現(xiàn)代控制理論課件

現(xiàn)代控制理論0緒論１控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式２狀態(tài)空間表達(dá)式的解３線性控制系統(tǒng)的能控性和能觀性４穩(wěn)定性分析５線性定常系統(tǒng)的時(shí)域綜合現(xiàn)代控制理論0緒論

控制：通俗地說(shuō)，控制就是使被控對(duì)象按照我們預(yù)定的方式工作控制：通俗地說(shuō)，控制就是使被控對(duì)象按照我們預(yù)定的方式工作現(xiàn)代控制理論課件被控對(duì)象:有什么共同的特點(diǎn)？動(dòng)導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要被控對(duì)象:有什么共同的特點(diǎn)？動(dòng)導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要被控對(duì)象:數(shù)學(xué)上怎么來(lái)描述？被控對(duì)象位置速度加速度微分描述變化：導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要被控對(duì)象:數(shù)學(xué)上怎么來(lái)描述？被控位置速度被控對(duì)象的基本描述：微分方程被控對(duì)象輸出y(t)輸入r(t)導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要被控對(duì)象的基本描述：微分方程被控輸出y(t)輸入r(t)導(dǎo)論求解微分方程，是整個(gè)控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（1）（2）（3）勻速運(yùn)動(dòng)勻加速運(yùn)動(dòng)一般運(yùn)動(dòng)導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要求解微分方程，是整個(gè)控制理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)勻速運(yùn)動(dòng)勻加速運(yùn)動(dòng)一般導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要

變化的被控對(duì)象多種多樣，這導(dǎo)致了控制理論應(yīng)用的廣泛性，甚至出現(xiàn)了具有哲學(xué)意義的控制論。例如：錢老提倡的新三論（控制論、系統(tǒng)論、信息論）管理中體現(xiàn)的控制論原理，等等

結(jié)論：學(xué)習(xí)本課程益處多多!導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要變化的被控對(duì)象導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要

但是！

只有恰當(dāng)?shù)貙?shí)施了控制，才能得到預(yù)期的響應(yīng)。這是控制系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)，也是本課程的主要內(nèi)容。導(dǎo)論----控制系統(tǒng)概要導(dǎo)論----控制系統(tǒng)基本概念被控對(duì)象（部件或系統(tǒng)）：具有因果關(guān)系的物理過(guò)程（或工程對(duì)象），是指要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程，如宇宙飛船，火炮操瞄裝置、飛機(jī)駕駛系統(tǒng)以及工業(yè)生產(chǎn)的某種過(guò)程等。自動(dòng)控制：沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象的某一物理量（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。導(dǎo)論----控制系統(tǒng)基本概念被控對(duì)象（部件或系統(tǒng)）：具有因果導(dǎo)論----控制系統(tǒng)基本概念控制裝置：常被歸納成執(zhí)行機(jī)構(gòu)、觀測(cè)器等。反饋：把輸出量送回到輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程。分為負(fù)反饋和正反饋?？刂葡到y(tǒng)：為了達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)（響應(yīng)）而設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)，它由相互關(guān)聯(lián)的部件組合而成，主要由控制裝置和被控對(duì)象組成。導(dǎo)論----控制系統(tǒng)基本概念控制裝置：常被歸納成執(zhí)行機(jī)構(gòu)、觀導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

控制方式（結(jié)構(gòu)）粗略地可以分為兩種：開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

執(zhí)行被控對(duì)象預(yù)期輸出實(shí)際輸出圖1.２開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)（無(wú)反饋）信號(hào)的單向傳遞導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.3電風(fēng)扇的控制電機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）風(fēng)扇葉片

（控制對(duì)象）開(kāi)關(guān)或程序控制器例1：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)控制電壓導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.3電風(fēng)扇的控制電機(jī)風(fēng)扇葉片

（控制對(duì)象）開(kāi)關(guān)或程序控導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制控制目的：提高爐溫受控對(duì)象（物理實(shí)體）：爐子受控量（輸出物理量）：爐溫控制裝置：開(kāi)關(guān)K和電熱絲，對(duì)受控量起控制作用。圖1.4加熱爐的開(kāi)環(huán)控制例2：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制控制目的：提高爐溫圖1.4加導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.5閉環(huán)(反饋)控制結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)雙向傳遞計(jì)算比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量干擾預(yù)期輸出響應(yīng)r(t)+輸入變量-誤差e(t)控制量u(t)實(shí)際輸出y(t)輸出變量被測(cè)變量測(cè)量值

