現(xiàn)代控制理論

1、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 美國數(shù)學家維納《控制論》1940——1950 經(jīng)典控制理論 單機自動化1960——1970 現(xiàn)代控制理論 機組自動化1970——1980 大系統(tǒng)理論 控制管理綜合1980——1990 智能控制

2、理論 智能自動化1990——21c 集成控制理論 網(wǎng)絡控制自動化,,1788年，英國Wate利用反饋原理發(fā)明蒸汽機用的離心調(diào)速機。1875年，1895年，英國Routh和德國Hurwitz先后提出判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)方法。1892年，俄國李雅普諾夫在《論運動穩(wěn)定性的一般問題》中建立了動力學系統(tǒng)的一般穩(wěn)定性理論。1932年，Nyquist提出了根據(jù)頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1945年，美國Bode在《網(wǎng)絡分析和反饋

3、放大器設計》中提出頻率響應分析法－Bode圖。,,1948年，美國Wiener在《控制論－關于在動物和機器中控制和通信的科學》中系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法。 －－－標志控制學科的誕生 控制論：研究動物（包括人類）和機器內(nèi)部控制和通信的一般規(guī)律的學科。1954年，錢學森的《工程控制論》在美國出版。 －－－奠定了工程控制論的基礎,,（1）經(jīng)典控制理論 a.特點研究對象：單輸入、單輸出線性定常系統(tǒng)。解決

4、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)學工具：拉氏變換、常微分方程。 b.局限性難以應用于時變系統(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 隨著計算機技術、航空航天技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的。 a.特點研究對象：多輸入、多輸出系統(tǒng)，線性、定?；驎r變、離散系統(tǒng)。解決方法：狀態(tài)空間法（時域方法）。數(shù)學工具：線性代數(shù)、微分方程。 b.主要標志1965年

5、，R.Bellman提出了尋求最優(yōu)控制的動態(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、結構復雜、變量眾多的信息與控制系統(tǒng)，如生產(chǎn)過程、交通運輸、生物工程、社會經(jīng)濟和空間技術等復雜系統(tǒng)。,,復雜系統(tǒng)的特點：（1）動力學模型的不確定性（2）測量信息的粗糙性和不完整性（3）

6、動態(tài)行為或擾動的隨機性（4）離散層次和連續(xù)層次的混雜性（5) 系統(tǒng)動力學的高度復雜性（6）狀態(tài)變量的高維性和分布性（7）各系統(tǒng)間的強耦合性,,,大系統(tǒng)結構分為三類： 多級（遞階）控制 多層控制（按任務） 多段控制（如導彈軌跡控制）,,公司,工廠,,,車間,決策、協(xié)調(diào)、計劃、組織、管理,計算機實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度，過程控制的最優(yōu)化,調(diào)節(jié)裝置,協(xié)調(diào)控制級,遞階控制級,局部控制級,

7、,（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)，如智能機器人。 利用知識進行學習、推理與聯(lián)想，對環(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)絡控制 專家控制、遺傳算法,,(5) 控制理論發(fā)展趨勢,企業(yè)：資源共享、因特網(wǎng)、信息集成 信息技術+控制技術

8、集成控制技術網(wǎng)絡控制 技術 計算機集成制造CIMS：（工廠自動化） Computer Integrated Manufacturing System應用：生物控制、經(jīng)濟控制、社會控制等,,,二、 現(xiàn)代控制理論的主要特點,研究對象：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時變系統(tǒng)、多變量系統(tǒng)、連續(xù)與離散系統(tǒng)數(shù)學上：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、最優(yōu)控制、自適應控制等,,三、

9、現(xiàn)代控制理論基本內(nèi)容,控制理論必須回答的三個問題：（1）系統(tǒng)能否被控制？可控性有多大？（2）如何克服系統(tǒng)結構的不確定性及干擾帶來 的影響？（3）如何實現(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)運動過程 規(guī)律，揭示系統(tǒng)的結構性質、動態(tài)行為之 間的關系。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)觀測器設計等

10、。,,（2）最優(yōu)控制在給定約束條件和性能指標下，尋找使系統(tǒng)性能指標最佳的控制規(guī)律。主要方法：變分法、極大值原理、動態(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)的性能指標達到最優(yōu)（最小或最大）某一性能指標最優(yōu)：如時間最短或燃料消耗最小等。,,,（3）自適應控制在控制系統(tǒng)中，控制器能自動適應內(nèi)外部參數(shù)、外部環(huán)境變化，自動調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)達到一定意義下的最優(yōu)。 a. 模型參考自適應控制

11、（Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自適應控制 （Self-Turning Adaptive Control),,（4）系統(tǒng)辨識建立系統(tǒng)動態(tài)模型的方法：根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)，從一類給定的模型中確定一個被研究系統(tǒng)本質特征等價的模型，并確定其模型的結構和參數(shù)。（5）最佳濾波理論（最佳估計器）當系統(tǒng)中存在隨機干擾和環(huán)境噪聲時，其綜合必須應用概率和統(tǒng)計方法進行。即：