现代控制理论——绪论

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1、现代控制理论9/7/20211绪论控制理论的发展史现代控制理论与经典控制理论现代控制理论的基本内容现代控制理论的进一步发展9/7/20212控制理论的发展史自动控制理论：简称控制理论，是关于自动控制系统的构成、分析和设计理论。系统：可以定义为处于自身相互关系中以及与环境的相互关系中的要素集合，系统是由按一定的关系作用和制约的各个部分组成的具有一定功能的整体，由一定的边界将系统内部与系统外部(系统环境)区分开来。控制：是为了改善系统的性能或达到系统的目的，通过信息采集和加工而形成的施加在系统上的作用。自动控制系统：是代替或部分代替人的直接参与，使生产过程或其它过程按期望

2、规律或预定过程进行的控制系统。自动控制系统也简称为控制系统。自动控制理论是一门技术学科，而不是工程实践。9/7/20213经典控制理论诞生的标志1868年麦克斯韦发表《论调速器》，总结了无静差调速器理论1876年维什涅拉茨基发表的《论调节器的一般理论》，进一步总结了调节器的理论劳思在1875年，赫尔维茨在1895年分别独立地建立直接根据代数方程的系数判别系统稳定性的判据1922年米诺尔斯基发表《关于船舶自动操舵的稳定性》1934年奈奎斯特建立了根据频率响应判别系统稳定性的判据1934年黑曾发表《自动调节理论》1938年米哈依洛夫发表《频率法》9/7/202141945

3、年伯德发表专著《网络分析和反馈放大器设计》1947年詹姆斯等三人合著的第一本经典控制理论教材《伺服机构理论》出版1948年维纳发表《控制论》，为控制论奠定了基础，同年香农发表《通信的属性基础》，为信息论奠定了基础1954年钱学森发表《工程控制论》，全面总结了经典控制理论经典控制理论成熟的标志9/7/20215经典控制理论很快就面临新的挑战工程实际和科学技术问题中大量出现多输入多输出的情况被控的系统不少是非线性的或者是参数时变的控制目标也有许多不同的情况等等9/7/20216学者们试图把经典控制控制理论推广到多变量系统的控制，都遭到了失败，需要寻求新的理论和方法，于是现

4、代控制理论诞生了。现代控制理论是通过对系统的状态变量描述来进行控制系统的分析和设计，基本的方法是时域方法。现代控制理论9/7/20217现代控制理论能处理的控制问题单变量系统和多变量系统线性系统和非线性系统定常系统和时变系统确定系统和非确定性系统9/7/20218在空间技术等方面的推动下，关于现代控制理论的研究获得了积极的推进，并取得了一批杰出的成果：1956年，庞特里雅金创立了极大值原理，同年贝尔曼创立了动态规划，这两者为最优控制建立了理论基础1959年卡尔曼提出了卡尔曼滤波1960年卡尔曼提出了系统的可控性和可观测性现代控制理论形成的标志9/7/202191960

5、年在第一届全美联合自动控制会议上：把系统与控制领域中研究单变量控制问题的学科称为经典控制理论研究多变量控制问题的学科称为现代控制理论使用经典控制理论和现代控制理论这样两个学科名称，是历史的原因形成的，标志着自动控制理论发展的两个不同阶段。要避免一种误解，以为两者是没有内在联系的，甚至误以为经典控制理论是过时的，应予淘汰。实则两者存在着内在的联系；而且，用经典控制理论的方法分析研究单输入单输出的线性定常系统，往往是简单明了的，迄今仍然十分有效。经典控制理论与现代控制理论的划分9/7/202110大系统理论和智能控制理论的出现，使控制理论发展到一个新阶段：所谓大系统，是指

6、规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，它涉及生产过程、交通运输、生物控制、计划管理、环境保护、空间技术等多方面的控制和信息处理问题智能控制系统是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的智能能机器人大系统理论和智能控制理论9/7/202111现代控制理论与经典控制理论的比较经典控制理论现代控制理论对单输入—单输出、线性定常系统的分析与综合是有成效的。可适用于线性和非线性、定常和时变、单变量和多变量、连续和离散系统适用领域的扩大，使其成为更有普遍性的理论。数学上是单变量的常系数微分方程问题拉氏变换为主要数学工具数学模型是传递函数矩阵和向量空间理论是主

7、要数学基础9/7/202112经典控制理论现代控制理论—种频域方法以系统的输出输入特性作为研究的依据着眼于系统的输出本质是一种时域方法建立在状态变量描述方法基础上的着眼于系统的状态给定一类特定的输入情况下，分析输出的响应是根据给定的某种指标来设计系统的校正网络。总之，着眼于系统外部联系。揭示系统对控制和初始状态的依赖关系，指出其可能影响的性质和程度揭示系统在一定的指标提法和其它限制条件下可能达到的最佳状态，即最优控制9/7/202113经典控制理论现代控制理论控制器即校正装置，是由能实现典型控制规律的调节器构成的控制器则是能实现任意控制规律的数字机基