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《现代控制理论911-7讲》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、自动控制原理（现代部分）教材第九章第1讲概述控制理论的发展已经走过近百年的历程,并在控制系统设计这一工程领域发挥着巨大的作用。可以说,控制理论与控制工程对现代社会的工业化进程,科学探索(如卫星等太空器升空、远洋船探索),国防军备的现代化(高精度导弹的精确制导),以及人们的生活(如便捷、高速的航空器)等产生巨大的影响,成为20世纪发展最为亮丽的科学领域。随着社会的进步,现代工业、科学技术的迅猛发展,对控制系统提出了更高的要求更高的控制精度更快的控制速度更大的控制范围更强的对环境和对象变化的适应能力更广泛的应用领域控制理论和技术如今已不再仅限于工业和军事国防领域
2、而深入到农业、社会、经济等领域如经济控制论、计量历史学等相应地急需发展相适应的控制理论。计算机技术和其他相关材料、设备的发展也为产生新的控制系统的理论、设计和实现技术创造了条件。控制理论的发展历史可分为两个阶段经典控制理论与现代控制理论下面简单介绍这两个发展阶段的主要历程。1、经典控制理论1.1经典控制理论发展简史经典控制理论即古典控制理论,它的发展大致经历了以下几个过程：萌芽阶段（古代指南车，水运仪象台）起步阶段（17~18世纪，瓦特发明的蒸汽机）发展阶段（19~20世纪初，麦克斯韦，劳斯，胡尔维茨，奈奎斯特，伯德和尼科尔斯，伊万斯）标志阶段（1948年美
3、国数学家维纳出版了《控制论》，标准经典控制理论的形成；钱学森在1954年出版了《工程控制论》，为控制理论应用做出了卓越贡献）从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。第二次世界大战期间,反馈控制方法被广泛用于设计研制飞机自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线控制系统以及其他军用系统。这些系统的复杂性和对快速跟踪、精确控制的高性能追求,迫切要求拓展已有的控制技术,促使了许多新的见解和方法的产生。同时,还促进了对非线性系统、采样系统以及随机控
4、制系统的研究。可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展。1.2经典控制理论特点经典控制理论主要研究SISO线性定常系统。以拉氏变换为基础，以传递函数作为描述系统的数学模型以时域分析法、根轨迹法和频域分析法为主要分析设计工具1.3经典控制理论局限性经典控制理论只适用于SISO线性定常系统,对于时变系统、多输入多输出系统和复杂的非线性系统则无能为力；只能反映输入－输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构和运行状态;经典控制理论在系统设计分析时无法考虑系统的初始条件,这对于高精度的位置、速度等控制系统设计难以达到要求;只能根据超调量、调节时间、幅值裕度、相角裕
5、度等性能指标来设计校正装置，无法确定哪种系统最优,且需要丰富的经验进行试凑以及大量的手工计算。2、现代控制理论20世纪50年代中期,科学技术及生产力的发展,特别是空间技术的发展,迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制,到达目标的控制时间最小等)。实践的需求推动了控制理论的进步,同时,计算机技术的发展也从计算手段上为控制理论的发展提供了条件,适合于描述航天器的运动规律,又便于计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。1956年,美国数学家贝尔曼(R.Bellman)提出了离散多阶
6、段决策的最优性原理,创立了动态规划。之后,贝尔曼等人提出了状态分析法；并于1964年将离散多阶段决策的动态规划法解决了连续动态系统的最优控制问题。2.1现代控制理论发展简史美国数学家卡尔曼(R.Kalman)等人于1959年提出了著名的卡尔曼滤波器,1960年又在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法,提出系统的能控性和能观测性问题。卡尔曼1956年,前苏联科学家庞特里亚金(L.S.Pontryagin)提出极大值原理,并于1961年证明并发表了极大值原理。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具。到1960年代初,一套以状态方程作为描述系统的数
7、学模型,以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确定,现代控制理论应运而生。庞特里亚金俄国数学家李雅普诺夫1892年创立的稳定性理论被广泛应用到现代控制理论中。李雅普诺夫进入20世纪60年代,英国控制理论学者罗森布洛克(H.H.Rosenbrock)、欧文斯(D.H.Owens)和麦克法轮(G.J.MacFarlane)研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论,将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统,并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系,为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。朗道20世纪70年代瑞典控
8、制理论学者奥斯特隆姆(K.J.Astrom)和法国控
