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(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

2、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

3、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(lèi)）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(qián)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

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(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

5、，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）

6、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(lèi)： 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）,,公司,工廠,,,車(chē)間,決策、協(xié)調(diào)、計(jì)劃、組織、管理,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度，過(guò)程控制的最優(yōu)化,調(diào)節(jié)裝置,協(xié)調(diào)控制級(jí),遞階控制級(jí),局部控制級(jí),

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(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(zhuān)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)

8、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、

9、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(mǎn)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?tīng)顟B(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

10、。,,（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

11、（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(lèi)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：