控制论第一讲
诺伯特·维纳的控制论
诺伯特·维纳的控制论标签:控制论顶[4]分享到发表评论(0)诺伯特·维纳的控制论概述自从1948 年诺伯特·维纳发表了著名的《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》一书以来，控制论的思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。
维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，更具体他说，是研究动态系统在变化的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。
他特意创造“Cybernetics”这个英语新词来命名这门科学。
“控制论”一同最初来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术的意思。
在柏拉图（古希腊哲学家）的著作中，经常用它来表示管理人的艺术。
1834 年，著名的法国物理学家安培写了一篇论述科学哲理的文章，他进行科学分类时，把管理国家的科学称为“控制论”，他把希腊文译成法语“Cybernetigue”。
在这个意义下，“控制论”一词被编入19 世纪许多著词典中。
维纳发明“控制论”这个词正是受了安培等人的启发。
在控制论中，“控制”的定义是：为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、加于该对象上的作用，就叫作控制。
由此可见，控制的基础是信息，一切信息传递都是为了控制，而任何控制又都有赖于信息反馈来实现。
信息反馈是控制论的一个极其重要的概念。
通俗他说，信息反馈就是指由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的。
控制论的发展过程控制论的发展过程大致分为三个阶段：20世纪50年代末期以前为第一阶段，称为经典控制论阶段；50年代末期至70年代初期为第二阶段，称为现代控制论阶段；70年代初期至现在为第三阶段，称为大系统理论阶段。
经典控制论主要研究单输入和单输出的线性控制系统的一般规律，它建立了系统、信息、调节、控制、反馈、稳定性等控制论的基本概念和分析方法，为现代控制理论的发展奠定了基础。
第4章-控制论
控制论1、控制论的基本概念2、控制系统的偶合关系与方框图3、控制系统的变换算子4、控制系统的状态空间表达式5、系统的可观测性与可控制性6、最优控制7、大系统控制1 控制的基本概念定义1所谓控制是施控者选择适当的手段，以期引起受控者行为发生预期变化的一种策略性的主动行为。
定义2 (从输入与输出关系角度)控制是通过改变系统输入，使系统输出尽可能达到设定值的方法。
定义3(从控制与不确定性关系角度)控制是在描述与研究输入U与输出Y之间因果关系f不确定性的基础上，从多种可能性中进行选择，找出能够处理这种不确定性的控制手段，使系统在不确定的条件下，达到比较确定的目标。
定义4(从控制与信息相互关系的角度)控制是在获取、加工和使用信息的基础上，控制主体使被控客体进行合乎目的的动作。
信息在控制过程的作用表现在：A 要根据各种有关信息才能编制出使系统与外界环境保持平衡状态的各种指令。
B 系统在运行中会碰到干扰从而使系统偏离控制目标所要求的状态，这时需要掌握干扰信息和系统状态的信息，将它们转换成为抵消或纠正偏差的控制指令，以保证系统目的的实现。
定义5(从控制与调节相互关系的角度)控制具有两个方面的内容：确定系统变化的轨道(确定目标和实现目标的途径)；用调节办法使系统的运动保持在这一轨道上。
定义6 调节的定义：调节是使系统的特性保持一定的过程。
调节分为下例两种：反馈调节和补偿调节。
反馈调节：依靠系统的实际输出值与目标值之间的偏差进行调节，当偏差值=目标值与反馈值之差时，称为负反馈调节；当偏差值=目标值与反馈值之和时，称为正反馈调节(控制)。
反馈调节的特点：事先不去监测干扰的作用，不采取事先抵消干扰影响的补偿措施，只监测受控对象的实际运行情况，把输出变量的信息反向输送到输入端，与体现目标的控制变量进行比较形成误差，根据误差的大小决定控制指令，去改变对象的运行状况，逐步缩小并最后消除误差，达到控制目标。
补偿调节：预测干扰，用补偿的方式进行调节。
现代控制论第1章PPT课件
迹，称为状态轨迹。
1.1.4 状态方程
由系统的状态变量构成的一阶微分方程组称为系统的 状态方程。
