现代控制理论讲稿01
合集下载
《现代控制理论》讲稿
《现代控制理论》讲稿
贺廉云
第1章 控制系统的状态空间模型
要点：
1 理解状态空间表示法概念；
2 掌握状态空间图示法；
3 掌握连续系统的数学模型转换；
4 了解多变量系统的传递函数阵及其求法
难点：
连续系统的数学模型转换
C=[ 0 0 1]
三状态空间模型的图示法
1. 基本元件
(a) (b) (c)
试求其传递函数阵。
解：根据式（1-10），可得
G（s）=
=
=
=
2传递函数阵的状态空间模型的实现
（1） 可控标准形的实现
对于单输入单输出（SISO）系统，传递函数阵退化成传递函数。要把SISO系统式G(s)=的传递函数形式转换成能控标准性的状态空间模型，即
图1-3 状态结构基本元件
a-积分器 b-加法器 c-比例器
2． 一阶标量微分方程 的一阶系统状态结构图
u
图1-4 一阶系统状态结构
1 由状态空间模型转换成传递函数
系统的状态方程
L G（s）=
= (1-10)
是A阵的特征多项式 * 表示伴随矩阵
例2 已知某一单一输入输出系统的状态空间表达式为
（1-11）
A= b= (1-12)
上述A阵是nn方阵，它的维数正好是传递函数的阶数，它的最后一行元素正还是传递函数分母（即系统的特征方程）所对应的稀疏，只不过均相差一个负号,其次对角线的元素均为1，其余为零，而b阵是一个列向量，最后一个元素为1，其余为零。正是b阵中的唯一的1对应友阵A的形式，是的输入信号u能对系统的每一个状态进行控制，因此称其为能控标准行。为了得到A阵和b阵的这种形式，应按下列规律选择状态变量：,于是有
贺廉云
第1章 控制系统的状态空间模型
要点：
1 理解状态空间表示法概念；
2 掌握状态空间图示法；
3 掌握连续系统的数学模型转换；
4 了解多变量系统的传递函数阵及其求法
难点：
连续系统的数学模型转换
C=[ 0 0 1]
三状态空间模型的图示法
1. 基本元件
(a) (b) (c)
试求其传递函数阵。
解：根据式（1-10），可得
G（s）=
=
=
=
2传递函数阵的状态空间模型的实现
（1） 可控标准形的实现
对于单输入单输出（SISO）系统，传递函数阵退化成传递函数。要把SISO系统式G(s)=的传递函数形式转换成能控标准性的状态空间模型，即
图1-3 状态结构基本元件
a-积分器 b-加法器 c-比例器
2． 一阶标量微分方程 的一阶系统状态结构图
u
图1-4 一阶系统状态结构
1 由状态空间模型转换成传递函数
系统的状态方程
L G（s）=
= (1-10)
是A阵的特征多项式 * 表示伴随矩阵
例2 已知某一单一输入输出系统的状态空间表达式为
（1-11）
A= b= (1-12)
上述A阵是nn方阵，它的维数正好是传递函数的阶数，它的最后一行元素正还是传递函数分母（即系统的特征方程）所对应的稀疏，只不过均相差一个负号,其次对角线的元素均为1，其余为零，而b阵是一个列向量，最后一个元素为1，其余为零。正是b阵中的唯一的1对应友阵A的形式，是的输入信号u能对系统的每一个状态进行控制，因此称其为能控标准行。为了得到A阵和b阵的这种形式，应按下列规律选择状态变量：,于是有
《现代控制理论》课件
现代控制理论
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 。
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 。
现代控制理论讲义(1,2.4)
第一章绪言1－1 自动控制发展历史简介自动控制思想及其实践可以说历史悠久。
它是人类在认识世界和改造世界的过程中产生的，并随着社会的发展和科学水平的进步而不断发展。
早在公元前300年，古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器，并应用于水钟和油灯中。
在如图1－1所示的水钟原理图中，最上面的蓄水池提供水源，中间蓄水池浮动水塞保证恒定水位，以确保其流出的水滴速度均匀，从而保证最下面水池中的带有指针的浮子均匀上升，并指示出时间信息。
同样早在1000多年前，我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器、指南车等控制装置。
首次应用于工业的自控器是瓦特（J.Watt）于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器，如图1－2所示。
而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫（I.Polzunov）的浮子水位调节器最有历史意义。
