现代控制理论知识点汇总
现代控制理论总结82页文档
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
现代控制理论复习要点
现代控制理论复习要点第二章控制系统的状态空间描述小结一、建模：状态空间描述（现代控制：内部描述）1、对象：① 线性时不变系统；② 离散时间系统；③ 时变系统；④ 非线性系统。
2、模型形式（状态空间表达式）：① 一阶微分方程组（一阶差分方程组）；② 向量-矩阵形式；③ 系统方框图；④ 状态变量图。
3.方法（途径）：①（已知）系统机理→（求）状态空间表达式；②（已知）输入输出描述（经典控制：外部描述）→实现问题（求）状态空间表达式（现代控制：内部描述）a 、（已知）方块图→（求）状态空间表达式；方块图→无零点惯性环节有零点惯性环节二阶振荡环节状态变量图→将积分器的输出作为状态变量状态空间描述b 、（已知）传递函数阵/高阶微分方程（脉冲传递函数阵/高阶差分方程）→（求）状态空间表达式))a b 无零点实现：能控标准型、能观标准型直接分解法：能控标准型、能观标准型最小实现有零点实现串联分解法(串联实现)并联分解法（并联实现或约旦标准型实现）：无重极点;有重极点二、状态变量的线性变换1、系统状态空间表达式的非唯一性2、系统的不变性① 特征值不变性/特征多项式系数（特征方程）不变性；② 传递函数矩阵不变性；③ 系统的能控性与能观性不变性。
3、状态空间表达式→约旦标准型三、状态空间表达式（现代控制：内部描述）→传递函数阵（经典控制：外部描述）1. 已知()()()()()()()()()()x t A t x t B t u t y t C t x t D t u t =+= ＋，求传递函数1()()()adj s s G s s s --+-=-+=-C I A B D I AC I A BD I A四、组合系统1．（已知）若干子系统的并联、串联、输出反馈联结→（求）状态空间描述或传递函数阵第三章状态方程的解小结一、求状态方程的解1、对象：线性系统① 连续时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）② 离散时间系统：定常（齐次、非齐次）、时变（齐次、非齐次）2、解的形式如线性时变连续时间系统非齐次（对象）状态方程的解为：000()(,)()(,)()()t t x t t t x t t B u d ττττ=Φ+Φ?3、求解的关键求解状态方程的关键是求出状态转移矩阵0(,)t t Φ（重点和难点）；① 掌握状态转移矩阵的1）定义；2)基本性质；3)如何求；② 注意状态转移矩阵与矩阵指数的区别与相同点；③ 线性定常（时不变）连续时间系统状态转移矩阵（矩阵指数）的求法。
现代控制理论基础复习重点
现代控制理论基础复习重点
《现代控制理论基础》复习重点
第一章：
1.由微分方程、传递函数、简易RLC无源网络、简易结构图模型建
立状态空间描述模型；
2.特征多项式、特征方程、特征向量、非线性变换的计算；
3.由状态空间描述计算传递函数矩阵。
第二章：
1.状态转移矩阵计算；
2.零输入解的计算；
3.零状态解的计算；
4.线性定常系统的离散化。
第三章：
1.能控性判别计算及按能控性结构分解；
2.能观测性判别计算及按能观测性结构分解；
3.实现及最小实现的计算。
第四章：
1.李雅普诺夫第一法的应用；
2.李雅普诺夫第二法的在线性系统中的应用（连续、离散）；
3.李雅普诺夫第二法的在非线性系统中的应用。
第五章：
1.线性反馈基本结构；
2.极点配置算法的应用。
现代控制理论知识点汇总
现代控制理论知识点汇总Revised at 2 pm on December 25, 2020.第一章 控制系统的状态空间表达式１． 状态空间表达式 n 阶DuCx y Bu Ax x+=+= 1:⨯r u 1:⨯m y n n A ⨯: r n B ⨯: n m C ⨯:r m D ⨯:A 称为系统矩阵，描述系统内部状态之间的联系；Ｂ为输入（或控制）矩阵，表示输入对每个状态变量的作用情况；C 输出矩阵，表示输出与每个状态变量间的组成关系，Ｄ直接传递矩阵，表示输入对输出的直接传递关系。
２． 状态空间描述的特点①考虑了“输入－状态－输出”这一过程，它揭示了问题的本质，即输入引起了状态的变化，而状态决定了输出。
②状态方程和输出方程都是运动方程。
③状态变量个数等于系统包含的独立贮能元件的个数，n 阶系统有n 个状态变量可以选择。
④状态变量的选择不唯一。
⑤从便于控制系统的构成来说，把状态变量选为可测量或可观察的量更为合适。
