現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)課件

1、現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ) 文文 成成 林林 博士博士( (后后) ) 教授教授 杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院( (第二實驗樓南樓第二實驗樓南樓412412房間房間) ) E-mail Tel:86915193 2 2 2一一 個人基本情況個人基本情況二二 控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展三三 現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容現(xiàn)代控制理論的主要內(nèi)容四四 本課程要講的內(nèi)容本課程要講的內(nèi)容五五 學(xué)習、研究和培養(yǎng)學(xué)生過程中的一些體會學(xué)習、研究和培養(yǎng)學(xué)生過程中的一些體會3 3 3文成林文成林文成林文成林文成林文成林，男，男，男，男，男，男，

2、196319631963196319631963年年年年年年4 4 4 4 4 4月生，博士月生，博士月生，博士月生，博士月生，博士月生，博士( ( ( ( ( (后后后后后后) ) ) ) ) )、教授、博士生指導(dǎo)教師、教授、博士生指導(dǎo)教師、教授、博士生指導(dǎo)教師、教授、博士生指導(dǎo)教師、教授、博士生指導(dǎo)教師、教授、博士生指導(dǎo)教師所屬學(xué)科：所屬學(xué)科：所屬學(xué)科：所屬學(xué)科：所屬學(xué)科：所屬學(xué)科： 控制理論與控制工程控制理論與控制工程控制理論與控制工程控制理論與控制工程控制理論與控制工程控制理論與控制工程發(fā)表發(fā)表發(fā)表發(fā)表發(fā)表發(fā)表學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文學(xué)術(shù)論文909090909090余篇

3、，其中已有余篇，其中已有余篇，其中已有余篇，其中已有余篇，其中已有余篇，其中已有303030303030余篇次被余篇次被余篇次被余篇次被余篇次被余篇次被SciSciSciSciSciSci或或或或或或EiEiEiEiEiEi收錄收錄收錄收錄收錄收錄主持主持主持主持主持主持國家自然科學(xué)基金國家自然科學(xué)基金國家自然科學(xué)基金國家自然科學(xué)基金國家自然科學(xué)基金國家自然科學(xué)基金3 3 3 3 3 3項、項、項、項、項、項、( ( ( ( ( (聯(lián)合主持聯(lián)合主持聯(lián)合主持聯(lián)合主持聯(lián)合主持聯(lián)合主持) ) ) ) ) )國家自然科學(xué)基金重點項國家自然科學(xué)基金重點項國家自然科學(xué)基金重點項國家自然科學(xué)基金重點項國家自

4、然科學(xué)基金重點項國家自然科學(xué)基金重點項目目目目目目1 1 1 1 1 1項、中國博士后基金項、中國博士后基金項、中國博士后基金項、中國博士后基金項、中國博士后基金項、中國博士后基金1 1 1 1 1 1項、世界銀行貸款項目項、世界銀行貸款項目項、世界銀行貸款項目項、世界銀行貸款項目項、世界銀行貸款項目項、世界銀行貸款項目1 1 1 1 1 1項、省部級重點項、省部級重點項、省部級重點項、省部級重點項、省部級重點項、省部級重點基金基金基金基金基金基金5 5 5 5 5 5項、國家重點實驗室開放基金項、國家重點實驗室開放基金項、國家重點實驗室開放基金項、國家重點實驗室開放基金項、國家重點實驗室開放

5、基金項、國家重點實驗室開放基金4 4 4 4 4 4項、省部級自然科學(xué)基金項、省部級自然科學(xué)基金項、省部級自然科學(xué)基金項、省部級自然科學(xué)基金項、省部級自然科學(xué)基金項、省部級自然科學(xué)基金3 3 3 3 3 3項項項項項項出版學(xué)術(shù)專著出版學(xué)術(shù)專著出版學(xué)術(shù)專著出版學(xué)術(shù)專著出版學(xué)術(shù)專著出版學(xué)術(shù)專著1 1 1 1 1 1部，完成學(xué)術(shù)專著部，完成學(xué)術(shù)專著部，完成學(xué)術(shù)專著部，完成學(xué)術(shù)專著部，完成學(xué)術(shù)專著部，完成學(xué)術(shù)專著1 1 1 1 1 1部、主編和參編教材部、主編和參編教材部、主編和參編教材部、主編和參編教材部、主編和參編教材部、主編和參編教材5 5 5 5 5 5部。部。部。部。部。部。4 4 4個人基