图1－1 水钟原理图图图 1－2 飞球转速调节器原理图1868年以前，自控装置和系统的设计还处于直觉阶段，没有系统的理论指导，因此在控制系统的各项性能（如稳、准、快）的协调控制方面经常出现问题。
十九世纪后半叶，许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究，并对控制系统的性能改善产生了积极的影响。
1868年，麦克斯威尔（J.C.Maxwell）建立了飞球控制器的微分方程数学模型，并根据微分方程的解来分析系统的稳定性。
1877年，罗斯（E.J.Routh）提出了不求系统微分方程根的稳定性判据。
1895年，霍尔维茨（A.Hurwitz）也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据。
第二次世界大战前后，由于自动武器的需要，为控制理论的研究和实践提出了更大的需求，从而大大推动了自控理论的发展。
1948年，数学家维纳(N.Wiener)的<<控制论>>(CYBERNETICS)一书的出版，标志着控制论的正式诞生。
这个“关于在动物和机器中的控制和通讯的科学”(Wiener所下的经典定义)经过了半个多世纪的不断发展，其研究内容及其研究方法都有了很大的变化。
现代控制理论第一章01
静态系统的输出取决于当前系统的瞬时输入，而动
态系统的输出取决于系统当前及过去的输入信息的 影响的叠加
如，电阻的电流直接等于当前的电压输入与电阻值
之比，而电容两端的电压是通过电容的当前及过去 的电流的积分值与电容值之比
• 在进行动态系统的分析和综合时，首先应建立该 系统的数学模型
在系统和控制科学领域内，数学模型是指能描述动态 系统的动态特性的数学表达式，
du C (t ) 1 i (t ) dt C
该方程描述了电路的状态变量 和输入量之间的关系，称为该 电路的状态方程，这是一个矩 阵微分方程。
i(t ) uC (t ) 0 1 u ( t ) C
如果将电容上的电压作为电路的输出量，则 该方程是联系输出量和状态变量关系的方程， 称为该电路的输出方程或观测方程。这是一 个矩阵代数方程。
1 f 1 ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t ) x x 2 f 2 ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t ) (t ) f ( x(t ), u (t ), t ) x x n f n ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t )
对前面引入的状态空间模型的意义,有如下讨论:
状态方程描述的是系统动态特性， 其决定系统状态变量的动态变化。 输出方程描述的是输出与系统内部的状态变量的关系。 系统矩阵A表示系统内部各状态变量之间的关联情况, 它主要决定系统的动态特性。 输入矩阵B又称为控制矩阵, 它表示输入对状态变量变化的影响。 输出矩阵C反映状态变量与输出间的作用关系。 直接传输矩阵D则表示了输入对输出的直接影响,许多系统 不存在这种直联关系,即矩阵D=0。
态系统的输出取决于系统当前及过去的输入信息的 影响的叠加
如，电阻的电流直接等于当前的电压输入与电阻值
之比，而电容两端的电压是通过电容的当前及过去 的电流的积分值与电容值之比
• 在进行动态系统的分析和综合时，首先应建立该 系统的数学模型
在系统和控制科学领域内，数学模型是指能描述动态 系统的动态特性的数学表达式，
du C (t ) 1 i (t ) dt C
该方程描述了电路的状态变量 和输入量之间的关系，称为该 电路的状态方程，这是一个矩 阵微分方程。
i(t ) uC (t ) 0 1 u ( t ) C
如果将电容上的电压作为电路的输出量，则 该方程是联系输出量和状态变量关系的方程， 称为该电路的输出方程或观测方程。这是一 个矩阵代数方程。
1 f 1 ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t ) x x 2 f 2 ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t ) (t ) f ( x(t ), u (t ), t ) x x n f n ( x1 , x 2 , , x n , u1 , u 2 , , u r , t )
对前面引入的状态空间模型的意义,有如下讨论:
状态方程描述的是系统动态特性， 其决定系统状态变量的动态变化。 输出方程描述的是输出与系统内部的状态变量的关系。 系统矩阵A表示系统内部各状态变量之间的关联情况, 它主要决定系统的动态特性。 输入矩阵B又称为控制矩阵, 它表示输入对状态变量变化的影响。 输出矩阵C反映状态变量与输出间的作用关系。 直接传输矩阵D则表示了输入对输出的直接影响,许多系统 不存在这种直联关系,即矩阵D=0。