⑥建立状态空间描述的步骤：a 选择状态变量；b 列写微分方程并化为状态变量的一阶微分方程组；c 将一阶微分方程组化为向量矩阵形式，即为状态空间描述。
⑦状态空间分析法是时域内的一种矩阵运算方法，特别适合于用计算机计算。
３． 模拟结构图（积分器 加法器 比例器）已知状态空间描述，绘制模拟结构图的步骤：积分器的数目应等于状态变量数，将他们画在适当的位置，每个积分器的输出表示相应的某个状态变量，然后根据状态空间表达式画出相应的加法器和比例器，最后用箭头将这些元件连接起来。
４． 状态空间表达式的建立① 由系统框图建立状态空间表达式：a 将各个环节（放大、积分、惯性等）变成相应的模拟结构图；b 每个积分器的输出选作i x ，输入则为i x；c 由模拟图写出状态方程和输出方程。
② 由系统的机理出发建立状态空间表达式：如电路系统。
通常选电容上的电压和电感上的电流作为状态变量。
利用KVL 和KCL 列微分方程，整理。
现代控制理论基础知识资料
最优估计理论的内容
参数估计法；（最小方差、最小二乘法） 状态估计法（卡尔曼滤波）
§ 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异
庞特里亚金 L.S.Pontryagin
4. 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens） 和麦克法仑（G.J.MacFarlane）研究了用于计算机辅助设计的 现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变 量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关 系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。
赫尔维茨（Hurwitz）
3.由于两次世界大战中军事 工业需要控制系统具有准确 跟踪与补偿能力，1932年奈 奎斯特（H.Nyquist）提出 了复数域内研究系统的频率 响应法，为具有高质量动态 品质和静态准确度的军用控 制系统提供了急需的分析工 具。
奈奎斯特
4.1948年伊文思（W.R.Ewans）提出了用图解方式研 究系统的根轨迹法。
1.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态空间法； 在1957年提出了基于动态规划的最优控制理论。
2.1959年匈牙利数学家卡尔曼（Kalman） 和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年 在控制系统的研究中成功地应用了状态 空间法，并提出了可控性和可观测性的 新概念。
卡尔曼
3. 1961年庞特里亚金（俄国人）提出 了极小（大）值原理。
现代控制理论基础
Modern Control Theory
绪论
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展 § 1.2 现代控制理论的内容 § 1.3 现代控制理论与经典控制理论的差异 § 1.4 现代控制理论的应用
§ 1.1 现代控制理论的产生与发展
同学们，我们都知道：控制理论作为一门科 学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方 方面面。
现代控制理论总结
现代控制理论总结第一章：控制系统的状态空间表达式1、状态变量，状态空间与状态轨迹的概念：在描述系统运动的所有变量中，必定可以找到数目最少的一组变量，他们足以描述系统的全部运动，这组变量就称为系统的状态变量。
以状态变量X1,，X2，X3，……X n为坐标轴所构成的n维欧式空间（实数域上的向量空间）称为状态空间。
随着时间的推移，x（t）在状态空间中描绘出一条轨迹，称为状态轨迹。
2、状态空间表达式：状态方程和输出方程合起来构成对一个系统完整的动态描述，称为系统的状态空间表达式。
3、实现问题：由描述系统输入输出关系的运动方程或传递函数建立系统的状态空间表达式，这样的问题称为实现问题单入单出系统传函：W(s)=错误!未找到引用源。
，实现存在的条件是系统必须满足m<=n，否则是物理不可实现系统最小实现是在所有的实现形式中，其维数最低的实现。
即无零，极点对消的传函的实现。
三种常用最小实现：能控标准型实现，能观标准型实现，并联型实现（约旦型）4、能控标准型实现，能观标准型实现，并联型实现（约旦型）传函无零点错误!未找到引用源。
系统矩阵A的主对角线上方元素为1，最后一行元素是传函特征多项式系数的负值，其余元素为0，A为友矩阵。
