现代控制理论基础资料课件.ppt

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1、现代控制理论基础高秀梅一概述控制理论的产生及其发展现代控制理论的基本内容一概述1控制理论的产生及其发展a研究内容：如何按照被控对象和环境的特性，通过能动的采集和运用信息施加控制作用而使系统在变化或不确定的条件下保持预定的功能。源于人类的客观世界，又要用之于改造客观世界一概述1控制理论的产生及其发展a三个阶段：经典控制理论现代控制理论智能控制理论一概述1控制理论的产生及其发展◆经典控制理论（古典）阶段形成于上世纪（20）30~50年代，主要解决单输入单输出系统的分析与设计。研究对象线性定常系统。以拉氏变换为数学工具，采用以传递函数、频率特性、根轨迹等为基础的经典频域方法研

2、究系统。局限：难以有效地用于时变系统和多变量控制系统。一概述1控制理论的产生及其发展◆现代控制理论发展时间：20世纪50年代；发展条件：计算机和现代数学；应用平台泛函分析，现代代数学分析工具一概述1控制理论的产生及其发展◆现代控制理论研究对象：多输入多输出，非线性的，时变的，离散系统；主要分析设计方法：状态空间法，即状态空间模型，描述内部、外部特性，属于时域分析方法。一概述1控制理论的产生及其发展◆智能控制理论（高级阶段）概念：能够模仿人类智能（学习、推理、判断），能适应不断变化的环境，能处理多种信息以减少不确定性，能以安全可靠的方式进行规划、产生和执行控制作用，获得全

3、局最优的性能指标的非传统的控制方法。采用的理论方法特点是多学科性，即交叉性很强。一概述1控制理论的产生及其发展◆智能控制理论（高级阶段）自动控制、人工智能、信息科学、思维科学、认知科学、人工神经网络、计算机科学等，不同的联结机制产生了各种智能控制方法和理论。如专家控制理论，模糊控制理论，神经网络控制理论等。智能机器人，一概述2现代控制理论的主要内容概括的说，有以下分支：◆线性系统理论◆最优控制理论◆系统辨识理论◆自适应控制理论◆最优估计理论一概述2现代控制理论的主要内容线性系统理论★状态空间实现：数学模型问题（定量）★线性系统的内部特性问题：稳定性可观测性可控性（定性）

4、★线性系统的设计方法：极点配置方法一概述2现代控制理论的主要内容最优控制理论即给定限制条件和性能指标（评价函数和目标函数）下，寻找使系统能在一定意义下为最优的控制规律。★变分法（控制不受限）★动态规划法（离散系统）★极小值原理（控制受限）★线性二次型最优控制设计（简单易掌握）一概述2现代控制理论的主要内容系统辨识理论（由试验数据识别）★参数辨识：模型结构类型已知，仅参数不知道★系统辨识：结构不知道，参数也不知道一概述2现代控制理论的主要内容最优估计理论（随机系统）★状态估计卡尔曼滤波器一概述2现代控制理论的主要内容自适应控制理论即为了保证控制系统在整个控制过程中都满足最

5、优指标，而随时辨识系统的模型，并按照当前的模型去修改最优控制率。★模型参考自适应控制★自校正控制二状态空间描述基本概念状态方程建立途径二状态空间描述1基本概念系统u1u2upy1y2yqx1,x2,…x1二状态空间描述1基本概念状态：控制系统的状态是指系统过去、现在和将来的状况，即能完全描述系统时域行为的一个最小变量组。状态变量：是指能完全表征系统运动状态的最小变量组中的每个变量二状态空间描述1基本概念状态向量是指若一个系统有N个彼此独立的状态变量x1(t),x2(t),…,xn(t),用它们作为分量所构成的向量x(t),这就构成了状态向量。状态空间以状态变量x1(t)

6、,x2(t),…,xn(t)为坐标轴构成的n维空间。二状态空间描述1基本概念状态方程：把系统的状态变量与输入之间的关系用一组一阶微分方程来描述的数学模型称之为状态方程。表征了系统由输入引起的内部状态变化的规律。输出方程：是描述系统输出变量与系统状态变量和输入变量之间关系的代数方程。二状态空间描述1基本概念状态空间表达式：是指状态方程和输出方程组合起来，构成对一个系统动态行为的完整描述。二状态空间描述1基本概念列写举例：二状态空间描述1基本概念列写举例：二状态空间描述二状态空间描述1基本概念列写举例：二状态空间描述结论：1）状态变量的选取具有非惟一性（个数一定）2）状态空

7、间描述具有非惟一性（均描述同一系统的动态特性）3）状态变量的个数等于系统的阶次4）状态变量不一定是有实际物理意义或可以测量的量（一般选择可测量的量）二状态空间描述一般形式：(1)线性系统其中，A为系统矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵，D为直接传递矩阵。二状态空间描述一般形式：(2)非线性系统。二状态空间描述2状态方程建立途径1）物理系统的机理直接建立状态空间表达式；2）由高阶微分方程化为状态空间描述；3）由传递函数建立状态空间表达式。二状态空间描述2）由高阶微分方程化为状态空间描述的情形：取状态变量：二状态空间描述即则有：二状态空间描述写