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1、,现代控制理论,浙江大学 赵光宙 ,绪 论,一. 经典控制理论及其局限性,1、系统的建模：把对象或过程抽象成具有一定变量（输 入、输出等）关系的系统，并用数学式子表示出它们之间的 关系。,2、系统分析：用成熟的数学理论和先进的计算工具定量 或定性地研究系统的各种性能：稳定性，静态特性和动态特 性等。,3、系统综合(设计) ：对系统设计出控制作用，使系统的 性能满足要求。,系统的研究:,2.系统分析：稳定性：劳斯判据 根轨迹 奈氏判据 静态特性：L终值定理 动态特性：根轨迹 截止频率 谐振频率 谐振峰值 等,1.系统模型：微分方程(常系数线性微分方程),L变换,3.系统综合：根轨迹校正 频率法校
2、正,经典控制理论:,传递函数,可知，用传递函数描述系统，用根轨迹法、频率法分析和设计系统的经典控制理论存在许多局限性：,1、仅适合单变量（一个输入一个输出）、线性的、定常的 系统。,2、其输入输出的系统描述方式不关心系统内部的运行及 变量的变化，本质上忽略了系统结构的内在特性 。,3、采用工程的试探方法设计系统，依赖经验，不是最优。,但也不能否定它：对线性定常的单变量系统，它简单实用， 易于实现。并也在不断得以改进。,60年代航天技术和先进武器的发展，使这样一些问题 必须得到研究（如飞行器姿态控制）：,1.多输入多输出系统，变参数系统，非线性系统,2.系统的最优化问题，最小时间系统，最小能耗问
3、题等,3.对随机干扰的处理,现代数学（线性代数，泛函分析，微分几何等）的发展 为系统的定量化研究奠定了基础。,二. 现代控制理论的特点和主要内容,电子计算机的发展和普及成为这种研究的有力工具。,这两篇论文标志控制理论进入了一个崭新的历史时期，整 个60年代理论的蓬勃发展，终于形成了现代控制理论。 主要内容包括：,1.线性多变量系统理论（状态空间描述） 2.卡尔曼滤波理论（最优估计理论） 3.最优控制理论 4.系统辨识理论 等等。,1960年Kalman发表了“控制系统的一般理论”著名论文， 1961年与Bucy合作发表了“线性过滤和预测问题的新结果” 论文。,1.对系统进行精确的数学描述，使控
4、制由一类工程设计方法 提高成为一门科学。,2.从系统结构的内在特性出发研究控制系统，注重系统本质的理论刻划。,3.促进了非线性系统，最优控制，自适应控制，辨识与估计 理论，卡尔曼滤波，鲁棒控制等的发展，使它们成为独立的 学科分支。,其主要特点有：,并不是现代控制理论就可以解决一切问题了，随着经济全球化和生产大规模化，单机、局部自动化走向综合自动化，自动化科学技术面对越来越复杂的系统，表现为：,1.系统结构的复杂性：不确定性，非线性，变量过多，难以 用常规数学工具建模和研究（自动化工厂等）。,2. 任务的复杂性：高产量，低消耗，调度，监控、预警等。,3. 运行环境的复杂性：外部环境的制约、影响（
5、自动车行 驶，挖掘机等）。,面对3C，特别是由于现代控制理论依赖精确的数学模型的 缺陷，从上世纪80年代开始，控制理论向“广度”和“深度”两个 方面发展和开拓，又进入了一个新的发展时期，主要包括：,三. 控制理论的进一步发展,“广度”大系统理论：大型钢铁企业的自动化，大电网的 调度、管理自动化等 。分解、协调控制。,“深度”智能控制（模糊控制，专家控制，神经网络控制） 以人工智能技术为基础，模仿人类智能活动在控制、信息处 理中的行为过程，使人的经验知识与思维方式参与其中，从 而对系统实现有效的控制。,此外，还有自适应控制、学习控制、鲁棒控制、故障诊断及 容错控制等等。 都是以现代控制理论作为基础。,四.关于教材：,1、比较适用于注重学科性的自动化专业（ “研究主导型”、 “工程研究应用型”）本科生。注重基本知识结构完整，对重 要结论给出适当推导或说明，便于对重要内容的科学化理 解和系统性掌握。,2、以线性系统理论的基本内容为基础，以状态空间描述、 结构特性分析（定量、定性）、线性定常系统的状态反馈 综合为主要内容，适当介绍非线性系统分析以及最优控制、 最优估计的内容。,3、初学者面临“如何应用” 。在各章节中注重基本内容的工 程背景，专门设立了介绍应用举例的第七章。,4、每章都引入适合该章内容的Matlab或Simulink工具，用 于一些例题的解答及应用实例的分析、设计。,