现代控制理论[001].pptx
![现代控制理论[001].pptx](https://img.taocdn.com/s3/m/853ad892376baf1ffd4fada5.png)
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
例如：对二维空间矢量：x
1 x 2 ,Tx
V (x)
x 12
2x
2 2
2
1
2
V (x) (x x )
V (x)
V (x)
2
2
1
2
(x 2x )
(x 1 x 2) 2
V (x) x1 x2
是正定的 是半正定的 是负定的 是半负定的 是不定的
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
特征值为
j
是不稳定的
不能得出稳定性结论
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
4.3李雅普诺夫第二法（直接法）
方法：不求解系统的状态方程，通过一个系统的能量函数来直
接判断系统的稳定性。
问题：在实际系统中，往往不容易找出系统的能量函数。
办法： 于是李雅普诺夫定义了一个正定的标量函数V(x)，作为
系统的一个虚构的广义能量函数。根据 V (x) 的符号性质，可以判 断系统的状态稳定性。
得到特征值为－3，2 。所以系统状态不是渐近稳定的。
（2）系统的传递函数 () (
G s c sI
1 A 1b s 3
可见传递函数的极点－3位于s平)面的左半平面，故系统输出
稳定。
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
4.2.2 非线性系统的稳定性 设非线性系统的状态方程为： x
f x,t
xe为平衡状态；f[x,t]为与x同维的矢量函数，且对x有连
x
Ax
A
f
xT
第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
定理（李雅普诺夫线性化方法）
（1）如果方程式中系数矩阵A的所有特征值都具有负实部，则 原非线性系统在平衡状态xe是渐近稳定的，而且稳定性与R(x)无 关。
《现代控制理论》 教案大纲
《现代控制理论》教案大纲第一章：现代控制理论概述1.1 控制理论的发展历程1.2 现代控制理论的基本概念1.3 现代控制理论的应用领域1.4 本章小结第二章：线性系统的状态空间表示2.1 状态空间的概念2.2 线性系统的状态空间表示2.3 状态方程和输出方程2.4 本章小结第三章：线性系统的稳定性分析3.1 系统稳定性的概念3.2 线性系统的稳定性条件3.3 劳斯-赫尔维茨稳定判据3.4 奈奎斯特稳定判据3.5 本章小结第四章：线性系统的控制器设计4.1 控制器设计的目标4.2 比例积分微分控制器（PID控制器）4.3 状态反馈控制器4.4 观测器设计4.5 本章小结第五章：非线性系统的控制5.1 非线性系统的基本概念5.2 非线性系统的状态空间表示5.3 非线性系统的稳定性分析5.4 非线性控制器设计方法5.5 本章小结第六章：采样控制系统6.1 采样控制理论的基本概念6.2 采样控制系统的数学模型6.3 采样控制系统的稳定性分析6.4 采样控制系统的控制器设计6.5 本章小结第七章：数字控制系统7.1 数字控制系统的组成与特点7.2 数字控制器的原理与设计7.3 数字控制系统的稳定性分析7.4 数字控制系统的仿真与实现7.5 本章小结第八章：现代控制方法8.1 模糊控制理论8.2 自适应控制理论8.3 神经网络控制理论8.4 智能控制理论8.5 本章小结第九章：现代控制理论在工程应用中的实例分析9.1 工业控制系统中的应用9.2 航空航天领域的应用9.3 交通运输领域的应用9.4 生物医学领域的应用9.5 本章小结第十章：现代控制理论的发展趋势与展望10.1 控制理论研究的新领域10.2 控制理论在新技术中的应用10.3 控制理论的发展前景10.4 本章小结重点和难点解析一、现代控制理论概述难点解析：理解控制理论的演变过程，掌握现代控制理论的核心思想。
二、线性系统的状态空间表示难点解析：理解状态空间的物理意义，熟练运用状态空间表示线性系统。
现代控制理论课件1
dt
C1
R1
C2
Ui
Uo
R2
二、系统微分方程转化为状态空间表达式 1、 微分方程中不包含输入导数项 不包含导数项的线性微分方程形式为：
y(n) a1 y(n1) an1 y ' an y bu
（1）选择状态变量：
x1 y x2 y ' x3 y ''
xn y(n1)
（2）将高阶微分方程化为一阶微分方程
第一章、控制系统的状态空间描述