6、本情況個人基本情況(2)(2)1982.09-1986.06河南大學(xué)數(shù)學(xué)系基礎(chǔ)數(shù)學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)河南大學(xué)數(shù)學(xué)系基礎(chǔ)數(shù)學(xué)專業(yè)本科畢業(yè)1986.06-2004.06在河南大學(xué)從事科研和教學(xué)究工作在河南大學(xué)從事科研和教學(xué)究工作1993.09-1996.06 鄭州大學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)專業(yè)碩士研究生畢業(yè)、獲碩士學(xué)位鄭州大學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)專業(yè)碩士研究生畢業(yè)、獲碩士學(xué)位1996.09-1999.10西北工業(yè)大學(xué)自動控制系博士研究生畢業(yè)西北工業(yè)大學(xué)自動控制系博士研究生畢業(yè)1997.10-1997.12中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員1998.10-1998.12中科院自動化

7、研究所國家重點實驗室客座研究員中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員1998.12獲得副教授任職資格獲得副教授任職資格1999.10-1998.12中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員中科院自動化研究所國家重點實驗室客座研究員2000.05-2002.04清華大學(xué)清華大學(xué)控制科學(xué)與工程控制科學(xué)與工程博士后流動站工作博士后流動站工作2002.4被聘任為教授被聘任為教授2002.05-2002.07 清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗做客座研究員清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗做客座研究員2003.02-2003.06香港浸會大學(xué)計算機科學(xué)系高級訪問教授香港浸會大學(xué)計算機科學(xué)系高級訪問

8、教授2005.10-2005.12 加拿大加拿大Albeta大學(xué)高級訪問教授大學(xué)高級訪問教授2004.06至今杭州電子科技大學(xué)至今杭州電子科技大學(xué)特聘教授特聘教授5 5 5個人基本情況個人基本情況個人基本情況個人基本情況個人基本情況個人基本情況(3)(3)(3)(3)(3)(3) 杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)杭州電子科技大學(xué)特聘教授特聘教授特聘教授特聘教授特聘教授特聘教授 中國電子學(xué)會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)中國電子學(xué)會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)中國電子學(xué)會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)中國電子學(xué)

9、會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)中國電子學(xué)會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)中國電子學(xué)會高級會員，中國自動化學(xué)會會員，中國自動化學(xué)會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控會過程的故障診斷與技術(shù)專業(yè)委員會委員、中國自動化學(xué)會智能控制專業(yè)委員會委員制專業(yè)委員會委員制專業(yè)委員會委員制專業(yè)委員會委員制專業(yè)委員會委員制專業(yè)委員會委員 國

10、家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子國家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子國家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子國家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子國家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子國家自然科學(xué)基金通訊評閱人，自動化學(xué)報、電子學(xué)報、電子與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人與信息學(xué)報等學(xué)報長期審稿人主要研究方向為：主要研究方向為：主要研究方向為：主要研究方向為：主要研究方向為：主要研究方向為：多尺度估計理論及其應(yīng)用多尺

11、度估計理論及其應(yīng)用多尺度估計理論及其應(yīng)用多尺度估計理論及其應(yīng)用多尺度估計理論及其應(yīng)用多尺度估計理論及其應(yīng)用、信號處理與數(shù)據(jù)融、信號處理與數(shù)據(jù)融、信號處理與數(shù)據(jù)融、信號處理與數(shù)據(jù)融、信號處理與數(shù)據(jù)融、信號處理與數(shù)據(jù)融合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)合技術(shù)及應(yīng)用、動態(tài)系統(tǒng)故障診斷、動態(tài)系統(tǒng)建模理論及應(yīng)用技術(shù)6 6 67 7 7 自動控制思想及其