用下图所示的 一系统。
网络，说明如何用状态变量描述这
图一
9
根据电学原理，容易写出两个含有状态变量的一阶微分方程组：
亦即
（1）
式(1)就是图1.1系统的状态方程，式中若将状态变量用
40
则有：M 1 y 1 B 1 y 1 k 1 y 1 k 2 ( y 2 y 1 ) B 2 ( y 2 y 1 ) 及：M 2 y 2 B 2 ( y 2 y 1 ) k 2 ( y 2 y 1 ) f
将所选的状态变量 x 1 y 1 ,x 2 y 2 ,x 3 y 1 v 1 ,x 4 y 2 v 2
则得一阶微分方程
组为：
x1 x2
x2
1 LC
x1
R L
x2
1u LC
15
（8）
状态变量选取不同，状态方程也不同。 从理论上说，并不要求状态变量在物理上一定是可以测量 的量，但在工程实践上，仍以选取那些容易测量的量作为状态 变量为宜，因为在最优控制中，往往需要将状态变量作为反馈。
设单输入一单输出定常系统，其状态变量为 则状态方程的一般形式为：
1 L2 2
u2
uA i1R1 i2R1 u2
38
3）状态空间表达式为：
i1 i2
LR21RL11
R1 L1 R1R2 L2
ii12
0L11
1 L1
1 L2
u1 u2
uA R1 R1ii120 1uu12
39
例2：试列出在外力f作
用的下位，移以y1质, y量2 为M输1,出M的2
《控制理论概要》课件
它通过计算系统的极点和 零点，来判断系统的稳定 性。
如果极点位于复平面的右 半部分或等于零，则系统 是不稳定的。
奈奎斯特稳定判据
奈奎斯特稳定判据是通过分 析系统的频率响应来判定系 统稳定性的方法。
如果系统的所有频率响应曲 线都在复平面的左半部分， 则系统是稳定的。
根据控制信号调节输入电 压或电流，改变转速。
人工设定的期望转速值。
案例三：电机控制系统
01 总结词
02 速度传感器
03 控制器
04 电机
05 设定值
通过速度传感器检测电机 转速，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节电 机的输入电压或电流，从 而控制电机转速在设定范 围内。
用于检测电机转速，将转 速信号转换为电信号。
接收速度传感器信号，与 设定值进行比较，输出控 制信号。
频率响应法
通过分析系统的频率响应曲线，评估系统的 稳定性和性能。
现代控制策略
状态空间控制
基于系统状态方程的控制方法，通过状态反馈实现系统最优控制 。
鲁棒控制
针对不确定性系统设计的控制方法，提高系统对参数变化的适应性 。
自适应控制
根据系统参数变化自适应调整控制器参数，实现系统最优控制。
控制策略比较与选择
控制器
加热器或冷却器
设定值
通过温度传感器检测温 度，控制器根据设定值 与实际值的偏差来调节 加热器或冷却器的开度 ，从而控制温度稳定在 设定范围内。
用于检测温度，将温度 信号转换为电信号。
接收温度传感器信号， 与设定值进行比较，输 出控制信号。
根据控制信号调节开度 ，改变温度。
人工设定的期望温度值 。
第一章 控制论概述
进水 Q1
给定 Hg 水位
出水 Q2
17
扰动量
给定量
输出量
1
2
1 - 控制器(进水阀门) 2 - 被控对象(水箱)
开环控制系统结构图
18
（1）开环控制
只有输入量对输出量产生控制作用，输 出量不参与对系统的控制。
（2）开环控制特点
输入控制输出 ； 输出不参与控制 ；
系统抗干扰能力较差 。
31
2.按系统中传递信号的性质分类
1）连续控制系统 指控制系统中的所有信号在时间上是连续的。
2）离散控制系统 指系统中某一处或数处的信号是以脉冲序列 或数字量传递的系统，又称数字控制系统。
32
1）连续控制系统的分类
线性系统
组成系统的元件的特性均为线性的，可用一个或一组线 性微分方程来描述系统的输入和输出之间的关系。线性 系统的主要特征是具有齐次性和叠加性。
② 反馈控制特点
输入控制输出 ； 输出参与控制； 检测偏差纠正偏差 ； 具有抗干扰能力；
2012.8.27 第1次课
24
例1：
负载T
蒸汽机
n
瓦 心特 式 调蒸 速汽 器机 离
给定ng 比较 机构 -
B B 阀门 转换 机构
A A
T 离 T o 心 机 构 n 滑套 滑套 ng t1 蒸汽 系统 离心机构
9
英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)。
弹簧
杠杆 蒸汽 阀门
套筒
飞锤
n1
n 负载 蒸汽机 n
圆锥形齿轮
10
第二节 控制系统的工作原理与组成
