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问题的提出－控制的必要性

•飞机的自动驾驶系统、宇宙飞船系统和导弹制导系统；

问题的提出－控制的必要性

•数控机床

•工业过程中流量、压力、温度的控制；

问题的提出－控制的必要性

•机器人控制、城市交通控制、网络拥塞控制；

•生物系统、生物医学系统、社会经济系统；

提出的方法－经典控制理论（1935-1950）

•传递函数模型

•美国贝尔实验室的H.Bode（1938），以及Nyquist（1940）提出了

频率响应法

•美国MIT的N.Wiener在研究随机过程的预测

问题中，提出Wiener滤波理论（1942），发表

了《Cybernetics》－－控制学科诞生

存在的问题

经典控制理论

•简单对象

单输入单输出、线性、时不变（定常）系统

•缺乏系统化方法

图形化方法，依赖于设计人员的经验

•达到的性能要求较低，不能处理多目标性能。

面临的挑战

对象日益复杂化、控制性能要求不断提高

现代控制理论

挑战产生新知识、新技术

现代控制理论

•1956年，前苏联的庞德里亚金发表了

《最优过程的数学理论》，提出了极

大值原理（MaximumPrinciple）；

•1960年，美籍匈牙利人卡尔曼发表了“On

theGeneralTheoryofControlSystems”，

引入状态空间法分析系统，提出了能控性、

能观测性、卡尔曼滤波等概念，奠定了现

代控制理论的基础；

•1957年成立了国际自动控制联合会

(IFAC:InternationalFederationofAutomaticControl)。

现代控制理论－取得的成就

•1957年发射了第一颗人造地球卫星；

•工业机器人产品；

•1961年载人航天（加加林）；

•1966年月球软着陆；

•1969年登陆月球。

现代控制理论－特点

•描述对象的方法

状态空间模型，适用于多输入多输出、时变、非线

性系统

•处理方法

应用现代数学方法，以计算机作为工具，系统化的

分析和综合方法；

•实现多目标控制；

•预测控制、鲁棒控制、模糊控制等先进控制。

本课程内容

•状态空间模型；

•基于状态空间模型的系统分析（Analysis）:

运动分析

能控性、能观测性

稳定性

•基于状态空间模型的系统综合（Synthesis）:

极点配置

状态反馈控制器设计

状态观测器设计

绪论

第1章线性系统的状态空间模型

第2章线性系统的运动分析

第3章线性系统的能控性与能观测性

第4章控制系统的稳定性分析

第5章线性定常系统的综合

第6章状态空间法在工程中的应用

1.1状态空间分析法

1.2状态空间模型的建立

（由系统框图建立状态空间描述、

由系统机理建立状态空间描述）

1.3由外部描述化为内部描述及其标准型式

1.4由状态空间方程求传递函数

1.5状态矢量的线性变换

1.6离散时间系统的状态空间描述

1.7MATLAB应用

系统描述中常用的基本概念

系统的外部描述①传递函数（零初始条件）

②微分方程

状态方程



系统的内部描述①状态空间表达式

输出方程

②微分方程组

③方框图（零初始条件）

④状态结构图

一、引例

例1求图示机械系统的状态空间表达式

设为输入变量，

外力u(t)K弹性系数u

y为输出变量

m

由牛顿力学得：

阻y(t)

尼bmybykyu

系位移

数