.Watt) 于 1768 年发明了飞球调速器。 维纳 (N.Wiener) 于 1948年出版了名著控制论（或关于在动物与机器中控制和通信的科学） ，首次提出了“控制论”1 ，与香农的“信息论”和贝塔朗菲的“系统论”并称为当时的三大杰出理论。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 。 控制理论的发展过程可分为三个阶段：第一阶段， 20 世纪 40 60 年代，称为“经典控制理论”时期。
3、古典控制理论主要是解决单输入单输出问题 , 主要采用传递函数、频率特性、劳斯稳定性判据、奈奎斯特稳定性判据、根轨迹为等频域分析法分析系统的特性。第二阶段， 20 世纪 60 70 年代，称为“现代控制理论”时期。现代控制理论主要是用来解决多输入多输出系统的问题， 系统可以是线性或非线性、 定常或时变的 2 。 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。 1961 年庞特里亚金（俄国人
4、） 提出了极小（大）2 值原理。 罗森布洛克 （ H.H.Rosenbrock） 、 欧文斯 （ D.H.Owens） 和麦克 （ 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。 20 世纪 70 年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau ）在自适应控制理论和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， 20 世纪 70 年代
5、末至今，称为“鲁棒控制理论阶段” 。向着“大系统理论”和“智能控制”方向发展。大系统理论指的是用控制和信息的观点，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。智能控制理论指的是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 3。同时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。表 1 从不同方面分析了经典控制理论和现代控制理论的异同。表 1 经典控制理论和现代控制理论对比经典控制理论 现代控制理论研究对象 单输入单输出系统 (SISO)高阶微分方程 多输入多
6、输出系统 (MIMO) :一阶微分方程研究方法 传递函数法 (外部描述 ) 状态空间法 (内部描述 ) 研究工具 拉普拉斯变换 线性代数矩阵分析方法 频域 (复域 ),频率响应和根轨迹法 复域、实域，可控和可观测设计方法 PID控制和校正网络 状态反馈和输出反馈其他 频率法的物理意义直观、实用，难于实 现最优控制 易于实现实时控制和最优控制也可以从进展方向和控制复杂度去理解自动控制的发展，如图 1 所示。图 1 自动控制的发展过程 4 控制理论应用领域很广，如生物控制论，工程控制论，社会、经济控制论，军事控制论，自然控制论等等 5，并不局限于应用于工程控制领域。3 2 控制方法2.1 开环控制
7、如果系统的输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这样的控制称开环控制。优点 ：结构简单，成本较低。缺点 ：控制精度低，容易受到外界的干扰，输出一旦出现误差无法补偿。2.2PID控制PID控制在工业控制过程中应用最广泛，取决于它的 优点 ，简单、具有一定的鲁棒性和灵活性。兼顾快速性、稳定性、准确性要求。比例环节 - 产生和偏差成比例变化的控制作用来减少偏差；积分环节 - 主要用于消除静差，积分时间越大，积分作用越弱，积分时间越短，积分作用越强； 微分环节 - 通过偏差的变化趋势预测偏差信号的变化， 并在偏差变大之前产生抑制偏差变大的控制信号，从而加快控制
8、的响应速度。 PID 参数调整原则：先在保证系统不振荡的前提下尽量增大 P；然后调节积分时间使系统响应迅速并且超调较小。如果系统对超调和动态误差要求较高，可以加入微分作用。PID 控制原理图如图 1 所示。其时域控制器输出量为：( )( ) ( ) ( )p I Dde tu t K e t K e t dt Kdt (1)其中， pK 、 IK 、 DK 分别为比例、积分和微分增益。图 2 PID 控制原理图而 PID的 缺点：(1) pK 、 IK 、 DK 参数不容易确定，即如何选取这三个值使系统的综合性能（稳、准、快）达到最优，文献 6-9对 PID 参数整定方法进行了综述。像遗传算法、 BP 神经网络、粒子群算法等智能算法都应用于参数的自整定当中。文献 9 给予了众多参数自整定的方法及硬件实现。(2) 上述的参数自整定针对的是时不变系统，而且整定的过程是离线整定，而对于时变系统，参数的整定就达不到每个时刻都是最