反饋是控制的精髓導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.5閉環(huán)(反饋)控制結(jié)構(gòu)導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制計(jì)算比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量測(cè)量干擾給定值被控量圖1.6自動(dòng)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制計(jì)算比較執(zhí)行被控對(duì)象測(cè)量測(cè)量干導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

反饋是控制的精髓。運(yùn)用反饋的例子也是比比皆是。例3：調(diào)節(jié)容器內(nèi)液面位置的人工閉環(huán)控制系統(tǒng)圖1.7液位控制示意圖導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制反饋是控制的精分析決策腦執(zhí)行工作對(duì)象手觀察觀察干擾或激勵(lì)眼預(yù)期目標(biāo)實(shí)際結(jié)果眼液體的流入和流出液位圖1.8液位控制人工職能圖分析決策腦執(zhí)行工作對(duì)象手觀察觀察干擾或激勵(lì)眼預(yù)期目標(biāo)實(shí)際結(jié)果導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制例4：汽車方向控制系統(tǒng)

圖1.9汽車方向控制系統(tǒng)導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制例4：汽車方向控制系統(tǒng)圖1.圖1.10汽車方向控制人工職能圖駕車人汽車預(yù)期行駛路線實(shí)際行駛路線比較器視覺(jué)測(cè)量+-偏差方向盤圖1.10汽車方向控制人工職能圖駕車人汽車預(yù)期行駛路線實(shí)際導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.11開(kāi)環(huán)向閉環(huán)控制轉(zhuǎn)換的例子導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制圖1.11開(kāi)環(huán)向閉環(huán)控制轉(zhuǎn)換導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

反饋是現(xiàn)代控制的精髓，還例如：火炮隨動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施管理央行調(diào)整利息

“沒(méi)有調(diào)查就沒(méi)有發(fā)言權(quán)”，等等都體現(xiàn)了反饋的理念！

導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制反饋是現(xiàn)代控制的精髓，還正反饋的例子

例5：已知鈾235原子核在一個(gè)中子的撞擊下，可發(fā)生核裂變反應(yīng)，放出大量的能量，同時(shí)釋放大約2.5個(gè)中子，放出的中子有可能再與鈾235原子核發(fā)生核反應(yīng)，這就是所謂核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制U235初始中子數(shù)中子數(shù)2.5n++中子數(shù)n能量有效中子率圖1.12

正反饋的實(shí)例正反饋的例子例5：已知鈾235原子核在一個(gè)中子的撞擊導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制

開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)和調(diào)整以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)那些負(fù)載恒定，擾動(dòng)小，控制精度要求不高的實(shí)際系統(tǒng)，是有效的控制方式。閉環(huán)系統(tǒng)：由于增加了檢測(cè)裝置和反饋環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本有所增加；但它提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力；同時(shí)，負(fù)反饋會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。導(dǎo)論----開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類

按參考輸入形式分為：

恒值系統(tǒng)：指參考輸入量保持常值的系統(tǒng)。其任務(wù)是消除或減少擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，使被控量（即系統(tǒng)的輸出量）保持在給定或希望的數(shù)值上。

隨動(dòng)系統(tǒng)：指參考輸入量隨時(shí)間任意變化的系統(tǒng)。其任務(wù)是要求輸出量以一定的精度和速度跟蹤參考輸入量，跟蹤的速度和精度是隨動(dòng)系統(tǒng)的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類按參考導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)的元件特性分為:線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的所有元件都是線性元件的系統(tǒng)。其動(dòng)態(tài)性能可用線性微分方程描述，系統(tǒng)滿足齊次性和疊加原理。非線性系統(tǒng)：構(gòu)成系統(tǒng)的元件中含有非線性元件的系統(tǒng),只能用非線性微分方程描述，不滿足疊加原理?？梢赃M(jìn)行線性化處理的系統(tǒng)或元件特性又稱為非本質(zhì)非線性特性。反之，稱之為本質(zhì)非線性，它只能用非線性理論分析研究。導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)的元件特性分為:導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的形式分為連續(xù)系統(tǒng):

