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1、现代控制理论基础现代控制理论基础现代控制理论基础现代控制理论基础 Modern Control TheoryModern Control Theory总体要求v学生联系方式：学生联系方式：按照小班，取得班长的联系方式按照小班，取得班长的联系方式v欢迎有志于创新及培养实践能力的同学一起讨论欢迎有志于创新及培养实践能力的同学一起讨论课程相关问题和其它科学研究问题课程相关问题和其它科学研究问题v本课程内容涉及版权及私人信息，未经准许，本课程内容涉及版权及私人信息，未经准许，禁止禁止以任何形式传播，请大家谅解遵守以任何形式传播，请大家谅解遵守v1.1 控制理论发展史控制理论发展史v1.2 现代控制理论
2、的基本内容现代控制理论的基本内容v1.3 本课程内容本课程内容v1.4 本课程任务本课程任务v教学参考资料教学参考资料第一章 绪论v自动化学科与人类文明史同步发展,四次工业革命:18世纪,第一次:机械化机械化;19世纪,第二次:电气化电气化;20世纪30年代:自动化自动化=?(=?(=控制控制控制控制+ +反馈反馈反馈反馈;= ;=形式化形式化形式化形式化+ +程程程程序化序化序化序化;= ;=机械化机械化机械化机械化+ +信息化信息化信息化信息化;= ;=智力延伸智力延伸智力延伸智力延伸?)?)20世纪80年代,信息化系统信息化系统v应该注意的是，控制科学与技术在战争与军事战争与军事的重大需
3、求驱动下，得到了快速的发展在“二战”及其后期达到颠峰并取得了辉煌的成就1.1 1.1 控制理论发展史控制理论发展史自动控制发展简史自动控制发展简史 v没有人确切知道第一个控制系统是什么时候发明的。但我们可以肯定地说，那时它一定没有被认为是一个“控制系统”。v因为控制太自然了。v从抽象意义上说，任何一个可以被另一个对象或过程改变的对象或过程都可称之为控制系统。v我们无法确定人类是何时开始有目的地改变（控制）他所生存的环境。IEEE control system magzine, 1996, the evolving history of control：Presidents Message _M
4、ichael K. Masten走马观花看历史走马观花看历史BC300AC1, 古希腊,浮球调节装置, 水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰, 温度调节器温度调节器 Drebbel 孵化小鸡的培育箱走马观花看历史走马观花看历史BC300AC1, 古希腊,浮球调节装置, 水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰, 温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年, James Watt, 应用于蒸汽机的飞球式调速器应用于蒸气机的飞球式调速器应用于蒸气机的飞球式调速器走马观花看历史走马观花看历史BC300AC1, 古希腊,浮球调节装置, 水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰, 温度调
5、节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年, James Watt, 应用于蒸汽机的飞球式调速器1868年，James Clerk Maxwell, “论调速器” （稳定性）走马观花看历史走马观花看历史BC300AC1, 古希腊,浮球调节装置, 水钟近代最早发明的反馈系统1620年,荷兰, 温度调节器最早应用于工业过程的反馈系统1788年, James Watt, 应用于蒸汽机的飞球式调速器1868年，James Clerk Maxwell, “论调速器” （稳定性）20世纪10年代，PID 控制器出现控制理论发展史控制理论发展史vv2020年代的反年代的反年代的反年代的反馈馈放大器；放大器；
6、放大器；放大器；vv3030年代的年代的年代的年代的NyquistNyquist与与与与BodeBode图图；vv4040年代年代年代年代维纳维纳的控制的控制的控制的控制论论； vv5050年代年代年代年代贝尔贝尔曼曼曼曼动态规动态规划理划理划理划理论论和和和和庞庞特里特里特里特里亚亚金极大金极大金极大金极大值值原理原理原理原理; ;vv6060年代卡年代卡年代卡年代卡尔尔曼曼曼曼滤滤波器、系波器、系波器、系波器、系统统状状状状态态空空空空间间法、系法、系法、系法、系统统能能能能控性和能控性和能控性和能控性和能观观性；性；性；性；走马观花看历史走马观花看历史vv7070年代的自校正控制和自适年
