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现代控制理论课件.ppt
西北工业大学自动化学院 1-1 自动控制发展历史简介 自动控制思想及其实践可以说历史悠久。它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的,并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。早在公元前300年,古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器,并应用于水钟和油灯中。在如图1-1所示的水钟原理图中,最上面的蓄水池提供水源,中间蓄水池浮动水塞保证恒定水位,以确保其流出的水滴速度均匀,从而保证最下面水池中的带有指针的浮子均匀上升,并指示出时间信息。 同样早在1000多年前,我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。首次应用于工业的自控器是瓦特(J.Watt)于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器,如图1-2所示。而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫(I.Polzunov)的浮子水位调节器最有历史意义。 1868年以前,自控装置和系统的设计还处于直觉阶段,没有系统的理论指导,因此在控制系统的各项性能(如稳、准、快)的协调控制方面经常出现问题。十九世纪后半叶,许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究,并对控制系统的性能改善产生了积极的影响。1868年,麦克斯威尔(ell)建立了飞球控制器的微分方程数学模型,并根据微分方程的解来分析系统的稳定性。1877年,罗斯(h)提出了不求系统微分方程根的稳定性判据。1895年,霍尔维茨(A.Hurwitz)也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据。 第二次世界大战前后,由于自动武器的需要,为控制理论的研究和实践提出了更大的需求,从而大大推动了自控理论的发展。1948年,数学家维纳 N.Wiener 的 CYBERNETICS 一书的出版,标志着控制论的正式诞生。这个“关于在动物和机器中的控制和通讯的科学” Wiener所下的经典定义 经过了半个多世纪的不断发展,其研究内容及其研究方法都有了很大的变化。图1-3所示为控制理论的主要发展历史。 概括地说,控制论发展经过了三个时期: 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期,着重研究单机自动化,解决单输入单输出系统的控制问题;它的主要数学工具是微分方程、拉普拉斯变换和传递函数;主要研究方法是时域法、频域法和根轨迹法;主要问题是控制系统的快速性、稳定性及其精度。 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期,着重解决机组自动化和生物系统的多输入多输出系统的控制问题;主要数学工具是一次微分方程组、矩阵论、状态空间法等等;主要方法是变分法、极大值原理、动态规划理论等;重点是最优控制、随机控制和自适应控制;核心控制装置是电子计算机; 第三阶段是七十年代的大系统理论时期,着重解决生物系统、社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题;方法是时域法为主;重点是大系统多级递阶控制;核心装置是网络化的电子计算机。 从控制论的观点看,人是最巧妙,最灵活的控制系统。它善于根据条件的变化而作出正确的处理。如何将人的智能应用于实际的自动控制系统中,这是个有重要意义的问题。七十年代开始,人们不仅解决社会、经济、管理、生态环境等系统问题,而且为解决模拟人脑功能,形成了新的学科----人工智能科学,这是控制论的发展前沿。计算机技术的发展为人工智能的发展提供了坚实的基础。人们通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能,并用它来模仿人脑。在没有人的干预下,人工智能系统能够进行自我调节、自我学习和自我组织,以适应外界环境的变化,并作出相应的决策和控制。 现代控制理论的基本内容 科学在发展,控制论也在不断发展。所以“现代”两个字加在“控制理论”前面,其含义会给人误解的。实际上,我们讲的现代控制理论指的是五六十年代所产生的一些控制理论,主要包括: 用状态空间法对多输入多输出复杂系统建模,并进一步通过状态方程求解分析,研究系统的可控性、可观性及其稳定性,分析系统的实现问题; 用变分法、最大(最小)值原理、动态规划原理等求解系统的最优控制问题;其中常见的最优控制包括时间最短、能耗最少等等,以及它们的组合优化问题;相应的有状态调节器、输出调节器、跟踪器等综合设计问题; 最优控制往往要求系统的状态反馈控制,但在许多情况下系统的状态是很难求得的,往往需要一些专门的处理方法,如卡尔曼滤波技术来求得。这些都是现代控制理论的范畴。 六十年代以来,现代控制理论各方面有了很大的发展,而且形成几个重要的分支课程,如线性系统理论,最优控制理论,自适应控制理论,系统辩识理论,等等。 对控制系统一定要进行定量分析,否则就没有控制论;而要进行定量分析,就必须用数学模型来刻划描述系统,也即建立系统的数学模型,这是一个很重要的问题。 经典控制论中常用一个高阶微分方程来描述系统的运动规律,而现代控制论中采用的是状态空间法,就是用一组状态变量的一阶微分方程组作为系统的数学模型。这是现代控制理论与
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