2005.于长官.现代控制理论及应用
《现代控制理论》课件
目录
• 引言 • 线性系统理论 • 非线性系统理论 • 最优控制理论 • 自适应控制理论 • 鲁棒控制理论
01
引言
什么是现代控制理论
现代控制理论是一门研究动态系统控制的学科，它利用数学模型和优化方法来分析 和设计控制系统的性能。
它涵盖了线性系统、非线性系统、多变量系统、分布参数系统等多种复杂系统的控 制问题。
20世纪60年代
线性系统理论和最优控制理论得到发展，为现代控制理论的建立奠定 了基础。
20世纪70年代
非线性系统理论和自适应控制理论逐渐发展起来，进一步丰富了现代 控制理论的应用范围。
20世纪80年代至今
现代控制理论在智能控制、鲁棒控制、预测控制等领域取得了重要进 展，为解决复杂系统的控制问题提供了更有效的工具。
01
利用深度学习算法对系统进行建模和学习，实现更高
效和智能的自适应控制。
多变量自适应控制
02 研究多变量系统的自适应控制方法，以提高系统的全
局性能。
非线性自适应控制
03
发展非线性系统的自适应控制方法，以处理更复杂的
控制系统。
06
鲁棒控制理论
鲁棒控制的基本概念
鲁棒控制是一种设计方法，旨在 提高系统的稳定性和性能，使其 在存在不确定性和扰动的情况下
自适应逆控制
一种基于系统逆动态特性的自适应控制方法，通过对系统 逆动态特性的学习和控制，实现系统的自适应控制。
自适应控制系统设计
系统建模
建立被控对象的数学模型，包括线性系统和非线性系统。
控制器设计
根据系统模型和性能指标，设计自适应控制器，包括线性自适应控制器和 非线性自适应控制器。
参数调整
根据系统运行状态和环境变化，调整控制器参数，以实现最优的控制效果 。
现代控制理论第一章 ppt课件
1889-1976
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
美国1905-1982
Bode was an American engineer, researcher, inventor, author and scientist,
of Dutch ancestry.
As a pioneer of modern control theory and electronic
telecommunications he revolutionized both the content and methodology of his chosen fields of research.
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
1948年，维纳发表《控制论》，宣告了这门新兴学 科的诞生。这是他长期艰苦努力并与生理学家罗森 勃吕特等人多方面合作的伟大科学成果。
1964年1月，他由于“在纯粹数学和应用数学方面并 且勇于深入到工程和生物科学中去的多种令人惊异的 贡献及在这些领域中具有深远意义的开创性工作”荣 获美国总统授予的国家科学勋章。
1.1 控制理论的发展历程
维纳，Norbert Wienner
第一章，牛顿时间和柏格森时间 第二章，群和统计力学 第三章，时间序列、信息与通讯 第四章，反馈与振荡 第五章，计算机与神经系统 第六章，完形与普遍观念 第七章，控制论和精神病理学 第八章，信息、语言和社会 第九章，关于学习和自生殖机 第十章，脑电波与自行组织系统
1.1 控制理论的发展历程
伯德，Hendrik Wade Bode
现代控制理论课件_于长官
t
t0
x0
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B
u
d
,
t t0,
上式说明:线性系统的运动由两部分构成,第一部分
为起始状态的转移项,第二部分为控制作用下的受控 项.
上述解公式在线性定常系统时可以给予证明.
§3.4 线性离散系统的状态空间描述
线性时变离散系统的状态空间模型如下:
第二章：状态方程和输出方程
§2. 1 系统状态空间描述的概念
• 例: RLC网络
• 系统的状态空间模型:
线性连续定常系统的状态空间模型为
x Ax Bu
y C x Du
其中 u Rr 为输入向量; y R m为输出向量; x R n 为状态向量. A, B, C, D为恰当维数的实矩阵.
第三章：系统的运动与离散化
§3.1 矩阵指数概念
系统的运动: 系统动态方程的解. 一, 线性系统的自由运动 先考察一般线性时变系统的自由运动
xt Atxt, t t0,
该自由运动的解可表示为
xt t t0 xt0 , t t0, t t0 Rnn 称为系统的状态转移矩阵.