系統(tǒng)內(nèi)各處的信號(hào)都是以連續(xù)的模擬量傳遞的系統(tǒng)。離散系統(tǒng):

系統(tǒng)內(nèi)某處或數(shù)處信號(hào)是以脈沖序列或數(shù)碼形式傳遞的系統(tǒng)。其脈沖序列可由脈沖信號(hào)發(fā)生器或振蕩器產(chǎn)生，也可用采樣開(kāi)關(guān)將連續(xù)信號(hào)變成脈沖序列，這類控制系統(tǒng)又稱為采樣控制系統(tǒng)或脈沖控制系統(tǒng)。而用數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制器控制的系統(tǒng)又稱為數(shù)字控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。導(dǎo)論----反饋控制系統(tǒng)的分類按照系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)的形式分為導(dǎo)論----控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性系統(tǒng)在受到擾動(dòng)作用后,自動(dòng)返回原來(lái)的平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用（系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外）后，能自動(dòng)返回到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)特征是其輸出量具有非發(fā)散性；反之，系統(tǒng)是不穩(wěn)定系統(tǒng)。穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)能正常工作的必要條件，衡量指標(biāo)有穩(wěn)定裕度等。導(dǎo)論----控制系統(tǒng)性能的基本要求穩(wěn)定性圖1.13穩(wěn)定性示意圖圖1.13穩(wěn)定性示意圖快速性：要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程盡量短暫，輸出盡快平穩(wěn)地跟蹤上輸入的變化。通常在時(shí)域中給出瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)來(lái)衡量快速性。常用單位階躍信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，上升時(shí)間，峰值時(shí)間，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（或調(diào)整時(shí)間）和振蕩次數(shù)N等指標(biāo)表示。導(dǎo)論-----控制系統(tǒng)性能的基本要求快速性：要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程盡量短暫，輸出盡快平穩(wěn)地跟

準(zhǔn)確性：當(dāng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，要求輸出量最終應(yīng)準(zhǔn)確地達(dá)到希望值，否則將產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。準(zhǔn)確性指標(biāo)有穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)，指穩(wěn)定系統(tǒng)在完成過(guò)渡過(guò)程后的穩(wěn)態(tài)輸出偏離希望值的程度。

導(dǎo)論----控制系統(tǒng)性能的基本要求

導(dǎo)論----控制系統(tǒng)性能的基本要求圖1.14

穩(wěn)定系統(tǒng)的典型單位階躍響應(yīng)曲線圖1.14穩(wěn)定系統(tǒng)的典型單位階躍響應(yīng)曲線課程及教學(xué)安排簡(jiǎn)介----目標(biāo)

知道控制的概念，易！實(shí)施恰當(dāng)?shù)目刂?，難！復(fù)雜對(duì)象的控制，非不欲也，乃無(wú)能也！因此，本課程采用有限目標(biāo)、解剖麻雀的策略。

收縮對(duì)象→經(jīng)典控制！課程目標(biāo)：以簡(jiǎn)單的線性時(shí)不變系統(tǒng)為對(duì)象，學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，切身體會(huì)實(shí)施控制的全過(guò)程，牢固建立反饋控制的理念，培養(yǎng)實(shí)施控制的能力。課程及教學(xué)安排簡(jiǎn)介----目標(biāo)知道控制的概念，易課程及教學(xué)安排----目標(biāo)經(jīng)典控制理論的基本特點(diǎn)

（1）主要用于線性定常系統(tǒng)的研究，即用于常系數(shù)線性微分方程描述的系統(tǒng)的分析與綜合；（2）只用于單輸入，單輸出的反饋控制系統(tǒng)；（3）主要討論系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，而忽視系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，是一種對(duì)系統(tǒng)的外部描述方法。

應(yīng)該指出的是，反饋控制是一種最基本最重要的控制方式。從某種意義上講，經(jīng)典控制理論是伴隨著反饋控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而逐漸完善和成熟起來(lái)的。課程及教學(xué)安排----目標(biāo)經(jīng)典控制理論的基本特點(diǎn)課程及教學(xué)安排----目標(biāo)

