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Chapter 11 Four-dimensional Data Assimilation 控制理论起源 摆玉龙 内 容 控制理论 控制理论研究的起源与发展 可能性空间 黑箱认识论 最优控制原理 自适应控制原理 结论 参考文献 控制论的起源 控制理论的主要分支 理 论 发 展 控制理论的主要内容 核心贡献者 核心概念 核心分析方法 核心分析曲线 维纳——“控制论”的创始人； Routh——“Routh”判据的提出者； 李亚普诺夫——李亚普诺夫稳定性定义的提出者； Nyquist——Nyquist判据的提出者； …… 反馈（本质）； 稳定（目标）； 开环，闭环（基本结构） 传递函数（基本的数学模型）； 特征多项式（核心特征体现式） 线性定常系统（基本研究对象）； 状态空间模型（现代控制理论的数学基础）…… 时域分析法； 频域分析法； 根轨迹法； Routh判据； Nyquist判据； 串联校正； PID控制； …… S平面； Bode图； 极坐标图； 尼科尔斯图； 系统结构图； 信号流图； …… 教与学系统方框图 大纲与 教材 成绩 考试 学生实际掌握程度 学生应掌握内容 预习 作业 延迟 延迟 复习 课堂回答问题 控制系统的基本结构图（一个例子） 控制系统的基本组成 放大与串联补偿 功放 执行元件 被控对象 反馈补偿 测量元件 参考输入 偏差 反馈量 被控制量 扰动量 控制理论的概念——可能性空间 【基本含义】： 顾名思义，控制论是关于控制的理论。“用计算机控制宇宙飞船”，“基因控制着遗传”，“病人的病已不可控制” 【共同特点】： 被控制的对象必须存在着多种发展的可能性 被控制的对象不仅存在着多种发展的可能性，而且，人可以在这些可能性中通过一定的手段进行选择 【基本定义】： 控制的概念与事物发展的可能性密切相关 。 我们将事物发展变化中面临的各种可能性的集合称为这个事物的可能性空间。 【一个例子】： 世界上第一个考虑过事物可能性空间性质的可能是中国战国时期著名的哲学家杨朱。《列子》里有一个“歧路亡羊”的故事 。“歧路之中，又有歧焉”，这位哲学家所感叹和研究的，正是事物可能性空间这种重要的展开方式。 控制理论的概念——黑箱认识论 * * 【基本定义】： 任何一种方法论都对应着它的认识论，与控制论独特的方法对应，有一种独特的认识论，通常称之为黑箱理论。控制论把人们认识和改造的对象看作黑箱。 【研究方法】： 黑，意味着一些未知的东西，客体事物是复杂的。控制论认为，认识客体黑箱有两种不同的方法。一种叫不打开黑箱的方法，一种叫打开黑箱的方法。不打开黑箱的方法就是不影响原有的客体黑箱结构，通过黑箱外部的输入输出变量的研究得出关于黑箱内部情况的推理，探求黑箱内部结构。打开黑箱的方法则要通过一定的手段来影响原有客体黑箱直接观察和控制黑箱的内部结构。 控制理论的概念——黑箱认识论 * * 【一个例子】： 控制理论的概念——黑箱认识论 * * 【研究方法】： 某些内部结构非常复杂的系统（大系统，特大黑箱）； 至今为止，人们所拥有的手段尚不能打开的黑箱（地球内部的构造） 人类在某一阶段掌握的某一类打开黑箱的方法会严重干扰本身结构的系统（生物体） 认识论的基本模式 * * 毛泽东《实践论》“实践——理论——实践” 最优控制的基本原理 * * 最优控制是从大量实际问题中提炼出来的，它尤其与航空航天的制导、导航和控制技术密不可分。 我国的探月计划： 绕月工程：2007年以前发射人造月球卫星“嫦娥一号”； 落月工程：2012年发射携带月球车的登月软着陆器； 回月工程：2020年前完成采集月球样品工作。 最优控制问题研究的主要内容是：怎样选择控制规律才能使控制系统的性能和品质在某种意义下为最优。 例：飞船的月球软着陆问题 飞船靠其发动机产生一与月球重力 方向相反的推力f，赖以控制飞船实现 软着陆(落到月球表面上时速度为零)。 要求选择一最好发动机推力程序f(t)， 使燃料消耗最少。 设飞船质量为m，它的高度和垂直速度分别为h和v。月球的重力加速度可视为常数g，飞船的自身质量及所带燃料分别为M和F。 h g v 月球 最优控制的基本原理 要求控制飞船从初始状态 出发，于某一时刻tf实现软着陆，即 自某t=0时刻开始飞船进入着陆过程。其运动方程为 其中k为一常数。 最优控制的基本原理 满足上述限制，使飞船实现软着陆的推力程序f(t)不止一 种，其中消耗燃料最少者才是最佳推力程序，易见，问题可 归结为求 为最大的数学问题。 控制过程中推力f(t)不能超过发动机所能提