现代控制理论的发展史

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现代控制理论
现代控制理论以多变量控 最优控制为主要内容， 制、最优控制为主要内容， 采用时域法，以状态方程 采用时域法， 为数学模型。数学工具： 为数学模型。数学工具： 线性代数， 线性代数， 泛函分析
经典控制理论
• 经典控制理论，以单变量控制，随动/ 调节为主要内容，以微分方程和传递 函数为数学模型，所用的方法主要以 频率响应法为主。数学工具： 微分方 程， 复变函数
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人才培养： 人才培养：多学 科交叉、 科交养宽口径、多 面手、 面手、复合型人 才
我国控制理论的教学
–1949. 上海交大 张钟俊 伺服系统 1949. – 1950 清华大学 钟士模 自动调节原理 – 50－60年代 随动系统，自动调节原理 － 年代 随动系统， – 70年代末－80年代 现代控制理论，最优控制 ，自适 年代末－ 年代 现代控制理论， 年代末 应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（ 应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（运筹 ），鲁棒控制 学），鲁棒控制 – 90年代 模糊控制， 智能控制，系统集成 年代 模糊控制， 智能控制， – 新世纪 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统－－信 网络技术，生物信息技术，嵌入式系统－－信 －－ 息自动化 要求： 要求：厚基础 宽口径 学科交叉 科学思维方法 勇于实践和探索
目前的发展趋势
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突出含机、 突出含机、电、 计算机、 计算机、通信网 络的大系统、 络的大系统、复 杂系统与人机交 互系统的集成； 互系统的集成；
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控制论的根本是 信息的控制， 信息的控制， 包 括模型的建立 数学特征）， （数学特征）， 信息的处理（ 信息的处理（计 算机微电子技术） 算机微电子技术） 与实体的控制 领域知识， （领域知识，工 程特征） 程特征）
第一阶段： 第一阶段：经典控制理论
19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期， 1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从 理 论 上 给 出 了 它 的 稳 定 性 条 件 。 1877 年 劳 斯 （E.J.Routh）,1895年霍尔维茨（A.Hurwitz）分别独立 给出了高阶线性系统的稳定性判据；另一方面，1892年， 李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定 性判据。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii） 也用一种正规的数学理论描述了这种理论。 1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统 的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。 1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols) 又给出了PID控制器的最优参数整定法。上述方法基本上 是时域方法。
第三阶段： 第三阶段：大系统控制
20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。 如 （1）现代频域方法，该方法以传递函数矩阵为数学模型， 研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数 估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨 识基础上在线确定最优控制规律； （3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性 能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的 不确定性； （4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在 预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理 多变量系统。
控制理论发展的历史,现状及前景 控制理论发展的历史 现状及前景
3 1 后现代控制理论 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调 节为主要内容， 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型， 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 主要方法。数学工具： 微分方程， 微分方程，复变函数 大系统、 大系统、 智能控制 ；以 网络、通讯、 网络、通讯、人机交互为 代表的信息自动化 集成 的理论与技术。 的理论与技术。
第一阶段： 第一阶段：经典控制理论
(一)、经典控制理论阶段 闭环的自动控制装置的应用，可以追溯到1788年 瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。然而最终形成 完整的自动控制理论体系，是在20世纪40年代末。 最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年到 1年中使用的浮子调节器。凯特斯比斯（Kitesibbios）在 油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。
第二阶段： 第二阶段：现代控制理论
20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上， 形成了所谓的“现代控制理论” 。 为现代控制理论的状态空间法的建立作出贡献的有， 1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论，1956年庞特 里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理，和1960年卡尔曼 （R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。 频域分析法在二战后持续占着主导地位，特别是拉 普拉斯变换和傅里叶变换的发展。在20世纪50年代，控 制工程的发展的重点是复平面和根轨迹的发展。进而在 20世纪80年代，数字计算机在控制系统中的使用变得普 遍起来，这些新控制部件的使用使得控制精确、快速。
第一阶段： 第一阶段：经典控制理论
1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了负反馈系统的频 率域稳定性判据，这种方法只需利用频率响应的实验数 据。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方 法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。1943年， 霍尔(A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）和方框图，把 通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起 来，人们称此方法为复域方法。 频域分析法主要用于描 述反馈放大器的带宽和其他频域指标。 第二次世界大战结束时，经典控制技术和理论基本 建立。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于 经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时 域性能变化之间的关系。至此,复数域与频率域的方法进 一步完善。
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现代控制理论
现代控制理论以多变量控 最优控制为主要内容， 制、最优控制为主要内容， 采用时域法，以状态方程 采用时域法， 为数学模型。数学工具： 为数学模型。数学工具： 线性代数， 线性代数， 泛函分析
现代控制理论、 现代控制理论、后现代控制理论
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现代控制理论
60年代初形成并迅速发展起来的 现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动 控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、 快速响应、低消耗、低代价的控制系统；被控制对象越来越大型、复 杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化
第二节 自动控制理论的发展
控制理论发展的历史,现状及前景 控制理论发展的历史 现状及前景
3 1 后现代控制理论 经典控制理论
以单变量控制，随动/ 以单变量控制，随动/调 节为主要内容， 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型， 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 主要方法。数学工具： 微分方程， 微分方程，复变函数 大系统、 大系统、 智能控制 ；以 网络、通讯、 网络、通讯、人机交互为 代表的信息自动化 集成 的理论与技术。 的理论与技术。
第四阶段： 第四阶段：智能控制
智能控制的指导思想是依据人的思维方式和处 理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能 解决的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现 为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感 器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信 息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。 而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以 辨识。 试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的 对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络 控制，专家控制等方法。
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后现代控制理论
80年代以后，控制理论向广度与深度发展 大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统 理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运 筹学等相结合的数学方法。 智能控制 是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最 典型的是智能机器人， 智能主体等。 21世纪 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。
第一阶段： 第一阶段：经典控制理论
总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以 总结 传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分 析设计，比求解微分方程简便。 优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清 晰，得到广泛的工程应用。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状 态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不 到精确的结果。