12、實踐可以說歷史悠久。自動控制思想及其實踐可以說歷史悠久。它是人類它是人類在認識世界和改造世界的過程中產(chǎn)生的，并隨著社會的在認識世界和改造世界的過程中產(chǎn)生的，并隨著社會的發(fā)展和科學(xué)水平的進步而不斷發(fā)展。發(fā)展和科學(xué)水平的進步而不斷發(fā)展。 人類發(fā)明具有人類發(fā)明具有“自動自動”功能的裝置功能的裝置的歷史可以追溯到的歷史可以追溯到公元前公元前14141111世紀的中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的銅壺滴世紀的中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)的銅壺滴漏計時器。漏計時器。 公元前公元前4 4世紀世紀，希臘柏拉圖（，希臘柏拉圖（PlatonPlaton, ,公元前公元前4747公元公元前前347347）首先使用了）首先使用了“控

13、制論控制論”一詞。一詞。8 8 8 公元前公元前300300年年，古希臘就運用反饋控制原理設(shè)計了，古希臘就運用反饋控制原理設(shè)計了浮子調(diào)浮子調(diào)節(jié)器節(jié)器，并應(yīng)用于水鐘和油燈中。，并應(yīng)用于水鐘和油燈中。 在如圖所示的在如圖所示的水鐘原理圖水鐘原理圖中，最上面的蓄水池提供水源，中，最上面的蓄水池提供水源，中間蓄水池浮動水塞保證恒定水位，以確保其流出的水滴中間蓄水池浮動水塞保證恒定水位，以確保其流出的水滴速度均勻，從而保證最下面水池中的帶有指針的浮子均勻速度均勻，從而保證最下面水池中的帶有指針的浮子均勻上升，并指示出時間信息。上升，并指示出時間信息。圖圖圖圖圖圖1 1 11 1 1 水鐘原理圖水鐘原理圖

14、水鐘原理圖水鐘原理圖水鐘原理圖水鐘原理圖9 9 9 早在早在10001000多年前，多年前，我國古代先人們也發(fā)明了銅壺滴漏我國古代先人們也發(fā)明了銅壺滴漏計時器、計時器、指南車等控制裝置指南車等控制裝置。齒輪系齒輪系齒輪系 仙人仙人仙人 車身車身車身101010 首次應(yīng)用首次應(yīng)用于工業(yè)的自控器是瓦特（于工業(yè)的自控器是瓦特（J.Watt）于）于1769年發(fā)明的用來控制蒸汽機轉(zhuǎn)速的飛球控制器，如圖所示。年發(fā)明的用來控制蒸汽機轉(zhuǎn)速的飛球控制器，如圖所示。 離心式調(diào)離心式調(diào)離心式調(diào) 速器速器速器 蒸汽機蒸汽機蒸汽機 工具機工具機工具機蒸氣量蒸氣量蒸氣量Q Q Q轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速N N N+ + +QQQ-

15、- - - -111111 1868年年，英國學(xué)者麥克斯韋（，英國學(xué)者麥克斯韋（J.C.Maxwell，18311879）發(fā)表了）發(fā)表了“論調(diào)速器論調(diào)速器”一文，對的一文，對的穩(wěn)定性穩(wěn)定性進行了分進行了分析，析，指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用指出控制系統(tǒng)的品質(zhì)可用微分方程微分方程來描述來描述，系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性可用穩(wěn)定性可用特征方程根特征方程根的位置形式來研究的位置形式來研究。該論文屬于。該論文屬于最早的最早的理論工作。理論工作。 1875年年，英國的勞斯（，英國的勞斯（E.J.Routh,1831-1907），），1995年年，德國的赫爾維茨（，德國的赫爾維茨（A.Hurwitz，1859-1919

