现代控制理论 第一章 绪论

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1、 现 代 控 制 理 论 基 础Modern Control Theory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。洗衣机智能控制电冰箱温度控制第一阶段: 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。控制理论的产生和发展要分为

2、以下几个发展阶段：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。指 南 车2. 公元10861089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。水 运 仪 象 台二 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。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

3、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）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

4、经典（古典）控制理论（或 自动控制理论）。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 科奠定了基础。控制论之父韦纳2.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。钱学森从四十年代到五十年代末，经典控制理论的 发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大 的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防 建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术 。（可以说工

5、业革命和战争促使了经典控制理 论的发展）。第二阶段 现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也 给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学和 数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理 论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理 论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展， 推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多 输出系统、非线性系统和时变系统。 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

6、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4. 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3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。庞特里亚金 L.S.Pontryagin4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens） 和麦

7、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5. 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。朗道L.D.Landau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

8、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：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。复杂大系统控制 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 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。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。复杂航天器控制现代控制理论

9、基础的内容为:线性系统理论 最优控制理论最优估计理论 系统辨识理论自适应控制理论 智能控制理论 1.2 现代控制理论基础的内容 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论 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 1.4 现代控制理论

10、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。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空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制航天器控制月球车控制卫星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

11、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。 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

12、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”。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

13、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。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 。 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。 瓦特JamesWatt（JamesWat

14、t,17361819）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 1

15、782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。 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

16、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。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。 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