Cayley-Hamilton定理: 设 A Rnn 的特征多项式为
f
I
A
n
a n1 n1
a1
a0
则有 f A An an1 An1 a1 A a0 I 0
Cayley-Hamilton定理说明矩阵 A Rnn 的 n 次或超
对同一个系统,不同的状态变量之间存在着线性 变换关系,这相当于在(1)中做状态变量的可逆线性
现代控制理论在工业中的应用
现代控制理论在工业中的应用现代控制理论及其应用现代控制理论是在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。
与传统的比例、积分、微分控制(PID)不同，先进控制通常是一种基于模型的控制策略，如模型预测控制。
目前，专家控制、神经网络和模糊控制等智能控制技术正成：为先进控制的一个重要发展方向。
先进控制通常用于处理复杂的多变量过程控制问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量与控制变量存在着各种约束等。
先进控制是建立在常规单回路控制之上的动态协调约束控制，可使控制系统适应实际工业生产过程动态特性和操作要求。
先进控制的实时需要足够的计算功能作为支持。
现代控制理论及应用
现代控制理论及应用李嗣福教授、博士生导师中国科学技术大学自动化系一、现代控制理论及应用发展简介1. 控制理论及应用发展概况2. 自动控制系统和自动控制理论以单容水槽水位控制和电加热器温度控制为例说明什么是自动控制、控制律（或控制策略）、自动控制系统以及自动控制系统组成结构和自动控制理论所研究的内容。
2.1自动控制：利用自动化仪表实现人的预期控制目标。
2.2自动控制系统及其组成结构自动控制系统：指为实现自动控制目标由自动化仪表与被控对象所联接成闭环系统。
自动控制系统组成结构：是由被控对象、测量代表、控制器或调节器和执行器构成反馈闭环结构，其形式有单回路形式和串级双回路形式。
控制系统性能指标：定性的有稳（定性）、准（确性）、快（速性）。
控制律（或控制策略、控制算法）：控制系统中控制器或调节器所采用的控制策略，即用系统偏差量如何确定控制量的数学表示式。
2.3自动控制系统类型主要有：按系统参数输入信号形式分：定值控制系统或调节系统和随动系统。
按系统结构形式分：前馈控制系统（即开环系统）和反馈控制系统以及复合控制系统；按系统中被控对象的控制输入量数目和被控输出量数目分：单变量控制系统和多变量控制系统；按被控对象特性分：线性控制系统和非线性控制系统；按系统中的信号形式分：模拟（或时间连续）控制系统、数字（或时间离散）控制系统以及混合控制系统。
2.4自动控制理论：研究自动控制系统分析与综合设计的理论和方法。
3. 古典（传统）控制理论：采用数学变换方法（即拉普拉斯变换和富里叶变换）按照系统输出量与输入量之间的数学关系（即系统外部特性）研究控制系统分析和综合设计问题。
具体方法有：根轨迹法；频率响应法。
主要特点：理论方法的物理概念清晰，易于理解；设计出控制律一般较简单，易于仪表实现主要缺点：① 设计需要凭经验试凑，设计结果与设计经验关系很大； ② 系统分析和设计只着眼于系统外部特性；③一般只能处理单变量系统分析和设计问题，而不能处理复杂的多变量系统分析和设计。
现代控制理论及其在工程中的应用
现代控制理论及其在工程中的应用现代控制理论是指以数学和理论为基础的系统控制方法和技术，它通过对系统的建模、分析和设计，使得工程系统能够以最佳方式运行。
现代控制理论的应用广泛，可以涵盖从自动化工程到航空航天工程等各个领域。
本文将探讨现代控制理论的基本原理以及它在工程中的实际应用。
一、现代控制理论基本原理现代控制理论的基本原理包括控制系统原理、线性控制理论、非线性控制理论、自适应和鲁棒控制等。
在控制系统原理中，主要研究控制系统的基本概念和结构，包括反馈控制、前馈控制等。
线性控制理论主要用于研究线性控制系统的建模和设计方法，其中包括经典控制理论和现代控制理论。
非线性控制理论则是用于研究非线性系统的建模和分析方法，它考虑了系统中的非线性因素。
自适应和鲁棒控制则是用于处理控制系统中的不确定性和变化环境的方法。
二、现代控制理论在工程中的应用1. 自动化工程现代控制理论在自动化工程中得到了广泛的应用。
例如，在工业生产中，通过引入现代控制理论，可以提高生产效率和质量。
