第一讲 绪论1

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1、倪建军njjcumt@163.com河海大学计算机及信息工程学院江苏常州213022ModernControlTheory现代控制理论绪论0.1控制理论的性质所谓控制，就是把有目的性的作用组织起来，使某被控对象按照一定规律变化，或者保持在某个范围内。而自动控制是在不需要人直接参与的情况下实现控制。完成控制的是自动控制系统或装置。应当指出，控制理论来源于控制过程的实践。而又指导控制过程的实践。现在，控制理论在工程控制、社会经济、生命科学等许多领域都有应用。控制理论是一门关于控制的科学。控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律的学科。0.1控制理论的性质控制理论的两个目标：（

2、1）了解基本控制原理；（2）以数学表达它们，使它们最终能用来计算进入系统的控制输入，或用来设计自动控制系统。自动控制领域中的两个不同的但又相互联系的主题：（1）反馈的概念。（2）最优控制的概念。0.2控制理论的发展（1）经典控制理论经典控制理论(古典控制理论),也称为自动控制理论。1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。1948年伊文斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊文斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论

3、）。从二十世纪四十年代到五十年代末，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。（2）经典控制理论的特点：1）把系统当作“黑箱”，不反映黑箱内系统内部结构和内部变量，只反映外部变量，即输入输出间的因果关系；2）传递函数为基础，研究系统外部特性，属于外部描述，不完全描述；3）主要采用频域法，建立在根轨迹和奈奎斯特判据等基础之上的；4）局限性：局限于线性定常系统，不适合非线性和时变系统是分析方法而不是最佳的综合方法，以试凑法为主，满足性能指标为目的，无法设计出最优的系统，仅针对某个性能指标，设计方案多样

4、局限于单输入单输出系统（SISO系统）无法考虑系统的初始条件（传递函数的定义）只能研究确定性的系统，不适合随机系统（3）现代控制理论的产生和发展在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而出现了对多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决需求。越来越复杂的系统，经典控制理论已不能胜任，于50年代末60年代初出现了现代控制理论，是建立在古典控制理论基础上的新一代的控制理论。主要标志1965年，R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观测性、Kalman滤

5、波理论1961年，庞特里亚金（Pontryagin）极大值原理。既适合线性定常系统，也适合非线性系统（4）现代控制理论的优点（相对于经典控制）：分析综合方法，可实现最优控制考虑了初始条件，系统状态可以由初始条件和输入来刻划既适合确定性的系统，也适合随机系统既适合SISO系统，也适合MIMO(多输入多输出)系统（5）现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论现代控制理论研究对象单输入单输出系统(SISO):高阶微分方程多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程研究方法传递函数法(外部描述)状态空间法(内部描述)研究工具拉普拉斯变换线性代数，矩阵理论分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法复

6、域、实域，可控和可观测设计方法PID控制和校正网络状态反馈和输出反馈其他频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制易于实现实时控制和最优控制0.3控制理论的应用（1）基于经典控制理论的应用单回路控制系统等等（2）基于现代控制理论的应用比起经典控制理论,现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,并符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域。0.4控制一个动态系统的几个基本步骤0.5本书内容和本课程的基本要求基本要求：通过本课程的学习，掌握建立系统状态空间模型的基本方法；掌握利用状态空间模型分析系统特性和

7、校正系统的方法。了解并掌握基于状态空间模型的系统仿真、分析与设计方法。同时为进一步学习现代控制理论打下扎实基础。所谓系统分析就是在规定的条件下，对数学模型已知系统的性能进行分析；所谓系统设计，就是构造一个能够完成给定任务的系统，这个系统具有希望的瞬态、稳态性能以及抗干扰性能。课程考核一、本课程为课内闭卷考试二、考核成绩1．期末考试成绩占总成绩的70%2．平时成绩占总成绩的30%，由以下几部分组成：A）考勤：缺课一次扣1分