實(shí)施控制的全過(guò)程：設(shè)計(jì)差異，反復(fù)改進(jìn)．描述對(duì)象分析對(duì)象設(shè)計(jì)控制修改設(shè)計(jì)圖1.15實(shí)施控制的全過(guò)程系統(tǒng)測(cè)評(píng)課程及教學(xué)安排----目標(biāo)實(shí)施控制的全過(guò)程：描述對(duì)課程及教學(xué)安排----后續(xù)課程展望復(fù)雜對(duì)象的控制，非不欲也，乃無(wú)能也！僅在工程控制領(lǐng)域，今后還有：數(shù)字控制－－手段更新自適應(yīng)控制－－時(shí)變對(duì)象非線性控制－－非線性對(duì)象智能控制－－環(huán)境適應(yīng)等等課程及教學(xué)安排----后續(xù)課程展望復(fù)雜對(duì)象的控制，非不欲課程及教學(xué)安排----后續(xù)課程展望信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制原理數(shù)字信號(hào)處理檢測(cè)與傳感器技術(shù)現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)（數(shù)字）控制技術(shù)自適應(yīng)控制非線性控制作用：橋梁，專業(yè)基礎(chǔ)課智能控制課程及教學(xué)安排----后續(xù)課程展望信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制原理數(shù)字

進(jìn)汽閥門，連桿機(jī)構(gòu)設(shè)定轉(zhuǎn)速Vd實(shí)際轉(zhuǎn)速比較器Metalsphere轉(zhuǎn)速測(cè)量蒸汽室+-蒸汽機(jī)飛球調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示圖1.18

離心調(diào)速器框圖進(jìn)汽閥門，連桿機(jī)構(gòu)設(shè)定轉(zhuǎn)速Vd實(shí)際轉(zhuǎn)速比較器轉(zhuǎn)速測(cè)量蒸汽室自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

早期的載波電話失真嚴(yán)重，解決放大器的非線性累積和無(wú)序振蕩，成為電話遠(yuǎn)程傳輸?shù)年P(guān)鍵。1927年8月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的布萊克在輪渡上的靈光一現(xiàn)，催生了最實(shí)用的負(fù)反饋控制裝置。負(fù)反饋信號(hào)發(fā)大器獲得了極好的線性度，自激振蕩問(wèn)題的解決，極大地促進(jìn)了電話的廣泛應(yīng)用。

靈感來(lái)自于長(zhǎng)期的思考。自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示早期的載波電話失自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

早期的防空火炮控制，一般需要3個(gè)人來(lái)實(shí)施伺服控制，（一個(gè)方位角，一個(gè)高低角，還有一個(gè)引信），與現(xiàn)在不可同日而語(yǔ)。

1940年，同樣來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室的年輕的工程師帕金森用反饋控制方法，解決了這個(gè)問(wèn)題。

自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

當(dāng)時(shí)，他是一個(gè)低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計(jì)，就在1940年春天的一個(gè)晚上，他做了一個(gè)夢(mèng)。他夢(mèng)到既然用電位計(jì)可以控制電壓記錄筆，那么，它也應(yīng)該可以控制火炮的發(fā)射。他的這個(gè)夢(mèng)，同樣促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。

教育的目的應(yīng)該使每個(gè)人都充滿夢(mèng)想！圖1.19火炮隨動(dòng)控制自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示當(dāng)時(shí)，他是一個(gè)低職位的工自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過(guò)程中存在不穩(wěn)定現(xiàn)象（“設(shè)備變得發(fā)狂！”），當(dāng)時(shí)并沒(méi)有理論指導(dǎo)，所有的努力都集中在改進(jìn)調(diào)速器本身（重量、彈簧、摩擦）。麥克斯維爾把調(diào)節(jié)器跟調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起，看作一個(gè)系統(tǒng)，用微分方程來(lái)進(jìn)行研究，指出微分方程的特征根在左半面或右半面，決定著系統(tǒng)穩(wěn)定與否。

僅有實(shí)踐是不夠的！自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示瓦特離心調(diào)速器在調(diào)速過(guò)程中自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示1877年，麥克斯維爾的學(xué)生勞斯提出了勞斯代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并獲得了亞當(dāng)獎(jiǎng)。

