现代控制理论_1_绪论.ppt

导弹制导系统、宇宙飞船系统、卫星姿态控制系统、机器人控制、飞机自动驾驶系统 数控机床 工业过程控制，温度、气压、流速等 城市交通控制、Internet网络拥堵控制； 生物系统、环境系统、社会经济系统……… 研究对象是多变量系统； （经典理论主要以单输入单输出系统为研究对象） -----具有大得多的适用范围。 ② 除输入、输出特性外，还着重研究系统内部状态-“白箱子” （经典理论只考虑系统的外部性能-“黑箱子”） ---- 所考虑的问题更为全面和深刻。 1.3 现代控制理论的特点 ③ 分析方法以时域法为主，兼用频域法； （经典理论主要采用频域法） -----能充分利用这两种方法，而时域法对动态描述要更为直观。 ④ 使用更多的数学工具。 除经典理论中使用的拉氏变换外，还大量使用线性代数、矩阵理论和微分方程理论等。 -----能探讨更一般更复杂的问题。 1.3 现代控制理论的特点 科学在发展，控制论也在不断发展。实际上，一般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。 1、线性系统理论—现代控制理论的基础 主要研究线性系统在输入作用下状态运动的规律，建立和揭示系统结构、参数和性能之间的关系。 主要包括：线性系统状态空间表达式--- 数学模型 能控性和能观性—核心内容 状态反馈和状态观测器设计—理论应用 李雅普诺夫稳定性理论---稳定性分析 1.4 现代控制理论的基本内容 2、最优控制（Optimal Control ） 在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。 主要方法： 变分法、极大值原理、动态规划等 极大值原理 最优控制的核心 即：使系统的性能指标达到最优（最小或最大）某一性能指标最优， 如时间最短或燃料消耗最小等。 1.4 现代控制理论的基本内容 3、自适应控制（Adaptive Control ） 在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。 a. 模型参考自适应控制 （Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自适应控制 （Self-Turning Adaptive Control) 1.4 现代控制理论的基本内容 4、建模及系统辨识（System Identification ） 建立系统动态模型的方法： 根据系统的输入输出的试验数据，确定一个与被研究系统本质特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。 （若只需确定参数，即结构已知，则称为参数估计Parameter Estimation 。） 5、优滤波理论（最优估计） 当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其不确定性须应用概率和统计方法进行处理。 即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法获得有用信号的最优估计。 Kalman滤波器 1.4 现代控制理论的基本内容 现代控制理论----解决问题的基本步骤 系统建模(System Modeling) 基于物理规律建立数学模型 系统辨识(System Identification) 基于输入输出实测数据建立数学模型，估计模型的各类参数 信号处理(Signal Processing) 用滤波、预测、状态估计等方法处理输出 综合控制输入(Control Synthesis) 用各种控制规律综合输入 1.4 现代控制理论的基本内容 经典控制理论: 数学模型：线性定常高阶微分方程和传递函数; 分析方法： 时域法(低阶1～3阶) 根轨迹法 频域法 适应领域：单输入－单输出（SISO）线性定常系统 缺 点：只能反映输入－输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构和运行状态。 现代控制理论： 数学模型：以一阶微分方程组或差分方程组表示的动态方程 分析方法：精准的时域分析法 适应领域：（1）多输入－多输出系统（MIMO、SISO、MISO、SIMO） （2）非线性系统 （3）时变系统 优越性：（1）能描述系统内部的运行状态 （2）便于考虑初始条件（与传递函数比较）