控制矩阵b除最后一个元素是1，其他为0，矩阵A，b具有上述特点的状态空间表达式称为能控标准型。
将b与c矩阵元素互换，另输出矩阵c除第一个元素为1外其他为0，矩阵A，c具有上述特点的状态空间表达式称为能观标准型。
传函有零点见书p17页……..5、建立空间状态表达式的方法：①由结构图建立②有系统分析基里建立③由系统外部描述建立（传函）6、子系统在各种连接时的传函矩阵：设子系统1为子系统2为1）并联：另u1=u2=u，y=y1+y2的系统的状态空间表达式所以系统的传递函数矩阵为：2）串联：由u1=u，u2=y1，y=y2得系统的状态空间表达式为：W(S)=W2(S)W1(S)注意不能写反，应为矩阵乘法不满足交换律3）反馈：系统状态空间表达式：第二章：状态空间表达式的解：1、状态方程解的结构特征：线性系统的一个基本属性是满足叠加原理，把系统同时在初始状态错误!未找到引用源。
《现代控制理论》复习提纲()
现代控制理论复习提纲第一章：绪论（1）现代控制理论的根本内容包括：系统辨识、线性系统理论、最优控制、自适应控制、最优滤波（2）现代控制理论与经典控制理论的区别第二章：控制系统的状态空间描述1.状态空间的根本概念；系统、系统变量的组成、外部描述和内部描述、状态变量、状态向量、状态空间、状态方程、状态空间表达式、输出方程2.状态变量图概念、绘制步骤；3.由系统微分方程建立状态空间表达式的建立；第三章：线性控制系统的动态分析1.状态转移矩阵的性质及其计算方法〔1〕状态转移矩阵的根本定义；〔2〕几个特殊的矩阵指数；〔3〕状态转移矩阵的根本性质〔以课本上的5个为主〕；〔4〕状态转移矩阵的计算方法掌握：方法一：定义法方法二：拉普拉斯变换法例题2-2第四章：线性系统的能控性和能观测性（1）状态能控性的概念状态能控、系统能控、系统不完全能控、状态能达（2）线性定常连续系统的状态能控性判别包括;格拉姆矩阵判据、秩判据、约当标准型判据、PBH判据掌握秩判据、PBH判据的计算（3）状态能观测性的概念状态能观测、系统能观测、系统不能观测（4）线性定常连续系统的状态能观测性判别包括;格拉姆矩阵判据、秩判据、约当标准型判据、PBH判据掌握秩判据、PBH判据的计算（5）能控标准型和能观测标准型只有状态完全能控的系统才能变换成能控标准型，掌握能控标准I型和II型的只有状态完全能观测的系统才能变换成能控标准型，掌握能观测标准I型和II 型的计算方法第五章：控制系统的稳定性分析〔1〕平衡状态〔2〕李雅普诺夫稳定性定义：李雅普诺夫意义下的稳定概念、渐进稳定概念、大范围稳定概念、不稳定性概念（3）线性定常连续系统的稳定性分析例4-6第六章线性系统的综合（1）状态反应与输出反应（2）反应控制对能控性与观测性的影响复习题1. 、和统称为系统变量。
2. 系统的状态空间描述由和组成，又称为系统的动态方程。
3. 状态变量图是由、和构成的图形。
4. 计算1001A-⎡⎤=⎢⎥⎣⎦的矩阵指数Ate__________。
现代控制理论基础知识共61页
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
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第一章控制系统的状态空间表达式１．状态空间表达式 n 阶DuCx y Bu Ax x+=+= 1:⨯r u 1:⨯m y n n A ⨯: r n B ⨯: n m C ⨯:r m D ⨯:A 称为系统矩阵，描述系统内部状态之间的联系；Ｂ为输入（或控制）矩阵，表示输入对每个状态变量的作用情况；C 输出矩阵，表示输出与每个状态变量间的组成关系，Ｄ直接传递矩阵，表示输入对输出的直接传递关系。
２．状态空间描述的特点①考虑了“输入－状态－输出”这一过程，它揭示了问题的本质，即输入引起了状态的变化，而状态决定了输出。
②状态方程和输出方程都是运动方程。
③状态变量个数等于系统包含的独立贮能元件的个数，n 阶系统有n 个状态变量可以选择。
④状态变量的选择不唯一。
⑤从便于控制系统的构成来说，把状态变量选为可测量或可观察的量更为合适。
⑥建立状态空间描述的步骤：a 选择状态变量；b 列写微分方程并化为状态变量的一阶微分方程组；c 将一阶微分方程组化为向量矩阵形式，即为状态空间描述。
⑦状态空间分析法是时域内的一种矩阵运算方法，特别适合于用计算机计算。
３．模拟结构图（积分器 加法器 比例器）已知状态空间描述，绘制模拟结构图的步骤：积分器的数目应等于状态变量数，将他们画在适当的位置，每个积分器的输出表示相应的某个状态变量，然后根据状态空间表达式画出相应的加法器和比例器，最后用箭头将这些元件连接起来。