1895年，霍爾維茨也提出了本質(zhì)上與勞斯判據(jù)一致的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，并在穩(wěn)定性理論的指導(dǎo)下，為瑞士達(dá)沃斯電廠的一個(gè)蒸汽機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)?；魻柧S茨被認(rèn)為是真正運(yùn)用控制理論，來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的第一人。

只有有了理論的指導(dǎo)，才能從自然王國(guó)走向必然王國(guó)。自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示1877年，麥克斯維爾的學(xué)自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

到了二十世紀(jì)40年代，尼可爾斯深入研究了PID（Proportion,Integral,Differential）調(diào)節(jié)問(wèn)題。他在MIT僅有的一臺(tái)模擬機(jī)（又叫微分分析儀）上做了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，最后列出來(lái)了PID的整定表?？刂乒こ讨?，有一項(xiàng)工作歷經(jīng)60多年，至今還在使用的，這就是尼可爾斯編排的這個(gè)PID整定表。

自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示到了二十世紀(jì)40年代，尼可

這一時(shí)期的主要代表人物還有伯德（H.W.Bode1905～）：1945年提出了簡(jiǎn)便而實(shí)用的伯德圖法。伊文思（W.R.Evans）：1948年提出了直觀而又形象的根軌跡法。自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)，逐漸形成了較完備的理論。值得自豪的是，1954年，中國(guó)科學(xué)家錢學(xué)森全面地歸納總結(jié)了經(jīng)典控制理論，在美國(guó)出版了國(guó)際上第一本經(jīng)典控制理論的著作《工程控制論》。

自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示經(jīng)驗(yàn)的積累和總結(jié)自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示20世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制理論20世紀(jì)60~70年代，狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制等20世紀(jì)80~90年代，魯棒控制、控制等

目前已形成了多個(gè)重要分支，包括系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、綜合自動(dòng)化、非線性系統(tǒng)理論、模式識(shí)別與人工智能、智能控制等。

現(xiàn)代控制理論討論研究的內(nèi)容自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示20世紀(jì)50年代，經(jīng)典控制理論20世紀(jì)

在“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期（上世紀(jì)60～70年代），主要由于空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，用基于一階微分方程組的狀態(tài)空間模型來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程更為方便。這種方法可以解決多輸入多輸出問(wèn)題，系統(tǒng)既可以是線性的、定常的，也可以是非線性的、時(shí)變的。這一時(shí)期的主要代表人物有龐特里亞金、貝爾曼（Bellman），以及卡爾曼（R.E.Kalman，1930～）等人。龐特里亞金于1961年發(fā)表了極大值原理；貝爾曼在1957年提出了動(dòng)態(tài)規(guī)化原則；1959年，卡爾曼和布西發(fā)表了關(guān)于線性濾波器和估計(jì)器的論文，即所謂著名的卡爾曼濾波。自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示

目前，控制理論與實(shí)踐正以“大系統(tǒng)”和“智能”為主題迅猛發(fā)展，形成了多個(gè)重要分支，包括系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、綜合自動(dòng)化、非線性系統(tǒng)理論、模式識(shí)別與人工智能、智能控制等。

自動(dòng)控制簡(jiǎn)史漫談與啟示目前，控制理論與實(shí)踐正以“大系控制理論的性質(zhì)系統(tǒng)輸入－輸出的數(shù)學(xué)描述：系統(tǒng)性能的提高：反饋控制和基于反饋的串聯(lián)校正復(fù)雜系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性傳遞函數(shù)R(S)E(S)N(S)Y(S)GC(S)H(S)G(S)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能控制理論的性質(zhì)系統(tǒng)輸入－輸出的數(shù)學(xué)描述：復(fù)雜系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)控制理論的性質(zhì)性能指標(biāo)在一段時(shí)間上的所需性能和實(shí)際性能的差異的性能指標(biāo),控制的目標(biāo)是尋找一個(gè)使性能指標(biāo)為最小的時(shí)間函數(shù)的控制.時(shí)間最小燃料最小性能指標(biāo)的多樣性