7、代的自校正控制和自适年代的自校正控制和自适年代的自校正控制和自适应应控制；控制；控制；控制；vv8080年代年代年代年代针对针对系系系系统统不确定状况的不确定状况的不确定状况的不确定状况的鲁鲁棒控制；棒控制；棒控制；棒控制；vv9090年代基于智能信息年代基于智能信息年代基于智能信息年代基于智能信息处处理的智能控制理理的智能控制理理的智能控制理理的智能控制理论论。vv今天，随着今天，随着今天，随着今天，随着计计算机科学、网算机科学、网算机科学、网算机科学、网络络和智能信息和智能信息和智能信息和智能信息处处理技理技理技理技术术的的的的进进步，以及社会生步，以及社会生步，以及社会生步，以及社会生产
8、产力力力力发发展的展的展的展的强强烈需求，需要解烈需求，需要解烈需求，需要解烈需求，需要解决的重大决的重大决的重大决的重大问题问题包括包括包括包括: :vv复复复复杂杂系系系系统统、网、网、网、网络络系系系系统统、多、多、多、多传传感器信息融合、生感器信息融合、生感器信息融合、生感器信息融合、生物、基因、量子物、基因、量子物、基因、量子物、基因、量子计计算、社会算、社会算、社会算、社会经济经济与生与生与生与生态态走马观花看历史走马观花看历史可以看到：几乎每十年一个可以看到：几乎每十年一个进步！步！控制控制论：1948年年美国数学家美国数学家维纳控制控制论v19401950 经典控制理典控制理论
9、单机自机自动化化v19601970 现代控制理代控制理论机机组自自动化化v19701980 大系大系统理理论控制管理控制管理综合合v19801990 智能控制理智能控制理论智能自智能自动化化v199021c 集成控制理集成控制理论网网络控制自控制自动化化1.1 控制理论发展史u古典控制理论古典控制理论(1)(1)形成和发展形成和发展 在在2020世纪世纪30-4030-40年代，初步形成。年代，初步形成。 在在2020世纪世纪4040年代形成体系。年代形成体系。 伯莱克关于负反馈放大器的理论和乃奎斯特的伯莱克关于负反馈放大器的理论和乃奎斯特的频率响应理论频率响应理论 频率法频率法 194819
10、48年，依万斯年，依万斯( (EvansEvans) )提出了根轨迹法提出了根轨迹法(2)(2)特点特点研究对象：单输入、单输出线性定常系统。研究对象：单输入、单输出线性定常系统。解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。非线性系统：相平面法和描述函数分析。非线性系统：相平面法和描述函数分析。数学工具：拉氏变换、常微分方程。数学工具：拉氏变换、常微分方程。(3)(3)局限性局限性难以应用于时变系统、多变量系统。难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性难以揭示系统更为深刻的特性u现代控制理论现代控制理论随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而随
11、着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。发展起来的。 (1) (1) 形成和发展形成和发展 在在2020世纪世纪5050年代形成年代形成19561956年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理。值原理。19571957年，年，R.BellmanR.Bellman提出了寻求最优控制的动态提出了寻求最优控制的动态规划方法。规划方法。19581958年，年，R.E.KalmanR.E.Kalman采用状态空间法分析系统，采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观性、提出能控性、能观性、KalmanKalman滤波概念滤波概念20世纪世纪60年代末至年代末
12、至80年代迅速发展年代迅速发展非线性系统非线性系统大系统大系统智能系统智能系统(2)特点特点 研究对象：多输入、多输出系统，线性、定研究对象：多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。常或时变、离散系统。 解决方法：状态空间法解决方法：状态空间法(时域方法时域方法)。 数学工具：线性代数、微分方程。数学工具：线性代数、微分方程。经典控制理论与现代控制理论的简单比较经典控制理论与现代控制理论的简单比较比较项目比较项目经典控制经典控制现代控制现代控制系统系统SISO,SISO,线性线性, ,定常定常, ,集中参数集中参数MIMO,MIMO,MIMO,MIMO,线性线性线性线性/ / / /非