４．状态空间表达式的建立① 由系统框图建立状态空间表达式：a 将各个环节（放大、积分、惯性等）变成相应的模拟结构图；b 每个积分器的输出选作i x ，输入则为i x；c 由模拟图写出状态方程和输出方程。
② 由系统的机理出发建立状态空间表达式：如电路系统。
通常选电容上的电压和电感上的电流作为状态变量。
利用KVL 和KCL 列微分方程，整理。
③由描述系统的输入输出动态方程式（微分方程）或传递函数，建立系统的状态空间表达式，即实现问题。
实现是非唯一的。
方法：微分方程→系统函数→模拟结构图→状态空间表达式。
熟练使用梅森公式。
注意：a 如果系统函数分子幂次等于分母幂次，首先化成真分式形式，然后再继续其他工作。
b 模拟结构图的等效。
如前馈点等效移到综合反馈点之前。
p28 c 对多输入多输出微分方程的实现，也可以先画出模拟结构图。
5．状态矢量的线性变换。
也说明了状态空间表达的非唯一性。
不改变系统的特征值。
特征多项式的系数也是系统的不变量。
特征矢量i p 的求解：也就是求0)(=-x A I i λ的非零解。
状态空间表达式变换为约旦标准型（Ａ为任意矩阵）：主要是要先求出变换矩阵。
a 互异根时，各特征矢量按列排。
b 有重根时，设３阶系统，1λ＝2λ，3λ为单根，对特征矢量1p ，3p 求法与前面相同， 2p 称作1λ的广义特征矢量，应满足121)(p p A I -=-λ。
系统的并联实现：特征根互异；有重根。
方法：系统函数→部分分式展开→模拟结构图→状态空间表达式。
6．由状态空间表达式求传递函数阵)(s WD B A sI C s W ++-=-1)()( r m ⨯的矩阵函数［ij W ］ ij W 表示第j 个输入对第i 个输出的传递关系。
状态空间表达式不唯一，但系统的传递函数阵)(s W 是不变的。
子系统的并联、串联、反馈连接时，对应的状态空间表达及传递函数阵)(s W 。
方法：画出系统结构图，理清关系，用分块矩阵表示。
7．离散系统的状态空间表达式及实现（模拟结构图）Duk Cx k y Huk Gx k x +=+=+)()()()1(8．时变系统：四个矩阵是时间t 有关的。
非线性系统：各微分方程组的右端含有状态变量的非线性项。
利用泰勒级数可以线性化。
第二章 控制系统状态空间表达式的解一．线性定常系统齐次状态方程（Ax x= ）的解：0)(x e t x At = 二．矩阵指数函数——状态转移矩阵 1．Atet =)(φ表示)0(x 到)(t x 的转移。
5个基本性质。
2．Ate 的计算：a 定义；b 变换为约旦标准型 AT T J 1)(-=Λ或,11--Λ=T Te T Te e Jt t At 或c 用拉氏反变换])[(11---=A sI L eAt记忆常用的拉氏变换对2222212cos ;sin ;)(1;!;1;1;1)(1;1)(ωωωωωδ+↔+↔+↔↔+↔↔↔↔-+-s s t s t a s te s n t a s e s t s t t atn n at d 应用凯莱-哈密顿定理三．线性定常系统非齐次方程（Bu Ax x+= ）的解：τττφφd Bu t x t t x t)()()0()()(0⎰-+=。
可由拉氏变换法证明（当然给出拉氏变换法的求解思路）。
求解步骤：先求Ate t =)(φ，然后将B 和u(t)代入公式即可。
特殊激励下的解。
四．线性时变系统的解１．状态转移矩阵用),(0t t φ来表示。
２．),(0t t φ的计算：当)()()()(0t A d A d A t A tt tt ττττ⎰⎰=时，])(ex p[),(00ττφd A t t tt ⎰=；通常不等。
不满足乘法可交换条件时，一般采用级数近似法：+++=⎰⎰⎰010100000)()()(),(ττττττφτd d A A d A I t t t tt t t３．解为：ττττφφd u B t t x t t t x tt )()(),()(),()(000⎰+=五．离散时间系统状态方程的解（递推法和Z 变换法） １．递推法k G k =)(φ为状态转移矩阵；满足I k G k ==+)0();()1(φφφ解为，τφφτφφd j Hu j k x k k x d j Hu j k x k k x k j k j )()1()0()()()()1()0()()(110∑∑-=-=--+=--+=或直接计算kG k =)(φ有一定困难，可采用这样的步骤：先将原状态方程化为约旦标准型，求变换矩阵T ，)(~)(k x T k x =，再求出)(~k x ，再得到)(k x 。
当然k k Λ=)(~φ，1)(~)(-==T k T G k k φφ。
