课程详细介绍

在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。现代控制理论的名称是在1960年以后开始出现的，用以区别当时已经相当成熟并在后来被称为经典控制理论的那些方法。现代控制理论已在航空航天技术、军事技术、通信系统、生产过程等方面得到广泛的应用。现代控制理论的某些概念和方法，还被应用于人口控制、交通管理、生态系统、经济系统等的研究中。

现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划，并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论，因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。

现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。

线性系统理论是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆；基于抽象代数方法的代数理论，代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。

非线性系统的分析和综合理论尚不完善，非线性系统理论研究领域主要局限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。

最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在预定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。

随机控制理论的目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。维纳滤波理论和卡尔曼-布什滤波理论是随机控制理论的基础之一。随机控制理论的一个主要组成部分是随机最优控制，这类随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。

适应控制理论是在模仿生物适应能力的思想基础上建立的一类可自动调整本身特性的控制系统理论。适应控制系统的研究常可归结为如下的三个基本问题：①识别受控对象的动态特性；②在识别对象的基础上选择决策；③在决策的基础上做出反应或动作。

自动化本科专业开设的现代控制理论主要内容包括：

绪论、系统的状态空间描述、控制系统的运动与离散化、线性系统的能控性和能观测性分析、李亚普诺夫稳定性分析、状态反馈与状态观测器。

本课程在本科专业基础课程自动控制原理和高等工程数学教学的基础上，从基础性、系统性和实用性出发，利用现代化教学手段，通过多媒体课件教学，提高教学质量和教学效果，提高学生系统分析与设计的能力和综合运用所学知识的能力。全面系统地讲授现代控制理论和工程的基本原理和方法，既注重基本概念的阐述，也注意现代科技最新发展的介绍，及时把最新科研成果纳入教学内容，同时不断用学术研究成果来充实课堂教学，讲授专题，以保证教学内容的先进性，拓展知识面，使学生全面掌握控制系统的系统表示、系统分析、系统设计和最优控制四个方面的理论知识。

本课程教学的主要特点是：1、突出理论与实践紧密结合，与传统的现代控制理论讲授的体系不同，在理论课中穿插实践课，随课程进展设立针对性的实验项目。2、培养创造性思维，课程以讲授为主、自学为辅，开展课堂讨论、实践设计等学习研究结合的“研究型”教学模式，培养学生文献调研、实验设计、分析问题和解决问题的综合能力与素质方面。3、讲深讲透教学内容，讲课中紧密与现代科技发展相关联，结合最新科技应用实例讲解，激发学生的学习热情，加强对学生综合能力的培养。4、课程教学管理规范，教学要求严格，教学方式多样，教育技术现代化，体现现代教育思想，在教学过程中结合各种反馈信息，调整教学进度和教学方式，提高教学质量。因此，本课程较好地体现了教育实践性、先进性和前沿性的特点。