现代控制理论（第3版）全套PPT课件.pptx

绪论

0．1自动控制理论的发展与现状

0．2现代控制理论的研究范围

0．3经典控制理论与现代控制理论的联系

与比较

0．4MATLAB控制系统工具箱简介

;0．1自动控制理论的发展与现状;

1788年，瓦特（J.Watt）使用的自动调节进汽阀门开度以控制蒸汽机转速的离心式（飞球式）调速器是闭环自动控制装置在工程实践中应用的第一项重大成果，以此为背景，物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）于1868年在“论调节器”这篇论文中首次对反馈控制系统的稳定性进行系统分析，指出系统稳定性取决于系统微分方程对应的特征方程的根具有负实部，该论文开辟了用数学方法研究控制系统的途径，是控制理论早期发展的奠基之作。随后，自动控制理论开始形成并随着控制工程实践的需要不断发展。综观自动控制理论的发展历程，根据研究方法和思路的不同，一般可分为如下三个阶段。;1927年，为了减小电子管放大器的非线性引起的信号失真，布莱克（H.S.Black）提出了反馈放大器，“反馈”这一自动控制的基本原理和基本方法开始建立。但提高反馈系统开环增益以减小误差（失真）与系统稳定性要求降低开环增益是矛盾的，这就涉及反馈系统的稳定性问题。当动态特征很复杂时，难以用基于时域的劳斯?赫尔维茨判据解决。;1932年，奈奎斯特（H.Nyquist）提出负反馈系统稳定性频（率）域判据，标志着经典控制理论的形成，其揭示了系统开环幅相频率特性和闭环系统稳定性的本质联系。

1943年，哈尔（A.C.Hall）基于传递函数这一描述系统动态特性的复数域数学模型，将通信工程的频率响应法和机械工程的时域方法统一为经典控制理论的复数域方法。

;1945年，波德（H.W.Bode）出版了《网络分析和反馈放大器设计》一书，提出了使频率响应法更适合工程应用的Bode图法。

1948年，伊凡思(W.R.Evans)则提出了复数域分析和设计负反馈系统的方法

——根轨迹法，即直接由开环零、极点在复平面的分布求闭环特征根随某一参数变化的轨迹。;

至此，以传递函数为动态数学模型、频率响应法和根轨迹法两种频域方法为核心，主要研究单输入单输出???SISO）线性定常反馈系统的经典控制理论基本成熟。;1944年美国陆军发明的自动化防空火炮系统是经典控制理论应用于工程实践的成功范例之一。数学家维纳（N.Wiener）从中提炼出“信息”、“系统”、“控制”三个要素，于1948出版了自动化科学的奠基著作《控制论》，该书与1945年贝塔朗菲的《关于一般系统论》、1948年香农（C.Shannon)的《通信的数学理论》简称为“三论”（控制论、系统论、信息论），共同构筑了自动化与信息科学技术的理论基础。;1922年，米诺斯基（N.Minorsky)提出比例积分微分（PID）控制律，其将负反馈系统偏差的现状（比例P）、历史（积分I）和变化趋势（微分D）线性组合成复合控制量，对被控对象进行控制，兼顾了系统稳、快、准三个方面的要求，应用广泛。1942年，尼柯尔斯（N.B.Nichols)提出PID参数最佳整定法，发展了PID算法。;二．现代控制理论阶段;1957年，前苏联成功发射人类历史上第一颗人造地球卫星；1968年，美国“阿波罗”宇宙飞船登上月球，揭开了人类开始征服太空的序幕。航天器控制系统是多输入多输出的系统，而且要求设计最优控制系统，用经典控制理论基于传递函数的频域方法难以解决。;卡尔曼（R.E.Kalman）、贝尔曼（R.Bellman）和庞特里亚金（L.S.Pontryagin）等倡导从变换后的频域回到时域，用状态空间表达式建立MIMO线性/非线性、定常/时变系统的动态数学模型，并提出与经典控制理论频域法不同的状态反馈和最优控制方法，即现代控制理论。其包括20世纪50年代贝尔曼提出的寻求最优控制的动态规划法和庞特里亚金提出的极小值原理，20世纪60年代卡尔曼分析系统引入的状态空间分析法及提出的多变量最优控制和最优滤波理论、能控性和能观性概念。;

最优控制依赖确定的数学模型，但环境和被控对象参数不可避免的变化将导致实际系统的模型发生变化，因此,在线辨识系统数学模型，并按当前模型修改最优控制律的自适应控制及系统辨识理论也是现代控制理论的研究范畴。20世纪70年代以来,自适应控制理论进展显著，奥斯特隆姆和朗道（Landau）等为此作出了贡献。;1970年，罗森布罗克（H.H.Rosenbroek）等提出多变量频域控制理论，将传统频域方法发展为现代频域