16、）,先后分先后分別提出根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般準則。別提出根據(jù)代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般準則。121212 2020世紀世紀2020年代，電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，促進了年代，電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，促進了信息處理和自動控制及其理論的發(fā)展。信息處理和自動控制及其理論的發(fā)展。 19321932年年，美籍瑞典科學(xué)家奈奎斯特（，美籍瑞典科學(xué)家奈奎斯特（H.NyquistH.Nyquist）提）提出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定的準則，即奈奎出了根據(jù)頻率響應(yīng)判斷反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定的準則，即奈奎斯特判據(jù)。斯特判據(jù)。 19381938年年，前蘇聯(lián)學(xué)者米依洛夫提出用圖解分析方法判，前蘇聯(lián)學(xué)者米

17、依洛夫提出用圖解分析方法判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，把奈奎斯特判據(jù)推廣到條件穩(wěn)定別系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則，把奈奎斯特判據(jù)推廣到條件穩(wěn)定和開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。和開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)的一般情況。131313 1948年年，美國著名科學(xué)家維納（，美國著名科學(xué)家維納（N.Wiener，1894-1964）出版了專著出版了專著控制論控制論關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學(xué)學(xué)，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反，系統(tǒng)地論述了控制理論的一般原理和方法，推廣了反饋的概念，為控制理論科學(xué)的發(fā)展饋的概念，為控制理論科學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)奠定了基礎(chǔ)。該書標志著該書標志著控制科學(xué)的誕生控

18、制科學(xué)的誕生。 1954年年，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森教授在美國出版了，我國著名科學(xué)家錢學(xué)森教授在美國出版了工工程程控制論控制論一書，書中所闡明的基本理論和觀點，一書，書中所闡明的基本理論和觀點，奠定了工奠定了工程控制論的基礎(chǔ)程控制論的基礎(chǔ)。 141414 控制理論和社會生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在控制理論和社會生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在近代得到極速發(fā)展近代得到極速發(fā)展。它不僅已經(jīng)成功地運用并滲透到工。它不僅已經(jīng)成功地運用并滲透到工農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、軍事、生物醫(yī)學(xué)、社會經(jīng)濟及人類生農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、軍事、生物醫(yī)學(xué)、社會經(jīng)濟及人類生活等諸多領(lǐng)域，而且在這過程中控制理論也發(fā)展活等諸多領(lǐng)域，而且在

19、這過程中控制理論也發(fā)展成為一成為一門內(nèi)涵極為豐富的新興學(xué)科門內(nèi)涵極為豐富的新興學(xué)科。151515控制理論的發(fā)展一般劃分為三個時期控制理論的發(fā)展一般劃分為三個時期經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 (1930-1950)(1930-1950)現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論（2020世紀世紀50-7050-70年代年代）大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論、智能控制理論、復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論、復(fù)雜系統(tǒng)等等 （2020世紀世紀6060年代至今）年代至今）161616第一個時期：第一個時期： 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論 (1930-1950)(1930-1950)171717 經(jīng)典控制理論主要解決經(jīng)典控制理論主要解決單變量控制系統(tǒng)單變

20、量控制系統(tǒng)的的分析與設(shè)計分析與設(shè)計，研究的對象主要研究的對象主要是是線性定常系統(tǒng)線性定常系統(tǒng)。它是以拉氏變換為數(shù)學(xué)。它是以拉氏變換為數(shù)學(xué)工具，采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為基礎(chǔ)的經(jīng)工具，采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等為基礎(chǔ)的經(jīng)典頻域方法研究系統(tǒng)。典頻域方法研究系統(tǒng)。 對于非線性系統(tǒng)對于非線性系統(tǒng)，除了線性化及漸近展開等計算外，除了線性化及漸近展開等計算外，主要采用相平面分析和諧波平衡法主要采用相平面分析和諧波平衡法( (即描述函數(shù)法即描述函數(shù)法) )研究。研究。181818 這一時期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外，這一時期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外，還有美國的伯德（還有美

