现代控制理论的应用----王力2011117322
现代控制理论（浓缩版）
现代控制理论（浓缩版）绪论1．经典控制理论与现代控制理论的比较。
经典控制理论也称为古典控制理论，多半是用来解决单输入-单输出的问题，所涉及的系统大多是线性定常系统，非线性系统中的相平面法也只含两个变量。
经典控制理论是以传递函数为基础、在频率域对单输入单输出控制系统进行分析和设计的理论。
它明显具有依靠手工进行分析和综合的特点，这个特点是与20世纪40~50年代生产发展的状况，以及电子计算机的发展水平尚处于初级阶段密切相关的。
在对精度要求不高的场合是完全可用的。
最大成果之一就是PID 控制规律的产生，PID 控制原理简单，易于实现，具有一定的自适应性与鲁棒性，对于无时间延时的单回路控制系统很有效，在工业过程控制中仍被广泛采用。
现代控制理论主要用来解决多输入多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常或时变的。
确认了控制系统的状态方程描述法的实用性，是与状态方程有关的控制理论。
现代控制理论基于时域内的状态空间分析法，着重实现系统最优控制的研究。
从数学角度而言，是把系统描述为四个具有适当阶次的矩阵，从而将控制系统的一些问题转化为数学问题，尤其是线性代数问题。
而且，现代控制理论是以庞得亚金的极大值原理、别尔曼的动态规划和卡尔曼的滤波理论为其发展里程碑，揭示了一些极为深刻的理论结果。
面对现代控制理论的快速发展及成就，人们对这种理论应用于工业过程寄于乐期望。
但现代控制在工业实践中遇到的理论、经济和技术上的一些困难。
所以说，现代控制理论还存在许多问题，并不是“完整无缺”，这是事物存在矛盾的客观反应，并将推动现代控制理论向更深、更广方向发展。
如大系统理论和智能控制理论的出现，使控制理论发展到一个新阶段。
2．控制一个动态系统的几个基本步骤有四个基本步骤：建模，基于物理规律建立数学模型；系统辨识，基于输入输出实测数据建立数学模型；信号处理，用滤波、预报、状态估计等方法处理输出；综合控制输入，用各种控制规律综合输入。
《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 。
控制理论及其应用第1章
总结词
控制系统的性能指标
要点二
详细描述
控制系统的性能指标是评价系统性能优劣的重要依据。常 见的性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。 稳定性是指系统在受到扰动后能够恢复平衡状态的能力； 快速性是指系统对输入信号的响应速度；准确性是指系统 输出信号与期望信号之间的误差大小；鲁棒性是指系统在 存在不确定性或参数变化时仍能保持稳定和可靠的性能。
优点
离散时间系统模型适用于数字控制系统和计算机控制系统。
缺点
离散时间系统模型的稳定性分析和设计较为复杂，需要具备一定的 数学基础才能理解和应用。
04 控制系统的稳定性分析
稳定性定义与性质
稳定性定义
如果一个系统在受到扰动后能够回到 原始状态，则称该系统是稳定的。
稳定性性质
稳定性具有相对性、局部性和动态性， 不同系统对稳定性的要求不同。
线性二次型最优控制
总结词
线性二次型最优控制是一种常用的优化 控制方法，通过最小化系统状态和控制 变量的二次代价函数，来求解最优控制 策略。
VS
详细描述
线性二次型最优控制基于线性系统模型， 通过状态反馈控制结构，将系统状态和控 制变量进行线性化处理，并采用二次型代 价函数来度量系统性能。通过求解最优控 制问题，得到最优控制策略，使得系统状 态在某种性能指标下达到最优。
03 控制系统的数学模型
传递函数模型
定义
传递函数模型是一种描述线性时不变系统动 态特性的数学模型，通过系统输入和输出的 传递函数来描述系统的行为。
优点
传递函数模型简单直观，易于理解和分析。
缺点
传递函数模型只能描述系统的稳态特性，无 法描述系统的动态过程和暂态响应。
状态空间模型
现代控制理论-2PPT课件
20世纪60年代以后发展起来，以 状态空间法为基础，研究多输入多输出、非线性、时变等复杂系 统的分析和设计问题。
现代控制理论的研究对象与特点
研究对象
现代控制理论以系统为研究对象，包括线性系统、非线性系统、离散系统、连 续系统等。
特点
现代控制理论注重系统的内部结构、状态和行为，强调对系统的整体性能和优 化指标的研究，采用状态空间法、最优控制、鲁棒控制等先进的分析和设计方 法。
现代控制理论-2ppt课件
contents
目录
• 引言 • 线性系统的状态空间描述 • 线性系统的能控性和能观性 • 线性定常系统的稳定性分析 • 线性定常系统的综合与校正 • 非线性系统分析基础
01 引言
控制理论的发展历程
经典控制理论