２．Z 变换法 公式不用记忆，现推最好。
)]()[()]0()[()(1111z Hu G zI Z zx G zI Z k x -----+-= ；可见k G k =)(φ＝11)[(---G zI Z z];计算)(k x 的用到的内容：部分分式展开（先除z 后乘z ）；ZT 对 0;111≥-=-↔-k az zaz a k六．连续时间状态空间表达式的离散化 １．定常系统的离散化a. Du Cx y Bu Ax x +=+= )()()()()()()()1(k Du k Cx k y k u T H k x T G k x +=+=+→ ATe T G =)(；B dt e T H T At ⋅=⎰0)(b.近似离散化 )()()()()()())1((k Du k Cx k y kT TBu kT x I TA T k x +=++=+ 即 TB T H I TA T G ≈+≈)(;)(２．时变系统的离散化 略第三章 线性控制系统的能控性和能观性一．能控性及能观性定义（线性连续定常、时变系统，离散时间系统） 二．线性定常系统的能控性判别（具有一般系统矩阵的多输入系统）判别方法（一）：通过线性变换 Bu Ax x+= Bu T ATz T z 11--+=→１．若A 的特征值互异，线性变换（Tz x =）为对角线标准型，AT T 1-=Λ，能控性充要条件：B T 1-没有全为０的行。
变换矩阵T 的求法。
２．若A 的特征值有相同的，线性变换（Tz x =）为约当标准型，AT T J 1-=，能控性充要条件：①对应于相同特征值的部分，每个约当块对应的B T1-中最后一行元素没有全为０的。
②B T 1-中对应于互异特征根部分，各行元素没有全为０的。
变换矩阵T 的求法。
这种方法能确定具体哪个状态不能控。
但线性变换比较复杂，关键是求T 、1-T 、B T1-。
判别方法（二）：直接从Ａ，Ｂ判别Bu Ax x+= 能控的充要条件是 能控性判别矩阵),,,(12B A B A AB B M n -= 的秩为n 。
在单输入系统中，M 是一个n n ⨯的方阵；而多输入系统，M 是一个nr n ⨯的矩阵，可通过)(TMM rank rankM = 三．线性定常系统的能观性判别判别方法（一）：通过线性变换 Cx y Ax x == →TCzy ATz T z==-1１．若A 的特征值互异，线性变换（Tz x =）为对角线标准型，AT T 1-=Λ，能观性充要条件：TC 中没有全为０的列。
变换矩阵T 的求法。
２．若A 的特征值有相同的，线性变换（Tz x =）为约当标准型，AT TJ 1-=，能控性充要条件：①对应于相同特征值的部分，每个约当块对应的TC 中第一列元素没有全为０的。
②对应于互异特征根部分，对应的TC 中各列元素没有全为０的。
变换矩阵T 的求法。
这种方法能确定具体哪个状态不能观。
但线性变换比较复杂，关键是求T 、1-T 、TC 。
判别方法（二）：直接从Ａ，C 判别能观性的充要条件是 能观性判别矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-1n CA CA C N 的秩为n 。
在单输入系统中，N 是一个n n ⨯的方阵；而多输入系统，N 是一个n nm ⨯的矩阵，可通过)(TMM rank rankM = 四．离散时间系统的能控性与能观性)()()()()()1(k Du k Cx k y k Hu k Gx k x +=+=+ 能控性充要条件),,,(12H G H G GH H M n -= 的秩为n 。
能控性充要条件⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-1n CG CG C N的秩为n 。
五．时变系统的能控性与能观性（与定常系统不同）１．u t B x t A x)()(+= 在],[0f t t 上状态能控的充要条件是格拉姆矩阵),(0f c t t W 非奇异。
dt t t t B t B t t t t W T T t t f c f),()()(),(),(0000φφ⎰= ),(0t t φ与),(0t t φ一样么？这种方法要求先计算出状态转移矩阵，如果无法写成闭解，则失去工程意义。
２．使用)()(t B t A 信息))(,),(),(()(21t B t B t B t Q n c =，其中)()(1t B t B =，)()()()(11t B t B t A t B i i i --+-= 如果存在某个时刻0>f t ，使得n t rankQ f c =)(，则系统在],0[f t 上是状态完全能控的。