一、控制系统的状态空间表达式 二、系统微分方程转化为状态空间表达式 三、传递函数与状态空间表达式的相互转换 四、状态方程的线性变换
控制系统的数学模型有两种基本类型:
1、输入输出模型 将系统看成是一个“黑箱”，只反映系统外部变 量间的因果关系，不表征系统内部结构和内部 变量，是不完全描述比如传递函数、微分方程等
（3）状态空间方程是矩阵运算。
3、线性定常连续系统的状态空间表达式的建立 建立系统状态空间表达式的两种方式：
（1）直接通过物理机理推导 A、确定系统的输入变量、输出变量和状态变量 B、根据物理化学定理列写微分方程 C、将微分方程转化为关于状态变量的一阶导数 与状态变量、输入变量的关系式
D、整理得到标准形式
（2）由系统的输入输出关系转化
根据输入输出关系的描述（系统辨识、传递函数、 差分方程）可以将其转化为相应的状态空间表达式。
注意在这种转化过程中，状态可能是没有物理含 义的。
例子（电容取电压、电感取电流做为状态）
L
R
Ui
iC
Uo
di(t) Ui (t) L dt i(t)R Uo (t) i(t) C dUo (t)
绪论
1、控制理论的发展 （1）经典控制理论
C1
R1
C2
Ui
Uo
R2
二、系统微分方程转化为状态空间表达式 1、 微分方程中不包含输入导数项 不包含导数项的线性微分方程形式为：
y(n) a1 y(n1) an1 y ' an y bu
（1）选择状态变量：
x1 y x2 y ' x3 y ''
xn y(n1)
（2）将高阶微分方程化为一阶微分方程
第一章、控制系统的状态空间描述
一、控制系统的状态空间表达式 二、系统微分方程转化为状态空间表达式 三、传递函数与状态空间表达式的相互转换 四、状态方程的线性变换
控制系统的数学模型有两种基本类型:
1、输入输出模型 将系统看成是一个“黑箱”，只反映系统外部变 量间的因果关系，不表征系统内部结构和内部 变量，是不完全描述比如传递函数、微分方程等
（3）状态空间方程是矩阵运算。
3、线性定常连续系统的状态空间表达式的建立 建立系统状态空间表达式的两种方式：
（1）直接通过物理机理推导 A、确定系统的输入变量、输出变量和状态变量 B、根据物理化学定理列写微分方程 C、将微分方程转化为关于状态变量的一阶导数 与状态变量、输入变量的关系式
D、整理得到标准形式
（2）由系统的输入输出关系转化
根据输入输出关系的描述（系统辨识、传递函数、 差分方程）可以将其转化为相应的状态空间表达式。
注意在这种转化过程中，状态可能是没有物理含 义的。
例子（电容取电压、电感取电流做为状态）
L
R
Ui
iC
Uo
di(t) Ui (t) L dt i(t)R Uo (t) i(t) C dUo (t)
绪论
1、控制理论的发展 （1）经典控制理论
现代控制理论(1-8讲第1-2章知识点)精品PPT课件
dia dt
Ke
I fD Coபைடு நூலகம்st
n f Const
nDJ , f
其中：Kf 为发电机增益常数；Ke 为电动机反电势常数。
(3).电动机力矩平衡方程：J
d
dt
f
Kmia
(Km
-电动机转矩常数)
以上三式可改写为：
d
dt
f J
Km J
ia
dia dt
Ke Ra
La
La
ia
Kf La
if
试写出其状态空间表达式。
解：选择相变量为系统的状态变量，有
•
•
•• •
x1 y x2 y x1 x3 y x2
故
即
•
x1 x2
•
x2 x3
•
x3
a0 a3
x1
a1 a3
x2
a2 a3
x3
1 a3
u
•
0
x 0
a0
a3
1 0 a1 a3
0
0
1 x 0 u
a2
1
a3 a3
a1 y a0 y
bnu (n)
b u (n1) n 1
b0u
(1)
分为两种情况讨论。
一、输入信号不含有导数项：
此时系统的运动方程为：
•
y(n)
a y(n1) n1
a1 y a0 y b u
故选
x1 y
•
x2 y
..
xn1
y(n2)
xn y(n1)
对左边各式求导一次，即有
18
24
2-3 化系统的频域描述为状态空间描述
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
(1) 苏联 L.S. Pontryagin 发表 “最优过程数学理论”，提出极大值 原理(Maximum Principle) ( 1956 )
L.S. Pontryagin
(2) 美国 R. Bellman 在RAND Coporation 数学部的支持下，发表 著名的Dynamic Programming ，建 立最优控制的基础 ( 1957 )
历史回顾： 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)