起源于20世纪初，主要研究单输 入-单输出线性定常系统的分析和 设计问题，采用传递函数、频率 响应等分析方法。
串联校正
在系统中串联一个校正装置，改 变系统的开环传递函数，从而实
现对系统性能的综合与校正。
并联校正
在系统中并联一个校正装置，产生 一个附加的控制作用，以改善系统 的性能。
复合校正
同时采用串联和并联校正方式，以 更灵活地改善系统的性能。
06 非线性系统分析基础
非线性系统的特点与分类
非线性特性
系统输出与输入之间呈现非线性 关系，不满足叠加原理。
本课程的目的和要求
目的
本课程旨在使学生掌握现代控制理论的基本概念和方法，培养学生分析和设计控 制系统的能力，为从事控制工程和相关领域的科学研究和技术开发打下基础。
要求
学生应掌握状态空间法的基本原理和数学工具，了解最优控制和鲁棒控制的基本 思想和方法，能够运用所学知识分析和设计简单的控制系统，并具备一定的实验 技能和创新能力。
现代控制理论于方法PPT课件
线性系统理论
02
线性系统的基本概念
线性系统
在一定的输入信号下，输出信号 与输入信号成正比，且比例系数 是常数。
线性系统的特点
叠加性、齐次性和可加性。
线性系统的分类
时不变系统和时变系统。
线性系统的稳定性分析
稳定性的定义：如果一个系统 在受到扰动后能够恢复到原来 的平衡状态，则称该系统是稳
定的。
线性系统的稳定性条件：系 统的极点必须位于复平面的 左半部分，即系统的极点必
鲁棒控制在工业中的应用
鲁棒控制在工业中广泛应用于 过程控制、电力系统和航空航
天等领域。
在过程控制中，鲁棒控制可以 用于抑制模型误差和扰动，提
高系统的稳定性和可靠性。
在电力系统中，鲁棒控制可以 用于抑制负荷波动和故障扰动 ，保证电力系统的稳定运行。
在航空航天中，鲁棒控制可以 用于抑制外部干扰和内部扰动 ，提高飞行器的稳定性和安全 性。
非线性系统的近似线性化方法
近似线性化方法定义
近似线性化方法是指通过一定的技术手段将 非线性系统近似转化为线性系统，以便于分 析和设计的方法。
近似线性化方法分类
近似线性化方法可以分为基于状态空间的近似线性 化和基于输入输出的近似线性化两类。
近似线性化方法应用
近似线性化方法广泛应用于各种非线性系统 的分析和设计中，如控制系统、航空航天系 统、机器人系统等。
现代控制理论于方法 ppt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 • 结论与展望
引言
01
控制理论的发展历程
01
经典控制理论
主要关注单输入单输出系统，以传递函数为基础，通过时域分析方法进
现代控制理论应用-00-----
应用
do
something
控制理论的产生和发展
经典控制理论
现代控制理论
智能控制理论
1、 状态空间描述2、系统的运动与离散化3、系统的能控性与能观性4、系统的状态反馈与状态观测器5、系统的李亚普诺夫稳定性理论
现代控制理论的基础部分
现代控制理论的基本理论
1、最优控制2、最佳估计3、自适应控制4、鲁棒控制
自 适 应 控 制
任何一个动态系统，通常都具有程度不同的不确定性。这种不确定性因素的产生主要由于：
以上两者又称为不确定性的（或随机的）环境因素。
⑶ 系统数学模型的参ຫໍສະໝຸດ 甚至结构具有不确定性。如导弹控制系统中气动力参数随导弹飞行高度、速度、导弹质量及重心的变化而变化。
自适应控制的提法可归纳为：在系统数学模型不确定的条件下（工作环境可以是基本确定的或是随机的），要求设计控制规律，使给定的性能指标尽可能达到及保持最优。
到目前为止，在先进的科技领域出现了许多形式不同的自适应控制方案，但比较成熟并已获得实际应用的可以概括成两大类： ⑴ 模型参考自适应控制； ⑵ 自校正控制。
在控制系统分析中，经常使用如下两类数学模型：
自适应PID控制吸收了自适应控制与常规PID控制器两者优点。有能够适应被控过程参数变化又具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高的优点，而使其成为过程控制的一种较理想的自动化装置。
韦氏字典指出“ 适应指改变其自身, 使得其行为适合于新的或者已经改变了的环境。”自适应控制就是具有适应能力的控制器, 即能改变控制器自身的控制系统。自适应控制除了一般控制系统有的反馈回路外, 还有一个用以改变控制器自身的内回路, 称为适应机构。由于增加了这个适应回路，使控制器能在线地降低被控对象或环境变化的不确定性影响。它体现了一种“ 以动制动”的思想。
现代控制理论在汽车行业的应用
现代控制理论在汽车领域的应用现代控制理论发展于20 世纪50 年代末，它以状态空间方法为主，研究控制系统状态的运动规律，通过反馈系统解决某些非线性和时变系统的控制问题，用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最优控制规律。