21、國的伯德（H.W.BodeH.W.Bode）和埃文斯（）和埃文斯（W.R.EvansW.R.Evans）。）。19451945年，伯德出版了年，伯德出版了網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計網(wǎng)絡(luò)分析和反饋放大器設(shè)計一書，提出了頻率響應(yīng)分析方法，即簡便而實用的伯德一書，提出了頻率響應(yīng)分析方法，即簡便而實用的伯德圖法。圖法。19481948年，埃文斯提出了直觀簡便的圖解分析法，即根年，埃文斯提出了直觀簡便的圖解分析法，即根軌跡法，這一方法在控制工程上得到了廣泛的應(yīng)用。軌跡法，這一方法在控制工程上得到了廣泛的應(yīng)用。 191919經(jīng)典控制理論著重研究單機自動化經(jīng)典控制理論著重研究單機自動化，較好地解決了單輸入，較

22、好地解決了單輸入單輸出單輸出（SISO-Single Input Single Output）系統(tǒng)的控制問題。系統(tǒng)的控制問題。主要數(shù)學(xué)工具主要數(shù)學(xué)工具是微分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)。是微分方程、拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)。主要研究方法主要研究方法是時域法、頻域法和根軌跡法。是時域法、頻域法和根軌跡法。主要問題主要問題是控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度。是控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性及其精度。202020“經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論” 具有明顯的局限性具有明顯的局限性 突出的是難以有效地突出的是難以有效地應(yīng)用于應(yīng)用于時變系統(tǒng)和多變量系時變系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)，統(tǒng)，也難以揭示系統(tǒng)更為深刻的特性。也難以揭示系

23、統(tǒng)更為深刻的特性。212121第二個時期：第二個時期： 現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論 （20世紀世紀50-70年代年代）222222這個時期，由于計算機技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，這個時期，由于計算機技術(shù)、航空航天技術(shù)的迅速發(fā)展，控制理論有了控制理論有了重大的突破和創(chuàng)新重大的突破和創(chuàng)新。它它研究的對象不再局限于研究的對象不再局限于單變量的、線性的、定常的、單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的系統(tǒng)，而連續(xù)的系統(tǒng)，而擴展為擴展為多變量的、非線性的、時變的、多變量的、非線性的、時變的、離離散的系統(tǒng)散的系統(tǒng)?，F(xiàn)代控制理論以現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)線性代數(shù)和和微分方程微分方程為主要數(shù)學(xué)工具，為主要數(shù)學(xué)工具，以以

24、狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，分析和設(shè)計控制系統(tǒng)。為基礎(chǔ)，分析和設(shè)計控制系統(tǒng)。 所謂所謂狀態(tài)空間法狀態(tài)空間法，本質(zhì)上是一種時域分析方法，它不僅，本質(zhì)上是一種時域分析方法，它不僅描述了系統(tǒng)的外部特性，而且揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性描述了系統(tǒng)的外部特性，而且揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)和性能。能。232323 現(xiàn)代控制理論分析和綜合系統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論分析和綜合系統(tǒng)的目的是目的是在揭示系統(tǒng)內(nèi)在揭示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上在規(guī)律的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)系統(tǒng)在某種意義上的最優(yōu)化實現(xiàn)系統(tǒng)在某種意義上的最優(yōu)化，同，同時，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不再限于單純的閉環(huán)形式。時，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不再限于單純的閉環(huán)形式。 這個時期的主要代表人物有美國

25、的貝爾曼（這個時期的主要代表人物有美國的貝爾曼（R.Bellman）、原蘇聯(lián)的龐特里亞金和美籍匈牙利人）、原蘇聯(lián)的龐特里亞金和美籍匈牙利人卡爾曼卡爾曼（R.E.Kalman）等人。）等人。24242419651965年，年，貝爾曼貝爾曼發(fā)表了發(fā)表了“動態(tài)規(guī)劃理論在控制過程中動態(tài)規(guī)劃理論在控制過程中的應(yīng)用的應(yīng)用“一文，提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃法。一文，提出了尋求最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃法。19581958年，年，Kalman提出遞推估計的自動化控制原理，提出遞推估計的自動化控制原理，奠奠定了自校正控制器的基礎(chǔ)。定了自校正控制器的基礎(chǔ)。19601960年，年，KalmanKalman發(fā)表了發(fā)表了“控