1957 年10月4日，前苏联成功 发射了世界上第一颗人造地 球卫星。从技术的角度，这 标志着人类已经能够摆脱地 球引力的束缚，飞出大气 层，飞向宇宙星空，在当时 世界，引起了巨大震动。
Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space
4
(17) 美国R. Brockett 提出用微分几何研究非线性控制系统 (1976)，意 大利A. Isidori 出版( Nonlinear Control Systems ) ( 1985 )。
(18) 加拿大G. Zames 提出 H鲁棒控制设计 方法(1981年)
Gorge Zames R. Brockett
(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立( 1957 )，中国为发起国之一，第一 届学术会议于莫斯科召开 ( 1960 )
(5) 世界第一颗人造地球卫星 (Sputnik)由苏联发射成功 ( 1957 ) (4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory 研制出第一台数控机床( 1952 )
A. Bryson
Yu C. Ho
863背景：１９８６年３月３日，王大珩、王淦昌、杨嘉墀、陈芳允四位老科学家 给中共中央写信，提出要跟踪世界先进水平，发展我国的高技术的建议。这封信得 到了邓小平同志的高度重视。经过广泛、全面和极为严格的科学和技术论证后，中 共中央、国务院批准了《高技术研究发展计划（８６３计划）纲要》。从此，中国 的高技术研究发展进入了一个新阶段。纲要坚持“有限目标，突出重点”的方针，选 择了生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术和新材料 ７个高技术领域作为我国高技术研究发展的重点（１９９６年增加了海洋技术领 域）。其总体目标是：集中少部分精干力量，在所选的高技术领域，瞄准世界前 沿，缩小与发达国家的差距，带动相关领域科学技术进步，造就一批新一代高水平 技术人才，为未来形成高技术产业创造条件。
二、应用成果和代表人物
1、自动控制的几个发展阶段 （1）前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900) （2）经典控制前期(The Pre-classical Period) (1900-1935) （3）经典控制(Classical Control)(1935-1950) （4）现代控制 (Modern Control) (1950- )
(19) 美国“哥伦比亚” 号 航天飞机首次发射成功 (1981年)
A. Isidori
(20) 美国 A. Bryson 和 Y.C Ho 发表Applied Optimal Control(1969 ）； Y.C Ho 和 X.R Cao 等提出离散事件系统理论( 1983 )。
(21) 中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智 能机器人两个主题 ( 1986 )
课程介绍
现代控制理论基础
Modern Control Theory 中国海洋大学工程学院 褚东升
本课程是自动化专业的一门专业基础课。 通过本课程的学习，使学生掌握现代控制 理论中最基本的内容，它不仅是控制理论 的基础，而且是进一步学习专业课程及进 行工程实践的必要基础。
.Ⅰ 概 述 Chapt. Chapt
2、现代控制理论的发展、代表人物及成果 (1950-
)
二次世界大战中火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控 制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现 代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵， 指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术 的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。
Space Approach 。1965 年，Zadeh 提出模糊集合和模糊控制概念 (10) 美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ， 建立了数字控制及数字信号处理的基础 ( 1958 )
宇宙哥伦布- 加加林
Capsule used in first manned orbit of earth