控制理論的性質(zhì)性能指標(biāo)在一段時(shí)間上的所需性能和實(shí)際性能的控制理論的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完全的描述:狀態(tài)空間表達(dá)式能控性,能觀性,狀態(tài)實(shí)現(xiàn),線性二次型最優(yōu)控制成為整個(gè)控制理論發(fā)展的概念基礎(chǔ)20世紀(jì)50年代到60年代極大值原理,動(dòng)態(tài)規(guī)劃,維納和卡爾曼濾波計(jì)算機(jī)的發(fā)展控制理論的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完全的描述:狀態(tài)空間表達(dá)式20世現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用宇宙飛船電力系統(tǒng)(發(fā)電和用戶)(生產(chǎn)管理控制問(wèn)題）高性能飛機(jī)(F16,蘇27-蘇30)廣泛應(yīng)用:現(xiàn)代化儀表(完備的傳感器和執(zhí)行器)與便宜的電子硬件和控制理論處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的能力各種運(yùn)動(dòng)控制卡,模塊化的傳感器,各種處理芯片(無(wú)線通訊模塊,光電碼盤,雷達(dá))現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用宇宙飛船電力系統(tǒng)(發(fā)電和用戶)(生產(chǎn)管理1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式其數(shù)學(xué)描述就是反映系統(tǒng)變量間因果關(guān)系和變換的一種數(shù)學(xué)模型（時(shí)域）狀態(tài)空間表達(dá)式1-1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)變量完全表征系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),具有最小個(gè)數(shù)的一組變量.例如：要表示一維受力運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng).位置,速度,ma=F1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式其數(shù)學(xué)描述就是反映系統(tǒng)變量間因果1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式對(duì)于n階系統(tǒng),有n個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)變量.狀態(tài)變量的選擇不是唯一的.在平坦道路上行駛的汽車的狀態(tài)？1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式對(duì)于n階系統(tǒng),有n個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)變1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式以狀態(tài)變量為坐標(biāo)軸所構(gòu)成的n維空間,稱為狀態(tài)空間狀態(tài)矢量狀態(tài)空間狀態(tài)軌跡(helpplot3)1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式以狀態(tài)變量為坐標(biāo)軸所構(gòu)成的n維空1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)空間1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式由狀態(tài)變量x和輸入變量u的描述的一階微分方程組狀態(tài)變量x和輸出變量y的函數(shù)關(guān)系狀態(tài)方程在給定當(dāng)前狀態(tài)、激勵(lì)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程的條件下，狀態(tài)變量描述了系統(tǒng)的未來(lái)響應(yīng)輸入u(t)

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)x1,

x2,…,xnx(0)輸出y(t)

狀態(tài)x(t)

輸出部件+輸出方程1控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式由狀態(tài)變量x和輸入變量u的描述的1-1狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)方程和輸出方程的一般形式例1

質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)設(shè)mku(t)ymu(t)yfy’ky1-1狀態(tài)空間表達(dá)式狀態(tài)方程和輸出方程的一般形式例11-1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式給定：1-1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式給定：1-1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式RLC電路電容電壓和電感電流uc(t)u(t)RLi令1-1狀態(tài)變量及狀態(tài)空間表達(dá)式RLC電路電容電壓和電感電流1-1狀態(tài)空間表達(dá)式線性系統(tǒng)狀態(tài)方程和輸出方程的一般形式單輸入輸出線性定常系統(tǒng)b,為列向量c為行向量d為標(biāo)量狀態(tài)方程輸出方程1-1狀態(tài)空間表達(dá)式線性系統(tǒng)狀態(tài)方程和輸出方程的一般形式單1-1狀態(tài)空間表達(dá)式多輸入多輸出線性定常系統(tǒng)寫(xiě)出2輸入1輸出系統(tǒng)的B,C,D的一般形式1-1狀態(tài)空間表達(dá)式多輸入多輸出線性定常系統(tǒng)寫(xiě)出2輸入1輸1-1狀態(tài)空間表達(dá)式的系統(tǒng)框圖狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)信號(hào)傳遞的關(guān)系圖線性系統(tǒng)框圖(方塊圖)uACBDxy1-1狀態(tài)空間表達(dá)式的系統(tǒng)框圖狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)信號(hào)傳遞的1-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖模擬結(jié)構(gòu)圖:系統(tǒng)中各狀態(tài)變量之間的信息傳遞關(guān)系積分器、比例器、求和器1-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖模擬結(jié)構(gòu)圖:系統(tǒng)中各狀1-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖模擬結(jié)構(gòu)圖:系統(tǒng)中各狀態(tài)變量之間的信息傳遞關(guān)系uyb/mk./m11/m1-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖模擬結(jié)構(gòu)圖:系統(tǒng)中各狀1-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖練習(xí):寫(xiě)出矩陣形式,畫(huà)出下列系統(tǒng)的模擬結(jié)構(gòu)圖a11c1b1dx1yx2a12a22c2b2u1u21-2狀態(tài)空間表達(dá)式的模擬結(jié)構(gòu)圖練習(xí):寫(xiě)出矩陣形式,1-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)如何獲得狀態(tài)空間描述例1