26、制系統(tǒng)的一般理論控制系統(tǒng)的一般理論”等論等論文，引入了狀態(tài)空間分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測性、文，引入了狀態(tài)空間分析系統(tǒng)，提出能控性、能觀測性、最優(yōu)調(diào)節(jié)器和最優(yōu)調(diào)節(jié)器和KalmanKalman濾波等概念。濾波等概念。25252519621962年，年，KalmanKalman等人又提出最優(yōu)控制反饋問題，并得到等人又提出最優(yōu)控制反饋問題，并得到若干有關(guān)魯棒性的結(jié)果。這些理論若干有關(guān)魯棒性的結(jié)果。這些理論構(gòu)造了現(xiàn)代控制理論的構(gòu)造了現(xiàn)代控制理論的框架框架。19611961年，龐特里亞金的年，龐特里亞金的最優(yōu)過程的數(shù)學(xué)理論最優(yōu)過程的數(shù)學(xué)理論一書正一書正式出版，證明了極大值原理，使得式出版，證明了極大值

27、原理，使得最優(yōu)控制理論得到了極最優(yōu)控制理論得到了極大的發(fā)展大的發(fā)展。262626第三個時期：第三個時期： 大系統(tǒng)理論大系統(tǒng)理論、智能控制理論和復(fù)雜系統(tǒng)智能控制理論和復(fù)雜系統(tǒng)等等 （2020世紀世紀6060年代至今）年代至今）272727從從2020世紀世紀6060年代開始，控制理論進入了一個多樣化年代開始，控制理論進入了一個多樣化發(fā)展的時期。它不僅涉及系統(tǒng)辨識和建模、統(tǒng)計估計和發(fā)展的時期。它不僅涉及系統(tǒng)辨識和建模、統(tǒng)計估計和濾波、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制及濾波、最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制及控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)CADCAD等理論和方法。等理論和方法。同時，它在與社會經(jīng)濟

28、、環(huán)境生態(tài)、組織管理等活同時，它在與社會經(jīng)濟、環(huán)境生態(tài)、組織管理等活動中，與生物醫(yī)學(xué)中的診斷及控制，與信號處理、軟件動中，與生物醫(yī)學(xué)中的診斷及控制，與信號處理、軟件計算等鄰近學(xué)科相交叉中又計算等鄰近學(xué)科相交叉中又形成了許多新的研究分支。形成了許多新的研究分支。282828例如，在例如，在2020世紀世紀7070年代以來形成的大系統(tǒng)理論主要年代以來形成的大系統(tǒng)理論主要是解決大型工程和社會經(jīng)濟中信號處理、可靠性控制等是解決大型工程和社會經(jīng)濟中信號處理、可靠性控制等綜合最優(yōu)的設(shè)計問題。綜合最優(yōu)的設(shè)計問題。由于應(yīng)用范圍涉及越來越復(fù)雜的工程系統(tǒng)和社會、由于應(yīng)用范圍涉及越來越復(fù)雜的工程系統(tǒng)和社會、經(jīng)濟、管

29、理等非工程的人類活動系統(tǒng)，原有的理論方法經(jīng)濟、管理等非工程的人類活動系統(tǒng)，原有的理論方法遇到了本質(zhì)困難，遇到了本質(zhì)困難，大系統(tǒng)大系統(tǒng)和社會發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)向和社會發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)向“復(fù)雜系復(fù)雜系統(tǒng)統(tǒng)”的概念。的概念。292929智能控制智能控制的發(fā)展始于的發(fā)展始于2020世紀世紀6060年代，它是一種能更好地年代，它是一種能更好地模仿人類智能的、非傳統(tǒng)的控制方法。它突破了傳統(tǒng)控制中模仿人類智能的、非傳統(tǒng)的控制方法。它突破了傳統(tǒng)控制中對象有明確的數(shù)學(xué)描述和控制目標是可以數(shù)量化的限制。它對象有明確的數(shù)學(xué)描述和控制目標是可以數(shù)量化的限制。它所采用的理念方法主要是來自自動控制理論、人工智能、模所采用的理念方法主要