(23) 第一台火星探测器 Sojourner 在火星表面软着陆 ( 1996 )
三、现代控制理论的基本内容
1. 产生的标志 —— 状态空间方法的引入
20 世纪 50 年代后期由 Bellman等人提出， 60 年代
(24) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索
Kalman在控制系统研究中成功应用，并提出了能控、
Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first manmade satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.
1946 年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家 莫克利和工程师埃克特为首的数十人共同 开发了世界上第一台通用数字电子计算机
ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。 当ENIAC公开展出时，一条炮弹的轨道用20s就能算出来， 比炮弹本身的飞行速度还快。
2.
科技发展为其产生所提供的条件
1）现代数学 —— 泛函分析、随机过程、离散数 学、优化理论等（多种分析工具、软件基础）。 2）数字计算机 —— 现代控制方法的硬件实现工具 ( 硬件基础)。
能观性等新概念，为现代控制理论迅速发展奠定了 基础。
5
2. 基本内容 （1）线性系统分析（稳定、能控能观性等） （2）最优控制 （3）随机最优控制 （4）Kalman滤波 （6）系统辨识 （7）自适应控制 （8）非线性控制 （9）大系统理论 （10）变结构控制……
四、控制理论的回顾
Automation ） 1、关于自动化（ 、关于自动化（Automation Automation） （1）定义 所谓自动化是指机器或装置在无人干预的情况 下按规定的程序或指令自动的进行操作或运行。 广义地讲，自动化还包括模拟或再现人的智能活 动。 The art of making processes or machines selfacting or self-moving， also pertains to the technique of making a device, machine, process or procedure more fully automatic.
K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.
(7) 美籍匈牙利人 R. E. Kalman 发表 “On the General Theory of Control Systems ” 等论文，引入 状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性， 最佳调节器和 kalman 滤波等概念，奠定了现代控 制理论的基础 ( 1960 )
In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.
A stamp issued by Russia to memorize Y. Gagarin
暴露经典理论的局限
呼唤新理论
历史回顾——重要事件
在长崎投掷的原子弹爆炸后形 成的蘑菇状云团，爆炸产生的 气流、烟尘直冲云天，高达12 英里多． 美国原子弹突袭广岛和长崎造 成了巨大的毁伤．广岛市区 80%的建筑化为灰烬，64000人 丧生，72000人受伤，伤亡总 人数占全市总人口的53%．长 崎市60%的建筑物被摧毁，伤 亡86000人，占全市总人口的 37%．
R.E. Kalman
3
(9) 1963年, 美国的 Lofti Zadeh 与C. Desoer 发表Linear Systems - A State (8) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时 代开始了( 1961 )
1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was "culated by electronic computers"). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.
§1. 产生与发展
学习现代控制理论的意义 一、产生的环境
1、是自动化专业的理论基础 2、是提高学生专业理论水平的重要环节 3、现代控制理论的思想和方法对许多课程和其他学 科的学习有重要的借鉴作用 4、是许多专业报考研究生的必考课 1. 科学技术发展的需要 二十世纪50 ~ 60年代