火 准炮 系自 统动 瞄
控制论
第一章绪论1－1 控制理论的发展历程纵观控制理论的发展历史，大体上可分为三个阶段，即古典控制理论阶段、现代控制理论阶段和大系统理论与智能控制理论阶段。
二十世纪30～40年代，奈魁斯特（H.Nyquist）、伯德（H.W.Bode）、哈里斯（H.Harris）、伊万斯（W.R.Evans）、和维纳（N.Wiener）等人为自动控制理论的形成作出了创造性的贡献，他们的著作奠定了自动控制理论的基础。
这一阶段的控制理论通常被称为古典控制理论，它是以单输入－单输出的线性定常系统为主要研究对象，以传递函数作为系统的基本描述，以频率法和根轨迹法来分析和设计控制系统的理论。
有了理论的指导，实际应用成果就会不断涌现。
这个时期的工业生产得到了迅速发展，如用于飞机的自动导航系统，以及反情报雷达和炮位跟踪系统等就是应用反馈控制理论的产物。
计算机技术突飞猛进的发展，高速、高精度的数字计算机相继推出，为控制理论的发展提供了强有力的工具。
由于航空航天技术的推动和计算机技术的支持，使控制理论的发展步入了重要的转折期，在1960年前后有了重大的突破和创新。
在这一阶段，美国学者贝尔曼（R.Bellman）提出了寻求最优控制的动态规划法，前苏联数学家庞特里雅金（Л.С.Понтрягин）论证了极大值原理，使得最优控制理论得到了极大的发展。
卡尔曼（R.E.Kalman）系统地把状态变量法引入到控制系统的分析中来，并提出了能控性、能观测性的重要概念和新的滤波理论。
这些研究成果构成了现代控制理论的基础和支柱，发展了古典控制理论，形成了自动控制理论的新体系。
现代控制理论是为解决多输入—多输出系统的控制问题而拓展的，较之古典控制理论，研究对象要广泛得多，既可以是单变量的、线性的、定常的、连续的系统，也可以是多变量的、非线性的、时变的、离散的系统。
现代控制理论以状态空间描述作为系统的数学模型，以状态变量法为基础，用时域的方法来分析和设计控制系统，它分析和设计的目标是在揭示系统内在规律的基础上，实现系统在一定意义下的最优化。
第三章控制论
反馈过时所造成的后果——积重难返。与其相对应的 是反馈及时，就是一旦被控量偏离目标被反馈装置及时检 测出来并及时传递给控制器，控制器则及时地处理此信息 并利用它及时地加以调节和控制。
促使恶性循环式正反馈向良性循环转化的方法：
割断反馈环 使用滤波器剔除不真实信息 直接削弱构成正反馈关系的系统间的作用
四、控制系统 1、控制系统
控制系统是由施控者和受控者两个基本要素以一定的相互作 用联系方式构成的系统。施控主体作用于受控客体就是控制作用或 直接作用；受控客体反作用于施控主体成为反馈作用或反作用。 控制系统的特性：
3、控制系统分类 根据控制系统有无反馈回路及其处理干扰方式的不 同可分为开环控制系统、闭环控制系统和组合控制 系统。
开环控制系统
在一个控制系统中不存在反馈回路，其输入不受输 出状况的影响，则称该系统为开环控制系统。 根据其处理干扰方式的不同又可分为“忽略型”和 “预处理型”两类。
开环控制
结构框图
三、控制论产生的技术基础 1、控制论与自动化技术 控制论直接产生于工程技术科学 自动化技术：自动控制技术
计算机信息处理技术
2、自动控制装置举例
我国西汉时期的指南车 我国西汉时期的提花机 欧洲15世纪的自动调节磨 蒸气调节器
标ernetics—Control and communication in the animal and the machine ） 1954年钱学森（H.S Tsien）的工程控制论 Engineering Cybernetics 在美国出版 影响
控制理论ppt课件
15
二、关键控制点、标准和标杆
1、关键控制点原则 关键控制点原则要求在实施有效控制时，必
须关注那些按照计划评价绩效的关键因素。 在实际的控制工作中，管理者并不是对所有
的活动都进行控制，而是挑选出一些关键的控制 点进行控制。这些关键控制点应能对整个工作有 重要影响或处于重要地位，控制了这些关键点也 就能控制其他活动。
8
2、控制的过程
1 确定标准 2 衡量绩效 3 纠正偏差
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确定标准
标准的制订是全部控制工作的第一步。一个周密 完善的标准体系是整个控制工作的质量保证。控制 所需的标准并不是计划中的全部指标和标准，而是 其中的关键点。为保证控制的准确性，应尽量采用 定量化的标准。标准的制订要考虑组织的实际情况 ，不能订得过高，以防土气受挫；又要充分发挥组 织的潜力，不能订得过低，以免过于保守，失去更 多的发展机会。