30、是來自自動控制理論、人工智能、模糊集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及運籌學(xué)等學(xué)科分支。糊集和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及運籌學(xué)等學(xué)科分支。主要代表人物有美國扎德主要代表人物有美國扎德（L.A.Zadeh）教授，在教授，在19651965年，年，他他創(chuàng)立了模糊集合論創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供了新的數(shù)，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供了新的數(shù)學(xué)工具。學(xué)工具。3030301968年，美籍華人傅京孫（年，美籍華人傅京孫（K.S.Fu）教授和桑托斯）教授和桑托斯（E.S.Saridis）等人提出運用模糊神經(jīng)元概念研究復(fù)雜大）等人提出運用模糊神經(jīng)元概念研究復(fù)雜大系統(tǒng)行為，正式提出了智能控制就是系統(tǒng)行為，正式提出了智能控制就是人工智

31、能技術(shù)與控制人工智能技術(shù)與控制理論的交叉理論的交叉，并，并創(chuàng)立了人機交互式分級遞階智能控制的創(chuàng)立了人機交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。313131到了到了2121世紀，隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，控世紀，隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，控制理論與許多學(xué)科相互交叉、滲透融合的趨勢在進一步制理論與許多學(xué)科相互交叉、滲透融合的趨勢在進一步加強，控制理論的應(yīng)用范圍在不斷擴大，控制理論在認加強，控制理論的應(yīng)用范圍在不斷擴大，控制理論在認識事物運動的客觀規(guī)律和改造世界中將得到進一步的發(fā)識事物運動的客觀規(guī)律和改造世界中將得到進一步的發(fā)展和完善。展和完善。323232333333 線性系統(tǒng)理論是現(xiàn)代

32、控制理論的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代控制線性系統(tǒng)理論是現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代控制理念中最完善、技術(shù)上較成熟、應(yīng)用也最廣泛的部分理念中最完善、技術(shù)上較成熟、應(yīng)用也最廣泛的部分。 它主要研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運動過程的規(guī)它主要研究線性系統(tǒng)在輸入作用下狀態(tài)運動過程的規(guī)律和改變這些規(guī)律的可能性與措施；建立和揭示系統(tǒng)結(jié)律和改變這些規(guī)律的可能性與措施；建立和揭示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)、動態(tài)行為和性能之間的關(guān)系。構(gòu)性質(zhì)、動態(tài)行為和性能之間的關(guān)系。343434 線性系統(tǒng)理論線性系統(tǒng)理論主要包括主要包括系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、能控性、能觀測性和穩(wěn)定性分析，狀態(tài)反饋、狀能控性、能觀測性和穩(wěn)定性分析，狀態(tài)反饋

33、、狀態(tài)觀測器及補償?shù)睦碚摵驮O(shè)計方法等內(nèi)容。態(tài)觀測器及補償?shù)睦碚摵驮O(shè)計方法等內(nèi)容。353535建立動態(tài)系統(tǒng)在空間的模型，使其能正確反映系統(tǒng)輸建立動態(tài)系統(tǒng)在空間的模型，使其能正確反映系統(tǒng)輸入、輸出之間的基本關(guān)系，是對系統(tǒng)進行分析和控制的入、輸出之間的基本關(guān)系，是對系統(tǒng)進行分析和控制的出發(fā)點。出發(fā)點。由于系統(tǒng)由于系統(tǒng)比較復(fù)雜比較復(fù)雜，往往不能通過解析的方法直接建，往往不能通過解析的方法直接建模，而主要是在系統(tǒng)輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)或運行數(shù)據(jù)的模，而主要是在系統(tǒng)輸入輸出的試驗數(shù)據(jù)或運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從一類給定的模型中確定一個與研究系統(tǒng)本質(zhì)基礎(chǔ)上，從一類給定的模型中確定一個與研究系統(tǒng)本質(zhì)特征等價的或近似的模