自适应和鲁棒控制方法可以应对系统参数变化和外部干扰，使得系统能够更加稳定地运行。
另外，在自动化系统中，控制器的设计对系统性能至关重要，通过利用现代控制理论的方法，可以设计出更优秀的控制器，提高系统的响应速度和稳定性。
2. 电力工程在电力工程中，现代控制理论被广泛应用于电力系统的运行和控制中。
例如，在电力系统的稳定性分析中，线性控制理论可以用于建立电力系统的传输方程，从而评估系统的稳定性。
另外，在电力系统的控制中，现代控制理论的方法可以用于设计和优化发电机、变压器等设备的控制系统，提高电力系统的响应能力和稳定性。
3. 交通工程现代控制理论在交通工程中的应用也非常广泛。
例如，在交通信号控制中，现代控制理论可以用于对交通流进行建模和预测，从而在不同的交通状况下，自动调整交通信号的控制策略，使得交通流能够更加顺畅地运行。
另外，在交通系统中，现代控制理论的方法也可以用于设计和优化交通系统的控制器，提高交通系统的效率和安全性。
现代控制理论pdf
现代控制理论pdf
1 现代控制理论
现代控制理论是一种控制策略，主要针对复杂系统而设计。
它将
传统的算法和最新的技术结合在一起，旨在实现平衡及对系统即时控制、自行调节。
简而言之，现代控制理论是一种使复杂系统更稳定更
健壮的以自适应为主的控制理论系统，该理论以创新的参数估计和变
化条件的识别而着称。
现代控制理论的基本原理是系统的全局预测，通过分析所有可能
的变化，对系统作出及时的反应和控制，以达到系统的最佳性能。
此外，现代控制理论更注重对系统的实时调节和迭代，以达到更高精度
的控制。
在系统变更和失效时，可以使用现代控制理论进行快速调节，以快速恢复系统性能。
数字控制系统是现代控制理论大部分应用于实践中的主要形式。
这种系统使用算法来跟踪系统状态，并使系统按照计划行动；同时，
它也允许实时调节以保持系统的预期性能。
实践中，该系统被广泛应
用于汽车、机器人和工业控制系统中。
另外，现代控制理论还使用多种优化算法，如模拟退火、遗传算
法等，以确定系统参数，使系统更自动化和准确。
现代控制理论也会
联合智能控制方法，有利于实现更复杂的控制效果，尽可能减少失常，从而实现系统的智能化运行。
综上所述，现代控制理论充分利用最新技术和自适应元素，为系统提供更可靠的稳定性，可以有效解决复杂系统的稳定性和可靠性等问题，是当前国际上先进的控制理论之一。
现代控制理论与应用
现代控制理论与应用自从20世纪初现代控制理论被提出以来，这个学科领域便迅速获得了广泛的认可与发展。
有别于前几个世纪的传统控制理论，现代控制理论强调利用数学模型和科技手段，优化系统的控制效果。
这个理论在许多工业和科技领域中都得到了应用，如机器人、汽车、飞机、通信、自动化等行业中，控制系统的发展和应用是现代科技的关键之一。
在现代控制理论的发展中，传统控制理论的第一个问题解决了，即如何建立合适的数学模型来描述过程系统。
现代控制理论包括三个重要的部分：状态空间表示、频率域表示和优化控制。
在状态空间表示中，系统的状态以一个或多个状态变量的形式来描述。
状态方程和输出方程可以用来计算控制系统的行为。
这种描述方式提供了区分系统行为的一些基本特征。
在频率域表示中，使用传递函数和相关的频率域分析技术来描述系统的行为。
这种方法很实用，因为它可以很容易地分析复杂和非线性系统，并通过控制系统的系统响应来进行精确的设计。
在优化控制中，可以使用现代优化方法来确定最优的控制策略。
这种方法通常包括使用数值方法来解决通常涉及很多未知因素的优化问题。
这有助于找到对控制系统的要求最小的控制方案。
现代控制理论不仅提高了控制系统的性能，而且能够解决更复杂和非线性的系统。
同时，这个理论也为控制领域的应用提供了新的思路和方法。
现代控制理论的成功应用很大程度上得益于计算机技术的快速发展。
现代控制理论的方法和算法可以用来设计和优化系统性能，不仅提高系统的可靠性，而且提高了系统的效率和精确性。
在现代技术领域，控制系统是很多应用的重要组成部分。
例如，机器人技术中的控制系统可以让机器人在不同的环境中自由移动和执行不同的任务。
汽车工业中使用的反馈控制和故障诊断系统可以让汽车更安全、更智能地行驶。
此外，控制系统还广泛应用于航空业中的飞行控制、天文学领域中的天文望远镜、信息领域中的数字信号处理和通信控制等各个领域。
控制系统的应用已经深入到现代技术和社会的各个角落中，为人类的生活带来了巨大的便利和利益。