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(diǎn)
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(guó)數(shù)學(xué)家維納《控制論》
1940——1950 經(jīng)典控制理論 單機(jī)自動(dòng)化
1960——1970 現(xiàn)代控制理論 機(jī)組自動(dòng)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(dòng)化
1990——21c 集成控制理論 網(wǎng)絡(luò)控制自動(dòng)化
1788年，英國(guó)Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機(jī)用的離心調(diào)速機(jī)。
1875年，1895年，英國(guó)Routh和德國(guó)Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。
1892年，俄國(guó)李雅普諾夫在《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問(wèn)題》中建立了動(dòng)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(guó)Bode在《網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計(jì)》中提出頻率響應(yīng)分析法－Bode圖。
1948年，美國(guó)Wiener在《控制論－關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)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(dòng)物（包括人類）和機(jī)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(guó)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(diǎn)
研究對(duì)象：?jiǎn)屋斎?、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(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。
a.特點(diǎn)
研究對(duì)象：多輸入、多輸出系統(tǒng)，線性、定?；驎r(shí)變、離散系統(tǒng)。
解決方法：狀態(tài)空間法（時(shí)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(dòng)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(guò)程、交通運(yùn)輸、生物工程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和空間技術(shù)等復(fù)雜系統(tǒng)。
復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)：
（1）動(dòng)力學(xué)模型的不確定性
（2）測(cè)量信息的粗糙性和不完整性
（3）動(dòng)態(tài)行為或擾動(dòng)的隨機(jī)性
（4）離散層次和連續(xù)層次的混雜性
（5) 系統(tǒng)動(dòng)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(qiáng)耦合性
大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三類：
多級(jí)（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(jī)器人。
利用知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)、推理與聯(lián)想，對(duì)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(shì)
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(jì)算機(jī)集成制造CIMS：（工廠自動(dòng)化）
Computer Integrated Manufacturing System
應(yīng)用：生物控制、經(jīng)濟(jì)控制、社會(huì)控制等
二、 現(xiàn)代控制理論的主要特點(diǎn)
研究對(duì)象：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時(shí)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(shí)、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(gè)問(wèn)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(lái)
的影響？
（3）如何實(shí)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(yùn)動(dòng)過(guò)程
規(guī)律，揭示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、動(dòng)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(cè)器設(shè)計(jì)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(dòng)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(dá)到最優(yōu)（最小或最大）
某一性能指標(biāo)最優(yōu)：
如時(shí)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(dòng)適應(yīng)內(nèi)外部參數(shù)、
外部環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)達(dá)
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(shí)
建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的方法：
根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從一類給定的模型
中確定一個(gè)被研究系統(tǒng)本質(zhì)特征等價(jià)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(jì)器）
當(dāng)系統(tǒng)中存在隨機(jī)干擾和環(huán)境噪聲時(shí)，其綜合必須應(yīng)
用概率和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行。即：已知系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通
過(guò)輸入輸出數(shù)據(jù)的測(cè)量，利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)估
計(jì)。
Kalman濾波器

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