现代控制理论基础第一章

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1、ElementsofModernControlTheory主讲：董霞现代控制理论基础西安交通大学机械工程学院Email：xdong@mail.xjtu.edu.cn办公地点：西二楼东235参考教材《现代控制工程》王军平董霞主编西安交通大学出版社教材《现代控制理论基础》（机械类）何钺编机械工业出版社《现代控制工程》（第三版）KatsuhikoOgata著卢伯英、于海勋译电子工业出版社1第一章绪论现代控制理论是在20世纪50年代末、60年代初形成的控制理论。之所以称其为现代控制理论是与经典控制理论相比较而言的。21.1控制

2、理论发展简史目前国内外学术界普遍认为控制理论经历了三个发展阶段：经典控制理论现代控制理论智能控制理论这种阶段性发展是由简单到复杂、由量变到质变的辩证发展过程。并且，这三个阶段不是相互排斥，而是相互补充、相辅相成的，它们各有其应用领域，并还在不同程度地继续发展着。3控制理论中反馈的概念代表性人物：瓦特（J.Watt)，于1788年发明了蒸汽机飞球调速器。这是一个典型的自动调节系统，由此拉开了经典控制理论发展的序幕。控制理论诞生前，人们对于反馈就有了认识。4经典控制理论的诞生1868年，英国物理学家J.C.Maxwell发表《

3、论调速器》论文，解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡问题；1877年，英国科学家E.J.Routh建立了劳斯稳定性判据；1895年，德国数学家A.Hurwitz提出了胡尔维茨稳定性判据；1892年，俄国数学家A.M.Lyapunov发表了专著《论运动稳定性的一般问题》；1922年，美国的N.Minorsky研究出用于船舶驾驶的伺服机构并提出PID控制方法；1932年，美籍瑞典人H.Nyquist提出了频域内研究系统稳定性的频率判据；51940年，H.W.Bode引入了对数坐标，使频域稳定性判据更适合工程应用；1942年，H

4、.Harris引入了传递函数概念；1948年，W.R.Evans提出了根轨迹方法；1948年，N.Wiener发表了著名的《控制论》，标志着经典控制理论的诞生。1954年，中国著名科学家钱学森出版了《工程控制论》一书，为控制理论的工程应用做出了卓越的贡献。经典控制理论的诞生620世纪四五十年代，经典控制理论的诞生与应用使全世界的科学技术水平得到了快速提高，当时的工业、农业、国防与交通等各领域都热衷于采用自动控制技术。经典控制理论的诞生7经典控制理论以传递函数为基础，主要研究单输入单输出系统的分析和控制问题，所涉及的系统大多

5、是线性定常系统，非线性系统中的相平面法也只含两个变量。常接触到的系统，如机床和轧钢机中常用的调速系统、发电机的自动电压调节系统以及冶炼炉的温度自动控制系统等等，这些系统均被当作单输入－单输出的线性定常系统来处理。如果把某个干扰考虑在内，也只是将它们进行线性叠加而已。经典控制理论的特点8经典控制理论的特点解决上述问题时，采用频率法、根轨迹法、奈氏稳定判据、期望对数频率特性综合等方法是比较方便的，这些方法均属于通常所说的经典控制论范畴，所得结果在对精确度、准确度要求不是很高的情况下是完全可用的。总之，经典控制理论是与生产过程的

6、局部自动化相适应的，它具有明显的依靠手工进行分析和综合的特点，这个特点是与40～50年代生产发展的状况，以及电子计算机技术的发展水平尚处于初期阶段密切相关的。9现代控制理论20世纪50年代末、60年代初，由于导弹制导、数控技术、核能技术以及空间技术发展的需要和电子计算机技术的成熟，控制理论迅猛发展到了一个新阶段，产生了现代控制理论。101956年，苏联的庞特里亚金发表《最优过程的数学理论》，提出极大值原理；1956年，美国的R.I.Bellman发表《动态规划理论在控制过程中的应用》；1960年，美籍匈牙利人R.E.Kal

7、man发表《控制系统的一般理论》、《线性估计和辨识问题的新结果》等论文，引入状态空间法，并提出可控性、可观测性、最佳调节器和卡尔曼滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础。现代控制理论的诞生11此期间，在现代控制理论的推动下，世界上出现了许多惊人的科技成就：1957年，苏联相继发射成功洲际弹道火箭和第一颗人造地球卫星；1958年，美国卡尼-特雷克公司研制出第一台加工中心；1962年，苏联连续发射两艘“东方”号飞船，实现了载人飞船绕地球飞行；1966年，苏联发射“月球”9号探测器，并首次着陆月球；1969年，美国的阿波罗11号把

8、宇航员阿姆斯特朗送上月球，实现了人类太空探索的重大跨越。现代控制理论的诞生12现代控制理论的特点现代控制理论主要用来解决多输入多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。现代控制理论的研究方法本质上是一种时域方法，即所谓状态空间法，它的分析和综合目标是要揭示系统的内在规律，实现系统在一定意