質(zhì)量—彈簧—阻尼系統(tǒng)設(shè)物理系統(tǒng)的機(jī)理(電氣,機(jī)械,機(jī)電,氣動(dòng)等)系統(tǒng)傳遞函數(shù)或微分方程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)如何獲得狀態(tài)空間描述例11-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)狀態(tài)方程和輸出方程結(jié)構(gòu)框圖的基本元素1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)狀態(tài)方程和輸出方程結(jié)構(gòu)框圖1-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)圖uyk11-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)圖uyk11-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)子圖uyabuyxabux=y1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)子圖uyabuyxab1-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)圖uyk1x1x21-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)圖uyk1x1x21-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)狀態(tài)方程和輸出方程1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)狀態(tài)方程和輸出方程1-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題1uy5x1x221-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題1uy5x1x21-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)框圖的基本元素uyxyu1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)結(jié)構(gòu)框圖的基本元素uyxy1-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題2x2uy5x12y2u21-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題2x2uy5x11-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題2x2uy5x12y2u21-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)課堂練習(xí)題2x2uy5x11-3

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)由系統(tǒng)機(jī)理建立狀態(tài)空間描述：電網(wǎng)絡(luò)和力與機(jī)械運(yùn)動(dòng)電路圖:獨(dú)立的儲(chǔ)能元件個(gè)數(shù)=狀態(tài)變量的個(gè)數(shù);電容上的電壓和電感中的電流為狀態(tài)變量1-3狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(1)由系統(tǒng)機(jī)理建立狀態(tài)空間描述1-４

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)輸入－輸出描述狀態(tài)空間描述狀態(tài)空間表達(dá)式1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)輸入－輸出描述狀態(tài)空1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題：非唯一的傳遞函數(shù)中沒(méi)有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)令:1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題：非唯一的傳遞1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中沒(méi)有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中沒(méi)有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)系1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中沒(méi)有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)b0uy1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中沒(méi)有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)b1-4

狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(2)狀態(tài)方程b11-4狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(2)狀態(tài)方程b11-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)寫(xiě)成矩陣形式例題：1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)寫(xiě)成矩陣形式例題：1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)寫(xiě)成矩陣形式例題：1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)寫(xiě)成矩陣形式例題：1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)課堂提問(wèn)寫(xiě)出下列系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)課堂提問(wèn)寫(xiě)出下列系統(tǒng)的狀態(tài)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)uy1y直接設(shè)置，x1=y,x2=dy/dt,….直接設(shè)置，在狀態(tài)方程中會(huì)帶來(lái)輸入項(xiàng)的導(dǎo)數(shù)．?1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)uy1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)uy1y1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)uy1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)矩陣形式1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)矩陣1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另一種形式uy矩陣形式p261-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另一種形式矩陣形式p191-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另一種形式1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)傳遞函數(shù)中有零點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)的另1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)例題求如下系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式uy1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)例題求如下系統(tǒng)的狀態(tài)空間1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)例題求如下系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式uy1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)例題求如下系統(tǒng)的狀態(tài)空間1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為對(duì)角型的實(shí)現(xiàn)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為對(duì)角型的實(shí)現(xiàn)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為約當(dāng)型的實(shí)現(xiàn)u1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為約當(dāng)型的實(shí)現(xiàn)u1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為約當(dāng)型的實(shí)現(xiàn)1-４狀態(tài)空間表達(dá)式的建立(２)A為約當(dāng)型的實(shí)現(xiàn)1-5

狀態(tài)向量的線性變換線性變換不同狀態(tài)向量之間關(guān)系?1-5狀態(tài)向量的線性變換線性變換不同狀態(tài)向量之間關(guān)系?1-5