34、型。特征等價的或近似的模型。363636 如果模型的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，只需要確定其參如果模型的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，只需要確定其參數(shù)，就是數(shù)，就是參數(shù)估計參數(shù)估計問題。若模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)問題。若模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)需同時確定，就是需同時確定，就是系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識問題。問題。373737 最優(yōu)濾波亦稱為最優(yōu)濾波亦稱為最佳估計理論最佳估計理論。當系統(tǒng)受到環(huán)境噪聲。當系統(tǒng)受到環(huán)境噪聲或負載干擾時，其不確定性可以用概率或統(tǒng)計的方法進或負載干擾時，其不確定性可以用概率或統(tǒng)計的方法進行描述或處理。行描述或處理。 也就是在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已建立的基礎(chǔ)上，利用被噪也就是在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已建立的基礎(chǔ)上，利用被噪聲等污染的輸入輸出

35、的量測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計方法獲得聲等污染的輸入輸出的量測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計方法獲得有有用信號用信號的最優(yōu)估計。的最優(yōu)估計。383838經(jīng)典的經(jīng)典的維納濾波理念闡述的是平穩(wěn)隨機過程按均方維納濾波理念闡述的是平穩(wěn)隨機過程按均方差意義的最佳濾波，而差意義的最佳濾波，而現(xiàn)代的現(xiàn)代的KalmanKalman濾波理論用狀態(tài)空濾波理論用狀態(tài)空間法設(shè)計最優(yōu)濾波器，克服了前者的局限性，適用于非間法設(shè)計最優(yōu)濾波器，克服了前者的局限性，適用于非平穩(wěn)過程，并在很多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。平穩(wěn)過程，并在很多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。成為現(xiàn)代控成為現(xiàn)代控制理論的制理論的基石基石393939最優(yōu)控制最優(yōu)控制是在給定限制條件和性能指標是在給定

36、限制條件和性能指標( (即評價函數(shù)或目即評價函數(shù)或目標函數(shù)標函數(shù)) )下，尋找使系統(tǒng)性能在一定意義下為最優(yōu)的控制規(guī)下，尋找使系統(tǒng)性能在一定意義下為最優(yōu)的控制規(guī)律。律。 所謂所謂“限制條件限制條件”，即約束條件，指的是物理上對系統(tǒng)所，即約束條件，指的是物理上對系統(tǒng)所施加的一些約束；施加的一些約束；而而“性能指標性能指標”，則是為評價系統(tǒng)在全工作過程中的優(yōu)劣，則是為評價系統(tǒng)在全工作過程中的優(yōu)劣所規(guī)定的標準；所規(guī)定的標準；所尋找的所尋找的控制規(guī)律控制規(guī)律就是綜合出的最佳控制器。就是綜合出的最佳控制器。404040 在解決最優(yōu)控制問題中，在解決最優(yōu)控制問題中，除了除了龐特里亞金的極大值原龐特里亞金的極

37、大值原理和貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法是最重要的兩種方法外，理和貝爾曼的動態(tài)規(guī)劃法是最重要的兩種方法外，用各用各種種“廣義廣義”梯度描述的最優(yōu)算法，以及動態(tài)規(guī)劃的哈密梯度描述的最優(yōu)算法，以及動態(tài)規(guī)劃的哈密頓雅可比（頓雅可比（Hamilton-Jacobi-Bellman）方程求解的新）方程求解的新方法正在形成并用于非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制。方法正在形成并用于非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制。414141 所謂自適應(yīng)控制，是所謂自適應(yīng)控制，是隨時隨時辨識系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并按辨識系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并按照照當前當前的模型的模型去修改去修改最優(yōu)控制律。最優(yōu)控制律。 當被控對象的當被控對象的內(nèi)部內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及外部外部的環(huán)境特性和的環(huán)境特性和擾動存在擾動存在不確定不確定時，系統(tǒng)自身能時，系統(tǒng)自身能在線量測和處理在線量測和處理有關(guān)信有關(guān)信息，息，在線相應(yīng)修改控制器在線相應(yīng)修改控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以保持以保持系統(tǒng)所系統(tǒng)所要求的最佳性能。要求的最佳性能。 424242自適應(yīng)控制的兩大基本類型是：自適應(yīng)控制的兩大基本類型是：(1) 模型參考自適應(yīng)模型參考自適應(yīng)