作为一名车辆工程专业的研究生，现代控制理论在我所学的领域上也有很多应用。
比如说现代控制理论在内燃机振动主动控制中的应用、在汽车防抱死制动系统中的应用、在汽车悬架控制中的应用等等，下面我将根据自己查阅的资料对这三种应用进行简单介绍。
已有文献阐明了现代控制理论在内燃机振动主动控制领域的应用现状，阐述了各种控制理论与内燃机振动系统的关系。
以现代控制理论中有代表性的最优控制、自适应控制、鲁棒控制为重点分析了现代智能控制理论在振动系统控制中应用的可能性与发展，指出了内燃机振动主动控制领域今后一段时间内的研究重点与方向。
内燃机的振动是有害的，对于有害的振动，人们总是在想方设法将其消减甚至消除。
消减振动一般从两个方面着眼：一是耗散振动能，二是抑制激振力。
耗能的方法有加装阻尼摩擦片、附带质量冲击块；抑制激振力的方法有提高系统刚度、加装动力减振器或是主动对振动系统施加同频反向的抑振力。
通过控制系统对振动主体主动施加抑振力即振动的动态控制(也称有源控制、主动控制)。
该控制系统一般由振动体(内燃机振动系统如曲轴)、振动信息采集器(对于旋转振动系统多用涡流传感器和光电传感器，对于整机多用弹簧质量加速度传感器)、变送器、处理器、控制器、执行器、显示与调节器等部件组成。
其中控制器是系统的核心，控制器的设计应依据振动体即被控对象的特性进行。
本文将依据内燃机的振动的特性探讨控制器设计中运用的各种控制理论问题以及在振动动态控制上各种现代控制理论应用的可能性。
汽车防抱制动系统(简称ABS)实质上是一种制动力自动调节装置。
这种装置使汽车制动系统的结构发生了质的变化，它不仅能充分发挥制动器的制动性能,提高制动减速度和缩短制动距离，而且能有效地提高汽车制动时的方向稳定性,大大改善汽车的行驶安全性。
现代控制理论0
绪论
控制理论的发展过程
经典控制理论 现代控制理论 智能控制理论
t
线性系统正负阶跃响应
7.5
7
6.5
6
5.5 5
4.5
正阶跃 负阶跃
4
3.5
3
2.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
t
非线性系统正负阶跃响应
时域法
标准二阶系统及其动态性能
(s)
n2
.
s2 2ns n2
回顾古典控制理论
n
K Tm
自然频率
1
阻尼比
2 TmK
时域法
回顾古典控制理论
3．在对控制系统进行分析时，可以把系统的初 始条件包括进去。
4．有助于采用一些复杂的控制算法。如：自适 应算法等。
5．有助于利用计算机实现及仿真。
经典理论和现代控制理论是有内在联系的，相互 贯通的。这两种方法各有优缺点。学习时注意加以 比较。
现代控制理论中有许多分支，如最优控制、最优 估计和滤波、系统辨识、自适应控制、鲁棒控制和 随机控制等等。基于状态空间的方法在各个分支中 最重要，也影响最广泛，这里只介绍线性系统的状 态空间法。
（屋外温度、门窗）
控制量
（进水量）
被控量
执行机构
被控对象 （房间实际温度）
（ 制冷装置）
（空调房间）
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现代控制理论的应用----王力2011117322
现代控制理论的应用
2011117322 王力物联网工程现代控制理论：狭义的是指60年代发展起来的采用状态空间方法研究实现最优控制目标的控制系统综合设计理论；广义的
是指60年代以来发展起来的所有新的控制理论与方法。
采用状态观测器对系统状态进行估计（或称重构）实际反馈控制主要优点是理论体系严谨完整；可获得理想的最优控制性能，设计过程较少依赖经验试凑；主要缺点是要求系统模型准确，否则实际控制性能并非最优，即控制系统鲁棒差；理论较抽象，缺乏直观性，不易理解，需要较多数学知识；性能指标函数中的加权Q和R选取无定量准则可循，也需凭经验选取，故设计结果也与设计人员有关。
自动控制系统是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。
其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；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。
现代控制理论主要应用于航空类飞行器控制现代控制理论是基
于时域的系统分析方法，目前基本都是高端如火箭发射，导弹制导之类的复杂系统基于动态矩阵的预测控制等。