狀態(tài)向量的線性變換線性變換不同狀態(tài)向量之間關(guān)系1-5狀態(tài)向量的線性變換線性變換不同狀態(tài)向量之間關(guān)系1-5

狀態(tài)向量的線性變換線性變換計(jì)算T=[];A=[];B=[];C=[];A1=inv(T)*A*T;Matlab的實(shí)現(xiàn)

B1=inv(T)B;C1=C*T;1-5狀態(tài)向量的線性變換線性變換計(jì)算T=[];A=[];B1-5

狀態(tài)向量的線性變換例題１-８求下列系統(tǒng)的線性變換后的狀態(tài)空間表達(dá)式1-5狀態(tài)向量的線性變換例題１-８求下列系統(tǒng)的線性變換1-5

狀態(tài)向量的線性變換系統(tǒng)的特征值及系統(tǒng)的不變性量系統(tǒng)的特征值特征方程的根會(huì)變化嗎？1-5狀態(tài)向量的線性變換系統(tǒng)的特征值及系統(tǒng)的不變性量系統(tǒng)的1-5

狀態(tài)向量的線性變換系統(tǒng)特征值的不變性特征多項(xiàng)式系統(tǒng)的特征值不變系統(tǒng)的特征向量為特征值對(duì)應(yīng)的特征向量1-5狀態(tài)向量的線性變換系統(tǒng)特征值的不變性特征多項(xiàng)式系統(tǒng)的內(nèi)容小結(jié)狀態(tài)空間表達(dá)式非奇異線性變換（P489）狀態(tài)空間表達(dá)式1結(jié)構(gòu)圖微分方程傳遞函數(shù)電路圖狀態(tài)空間表達(dá)式能控型狀態(tài)空間表達(dá)式約當(dāng)型特征值相等特征值相等傳遞函數(shù)陣內(nèi)容小結(jié)狀態(tài)空間表達(dá)式非奇異線性變換1-5

狀態(tài)向量的線性變換特征值及特征向量的計(jì)算特征值特征向量特征值-1對(duì)應(yīng)的特征向量為同理可得-2p12=p221-5狀態(tài)向量的線性變換特征值及特征向量的計(jì)算特征值特征向1-5

狀態(tài)向量的線性變換(P489)狀態(tài)空間的約旦標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)線性變換1-5狀態(tài)向量的線性變換(P489)狀態(tài)空間的約旦標(biāo)準(zhǔn)型系1-5

狀態(tài)向量的線性變換1特征值無(wú)重根時(shí)的對(duì)角型結(jié)論證明:問(wèn)題是如何選擇變換陣T1-5狀態(tài)向量的線性變換1特征值無(wú)重根時(shí)的對(duì)角型結(jié)論證明1-5

狀態(tài)向量的線性變換1-5狀態(tài)向量的線性變換1-5

狀態(tài)向量的線性變換特征值例題可驗(yàn)證結(jié)論inv(T)*A*T1-5狀態(tài)向量的線性變換特征值例題可驗(yàn)證結(jié)論inv(T)1-5

狀態(tài)向量的線性變換可得結(jié)論:當(dāng)系統(tǒng)的特征值無(wú)重根時(shí),可選擇變換陣T=[p1,p2,…,pn],x=Tz,使系統(tǒng)陣化成對(duì)角陣.1-5狀態(tài)向量的線性變換可得結(jié)論:當(dāng)系統(tǒng)的特征值無(wú)重根時(shí)1-5

狀態(tài)向量的線性變換重要的結(jié)論(P490)A陣為友矩陣A的特征根無(wú)重根1-5狀態(tài)向量的線性變換重要的結(jié)論(P490)A陣為友矩1-5

狀態(tài)向量的線性變換1特征值有重根時(shí)廣義特征向量結(jié)論n階系統(tǒng)，q個(gè)重根只有一個(gè)獨(dú)立的特征向量1-5狀態(tài)向量的線性變換1特征值有重根時(shí)廣義特征向量結(jié)論1-5

狀態(tài)向量的線性變換例題1.11化成約旦標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)論:T可使系統(tǒng)化成約旦型.1-5狀態(tài)向量的線性變換例題1.11