13、线性非线性非线性非线性, , , ,定常定常定常定常/ / / /时变时变时变时变, , , ,集中集中集中集中/ / / /分布参数分布参数分布参数分布参数描述方法描述方法传递函数传递函数状态方程状态方程状态方程状态方程数学工具数学工具拉氏变换拉氏变换, ,付氏变换付氏变换,Z,Z变换变换线性代数，微分方程，概线性代数，微分方程，概线性代数，微分方程，概线性代数，微分方程，概率论随机过程、计算数学率论随机过程、计算数学率论随机过程、计算数学率论随机过程、计算数学性能指标性能指标简单（如过渡过程时间、超简单（如过渡过程时间、超调量、相位与幅值裕量）调量、相位与幅值裕量）综合综合综合综合( (
14、( (考虑控制效果和控制考虑控制效果和控制考虑控制效果和控制考虑控制效果和控制代价的性能泛函代价的性能泛函代价的性能泛函代价的性能泛函) ) ) )设计目标设计目标稳定性、稳态误差与过渡过稳定性、稳态误差与过渡过程品质等程品质等最佳控制、最佳估计最佳控制、最佳估计最佳控制、最佳估计最佳控制、最佳估计设计方法设计方法频域频域, ,图解法为主，试凑技术图解法为主，试凑技术时域，解析法，最佳设计时域，解析法，最佳设计时域，解析法，最佳设计时域，解析法，最佳设计控制器控制器模拟硬件（能力有限）模拟硬件（能力有限）数字软件（潜力巨大）数字软件（潜力巨大）数字软件（潜力巨大）数字软件（潜力巨大）u 智能控
15、制智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系理系统，如智能机器人。如智能机器人。利用知利用知识进行学行学习、推理与、推理与联想，想，对环境干境干扰与与不确定因素具有不确定因素具有鲁棒性。棒性。主要内容：主要内容：模糊控制模糊控制神神经网网络控制控制遗传算法算法20世世纪80年代以来出年代以来出现了新的控制思想和控制理了新的控制思想和控制理论控制理论发展趋势控制理论发展趋势v企企业：资源共享、因特网、信息集成、源共享、因特网、信息集成、信息技信息技术+控制技控制技术(集成控制技集成控制技术)v网网络控制技控制技术v计算机集成制造算机集成制造CIMS：（工厂
16、自：（工厂自动化）化）1.3 1.3 本课程内容本课程内容v一一. . 绪论绪论v二二. . 控制系统的状态空间描述控制系统的状态空间描述v三三. . 线性控制系统的运动分析线性控制系统的运动分析 v四四. . 线性控制系统的能控性和能观测性线性控制系统的能控性和能观测性v五五. . 控制系统的李亚普诺夫稳定性分析控制系统的李亚普诺夫稳定性分析v六六. . 状态反馈和状态观测器状态反馈和状态观测器1.4 1.4 本课程任务本课程任务v 掌握现代控制理论的基本理论和基本方法掌握现代控制理论的基本理论和基本方法v 进行系统分析和设计进行系统分析和设计 分析：对系统的性能进行分析分析：对系统的性能进
17、行分析 定量分析：对实际响应分析计算定量分析：对实际响应分析计算 定性分析：能控性、能观测性、稳定性定性分析：能控性、能观测性、稳定性 设计：构造一个能完成给定任务的控制系统设计：构造一个能完成给定任务的控制系统 Textbooks and Readings Textbooks and Readings参考书目（中文）参考书目（中文）v曲延滨，王新生编,现代控制理论基础,第三版,哈尔滨工业大学出版社，2005v刘豹编,现代控制理论,第三版,机械工业出(PDF)v郑大钟，线性系统理论，清华大学出版社，20021) Chi-Tsong Chen, Linear System Theory and
18、Design, 3rd Edition, Oxford University Press, 1999 (PDF)2) A Mathematical Introduction to Control Theory (PDF)3) APPLIED LINEAR ALGEBRA and matrix analysis (PDF)4) Richard C. Dorf and Robert H. Bishop,Modern Control Systems(现代控制系统现代控制系统_11版版),20085)Zdzislaw Bubnicki, Modern Control Theory, Springer-Verlag (PDF)参考书目（英文）参考书目（英文）Textbooks and ReadingsTextbooks and Readings