比如在汽车中运用的自适应控制，汽车制动防抱死系统的控制，自适应估计等定速巡航系统的初衷是让车辆运行在最佳的发动机转速—油耗平衡点，汽车发动机的转速跟扭矩、油耗是有一定比例关系的，单位距离油耗最省的发动机转速所对应的速度就是巡航速度，这个定速巡航巡航系统就是个典型的现代控制系统，车辆快了，它帮你松油门，车辆慢了，它帮你踩。
现代控制理论的应用于实际存在的很大的问题是系统模型是否准确
可靠，因为模型如果不可靠，理论的完美与否也没有任何意义。
而在汽车中的自适应控制就是对现代控制论的一个很好地应用。
自适应系统主要由控制器、被控对象、自适应器及反馈控制回路和自适应回路组成自适应控制系统有三个显著特点：
1、控制器可调：相对于常规反馈控制器固定的结构和参数，自适应控制系统的控制器在控制的过程中一般是根据一定的自适应规则，不断更改或变动的；
2、增加了自适应回路：自适应控制系统在常规反馈控制系统基础上增加了自适应回路（或称自适应外环），它的主要作用就是根据系统运行情况，自动调整控制器，以适应被控对象特性的变化；
3、适用对象：自适应控制适用于被控对象特性未知或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，设计时不需要完全知道被控对象的数学模型。
：一、自适应控制在汽车主动悬架上的应用应用于主动悬架的自适应控制方法主要有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类：增益调度控制是一种开环自适应控制，通过监测过程的运行条件来改变控制器参数；模型参考自适应控制（即简化自适应控制）通过跟 1
踪一个预先定义的参考模型，按照反馈和辅助控制器参数的自适应控制规则，使非线性时变的悬架系统达到预期的最优性能；自校正控制是将受控对象参数在线估计与控制器参数整定相结合，形成一个能自动校正控制器参数的离散实时计算机控制系统（即数据采样系统），是目前应用最广的一类
自适应控制方法。
自适应控制方法已在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。
模型参考自适应控制
工业产生背景是：70STR 是年代发展起来的一种随机自适应控制，2
过程控制由于强随机干扰、模型未知、参数时变、大时滞等因素，导致常规的控制方法效果差。
它是参数在线估计与随机最小方差控制的结合，已有广泛的应用成果，其难点在于收敛性。
车辆动力学模型参考模型
参考模型自适应控制图
3
千克簧上质量为300 簧上质量为500千克
轮胎动载荷
4
悬架动变形
二、最优控制理论在电力系统励磁控制中的应用技术的综合励磁调节器、基于非线性最优和PID1对于非线性系统的同步发电机而言，当它偏离系统工作点或系统发生较技术的电力系统稳定器，就会出现误大扰动时，如果仍然采用基于PID差。
为此，可以将其用基于非线性最优控制技术的励磁调节器。
但是，非线性最优控制调节器存在着对电压控制能力较弱的缺点，所以用一种技术的电力系统稳定器有机结合的PID能够将非线性最优励磁调节器和新型励磁调节器的设计原理。
、自适应最优励磁控制器2将自适应控制理论与最优控制理论相结合，通过多变量参数辨识、最优 5
反馈系数计算和控制算法运算三个环节，可以实现同步发电机励磁的自适应最优控制。
3、基于神经网络逆系统方法的非线性励磁控制神经网络逆系统方法将神经网络对非线性函数逼近学习能力和逆系
统方法的线性化能力相结合，构造出物理可实现的神经网络逆系统，从而实现了对被控系统的大范围线性化，能够在无需系统参数的情况下构造出伪线性复合系统，从而将非线性系统的控制问题转化为线性
系的控制问题。
、基于灰色预测控制算法的最优励磁控制4预测控制是一种计算机算法，它采用多步预测的方式增加了反映过程未来变化趋势的信息量，因而能克服不确定性因素和复杂变化的影响。
灰色预测控制是预测控制的一个分支，它需建立灰微分方程，能较好地对对发电机的功率偏差、转速偏差、电，N)系统作全面的分析。
应用GM(1压偏差序列值进行建模，经全面分析后求出各状态量的预测值，同时根据最优控制理论求出以预测值为状态变量的被控励磁控制系统的最优反馈增益，从而得出具有预测信息的最优励磁控制量。
三、运载火箭的制导和控制
把航天器送入预定的轨道需要用多级火箭运载，其制导和控制系统必须根据预先设计的发射弹道来控制火箭发动机的多次启动和关机，并相应地稳定和调整火箭的姿态，还需要控制级间分离。
现代火箭制导采用最优化理论和小型数字计算机的迭代制导方法，根据火箭受扰动后的运动状态参数来选择最优或次优的弹道，因此具有较大的灵活性，并可获得较大的运载能力。
1、迭代制导已经用于美国“土星”号运载火箭和“阿波罗”飞船的登月飞行。
2、另一种更完善的综合制导方法是在控制系统中配备姿态控制子系统 6
（硬件称自动驾驶仪）。
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