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什么是控制的标准
标准是衡量绩效的尺度，是从整个计划方案中 挑选出来用以衡量绩效的度量单位，这样管理人员 可以得到工作进展状况的信息，而无须过问计划执 行过程中的每个步骤。
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➢经济系统的特征：
（1）始终受到人的因素的影响。
牛 人有意识地控制经济系统的运行朝着人 顿 们希望的目标发展。 与凯恩斯（自干目2）然扰标始环经。终境济受、系到资统不源的确条运定件行因、素偏人的离口影人状响们况。所、希政望治的因发素展
（3）经济系统的活动无法重复再现。
同物理系统比较
控制论在经济领域中的 应用
刘国刚 13660007904 hnlgg@163 .com
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考核 １、考勤点名（２－３次）超过２次（含２次）
取消成绩。 ２、上课笔记交１－２次 ３、考试，随堂考试（最后一次课），６０％
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授课内容
第一讲 经济控制论的基本知识 第二讲经济系统控制模型 第三讲经济系统的状态空间分析 第四讲经济系统的稳定性 第五讲经济系统的能控性与能观测性 第六讲经济系统的反馈控制 第七讲 经济系统的最优控制 实践训练1 经济控制模型的建模方法 实践训练2 经济系统的性能分析 实践训练3 经济系统的政策设计与优化
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第一讲 控制论的基本 知识
1、 控制论与经济控制论 2、经济控制系统的研究方法 3、控制的一般概念 4、线性代数的基本知识
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1、控制论与经济控制 论
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一、控制论的产生与发展
控制论是在二十世纪四十年代开始形成的 一门新兴学科。
➢1948年， ➢美国数学家维纳 Wiener。
➢《控制论，或关于动 物和机器中控制和通讯 的科学》cybernetics
➢ 兰格的定义：“经济控制论是用现代控制论的 科学方法分析经济过程的学科” 。
➢ M．曼内斯库的定义：“运用控制论方法来研 究经济现象和过程，研究组织和经济管理系统， 以及研究宏观和微观经济统一问题”的科学。
➢ 钱学森、宋键的定义：是“新的控制论分支”。
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发展：
二十世纪六十年代，进入一个新的阶段 美籍华人学者，普林斯顿大学邹至庄教授，
据基本经济理论推理分析建模（白箱建
实
模）。
验 仿真模型：不太了解经济系统内部的运行机
经 济
理借助于辨识的方法建立的模型（灰箱 或黑箱建模）。
学
经济仿真模型在帮助人们认识复杂经济活
动中发挥着越来越重要的作用。
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➢经济控制模型分类：
按照数学表达式的不同，经济模型还可分为
代数方程、差分方程、微分方程模型；
Ⅱ：50年代末至70年代初，现代控制论、 最优控制理论 ；
Ⅲ：70年代初以后，大系统理论、 动态最优控制理 。
大系统理论:规模大,结构复杂,目标多,因素多,有 随机因素.如:电力,社会,生态,水,制造,宏观经 济,资源分配等
经济系统都是大系统。
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二、经济控制论的形成与发展
英国，古典政治经济学家，亚当•斯密：商 品的市场价格像一只“看不见的手”维持 着市场供需：对所研究的现实事 物的一种抽象表示，是对 现实事物性质的模拟。可 以帮助人们合理思考，以 便了解、研究和认识现实 事物。
特征：对现实事物的抽象 或模拟；由放映现实事物 特征的因素构成；放映事 物构成因素之间的联系特 征。
实物模型，符号模型
