现代控制理论基础第3版孙炳达0绪论(200KB).pptVIP

现代控制理论基础 孙炳达 梁慧冰 编著 (第3版) 现代控制理论的产生与发展 控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用 于我们社会生活的方方面面。 控制理论的产生和发展可分为两个主要阶段： 经典控制理论和现代控制理论。 经典控制理论,常称为自动控制原理。 1 经典控制理论 普遍认为，最早应用于工业过程的反馈系统是1789年由 James Watt发明的用来控制蒸气机转速的“flyball governor” (飞球调节器) 。 1868年，J. C. Maxwell(麦克斯威尔)用微分方程对蒸气机的调节装置建立了数学模型，开始了与控制相关的数学理论。 此后，美国的Bode(伯德)、Nyquest(奈奎斯特) 等在贝尔实验 室对电话系统和电子反馈系统的研究，以及前苏联科学家从事的 控制理论方面的研究，促进了控制理论的工程应用。尤其是，第 二次世界大战期间，由于战争需要，相继研制出了，飞机驾驶仪、 火 炮定位系统、雷达天线等控制系统，使控制理论与应用得到很大 的发展。 从理论角度看，经典控制理论主要由 1932年奈奎斯特(H.Nyquist）提出的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)和 1948年伊文斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法为核心内容。 于是，从20世纪40年代起，逐步发展成一门控制理论学科— 经典控制。 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。 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，研究系统的外部特性，外部描述，属于不完全描述； 3）主要采用工程作图方法，即根轨迹和频率法； 4）局限性： 局限于线性定常系统，不适合时变系统和大多数非线性系统 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 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 2 现代控制理论 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。 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。 既适合线性定常系统，也适合时变系统及非线性系统； 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 (单输入单输出)系统，也适合MIMO(多输入多输 出)系统； 3 现代控制理论与经典控制理论的主要差异 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 本书涉及线性系统理论的主要内容。 线性系统理论是现代控制理论的基础，也是目前理论上最完善、技术上最成熟、工程应用最广泛的一个分支，它是以微分方程、线性代数（矩阵运算）为主要的数学工具，以状态空间方法为基础的分析、综合系统的方法。 4 本书要点