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经济控制模型：
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一、系统与经济系统
系统概念：是指由相互依存、相互作用 的若干组成部分结合而成的具有特定功 能的有机整体。
➢系统具有三个基本特征 ： 整体性 关联性 目的性
➢系统的表示方法 ：
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➢系统的分类：
自然系统 是指客观世界发展过程中已经存在的物质系统，
比如天体系统、河流系统、生物系统、自然资 源系统等等。
人造系统 人造系统是指通过人们的劳动创造出来的物质 系统，如机械设备系统、计算机网络系统、企 业系统、城市系统
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➢经济系统
指由相互依存、相互作用的各种经济 要素所组成的具有特定经济功能的经济 整体 。
有
形
经要 济素 要 素无
形 要 素
自然资源、燃料、 原材料、固定资产、 人力资源、资金、产品等
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控制论的定义:
至今并没有一个公认的、比较完善的 表述。
➢维纳的定义：控制论 “是关于动物 和机器中控制和通讯的科学”；
➢我国学者钱学森的定义： “控制论 是研究系统各个部分如何进行组织， 以便实现系统的稳定和有目的的行 动”。
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控制论发展的三个阶段 ：
Ⅰ：50年代末以前，经典控制论， 黑箱理论 ，传递函数 ，作用有限；
金水 《经济控制论》，张逸民
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三、研究经济控制论的意义
系统论、控制论、信息论 经济控制论在经济系统的运行管理和控制中的 应用主要表现下三个方面 ：
经济规划。 经济系统结构改革。 优化经济系统运行。
政策设计与优化
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科学之窗——专家介绍
钱学森
工程控制论 经济控制论
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2、经济控制论的研究 方法
P S
E
D Q
完美体现了控制论思想
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➢马克思，价格围绕价值波动,价值规律
再投入
收入
“价格”作为商品生产的调节器，实现价 格与价值的统一，进而调节资源配置和 商品供需平衡。
完美体现了控制论思想
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形成：
完整理论体系形成于二十世纪四十年代
代表人物：波兰著名经济学家，兰格（Oskar Lange），《经济控制论导论》
1957年发表《动态经济系统的分析控制》 《运用控制论方法进行经济计量分析》
经济系统分析控制 经济计量分析控制
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发展:
改革开放之后，经济控制论的思想和方法逐步 受到我国学者和决策者的认可和重视，控制论 的理论与方法在经济领域中得到了不同程度的 应用。
主要著作：
《经济控制论概论》，龚德恩 《经济控制论》，贺允东 《经济控制论——动态经济系统分析方法与应用》，张
离散、连续；
静态、动态模型； 单变量、多变量模型；
本课重点
线性、非线性模型；
输入输出模型、状态空间模型等。
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三、经济控制模型的应用
也称为经济数学模型、经济模型 是在一组基本假设条件下，用数学关系式定
量描述经济系统特征的模型。 所描述的数量关系必须符合经济因果关系和
价值规律。
➢ 一定的使用条件； ➢ 合理的经济解释。
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➢经济控制模型分类：
按照建模方法的不同，可分为理论模型
和仿真模型。
理论模型：清楚经济系统内部运行机理根