第一章现代控制理论绪论介绍.ppt

科学在发展，控制论也在不断发展。实际上，一般讲的现代控制理论指的是五六十年代所产生的一些控制理论。 1. 线性系统理论—现代控制理论的基础 主要研究线性系统在输入作用下状态运动的规律，建立和揭示系统结构、参数和性能之间的关系。 主要包括：线性系统状态空间表达式 数学模型 能控性和能观性—核心内容 状态反馈和状态观测器设计—理论应用 李雅普诺夫稳定性理论稳定性分析 1.4 现代控制理论的基本内容 2. 最优控制（Optimal Control ） 在给定约束条件和性能指标下，寻找使系统性能指标最佳的控制规律。 主要方法： 变分法、极大值原理、动态规划等 极大值原理 最优控制的核心 即：使系统的性能指标达到最优（最小或最大）某一性能指标最优， 如时间最短或燃料消耗最小等。 1.4 现代控制理论的基本内容 3. 自适应控制（Adaptive Control ） 在控制系统中，控制器能自动适应内外部参数、外部环境变化，自动调整控制作用，使系统达到一定意义下的最优。 a. 模型参考自适应控制 （Model Reference Adaptive Control) b. 自校正自适应控制 （Self-Turning Adaptive Control) 1.4 现代控制理论的基本内容 4. 建模及系统辨识（System Identification ） 建立系统动态模型的方法： 根据系统的输入输出的试验数据，确定一个与被研究系统本质特征等价的模型，并确定其模型的结构和参数。 （若只需确定参数，即结构已知，则称为参数估计Parameter Estimation 。） 5. 最优滤波理论（最优估计） 当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其不确定性须应用概率和统计方法进行处理。 即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法获得有用信号的最优估计。 Kalman滤波器 1.4 现代控制理论的基本内容 1.5 现代控制理论的应用 比起经典控制理论, 现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。 1.5 现代控制理论的应用 倒立摆稳定控制 单级倒立摆稳定控制 二级倒立摆稳定控制 1.5 现代控制理论的应用 导弹稳定控制 空空导弹稳定控制 地空导弹稳定控制 1.5 现代控制理论的应用 航天器控制 月球车控制 卫星控制 1.5 现代控制理论的应用 机器人控制 空间机器人控制 足球机器人控制 经典控制理论: 数学模型：线性定常高阶微分方程和传递函数; 分析方法： 时域法(低阶1～3阶) 根轨迹法 频域法 适应领域：单输入－单输出（SISO）线性定常系统 缺 点：只能反映输入－输出间的外部特性，难以揭示系统内部的结构和运行状态。 现代控制理论： 数学模型：以一阶微分方程组或差分方程组表示的动态方程 分析方法：精准的时域分析法 适应领域：（1）多输入－多输出系统（MIMO、SISO、MISO、SIMO） （2）非线性系统 （3）时变系统 优越性：（1）能描述系统内部的运行状态 （2）便于考虑初始条件（与传递函数比较） （3）适用于多变量、非线性、时变等复杂大型控制系统 （4）便于计算机分析与计算 （5）便于性能的最优化设计与控制 内容：线性系统理论、最优控制、最优估计、系统辨识、自适应控制 近似分析 经典与现代控制理论--小结 线性控制系统的状态空间描述 状态空间基本概念；动态方程模型的建立；状态方程的线性变换。 线性控制系统的运动分析 状态转移矩阵及其性质；状态方程的求解。 线性系统的能控性与能观测性 能控性和能观性概念；能控性和能观性判据等。 控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 李雅普诺夫意义下的稳定性定义和判断方法。 线性定常控制系统的综合设计 状态反馈与闭环极点配置；输出反馈与极点配置；状态观测器设计。 1.6 本课程的主要内容 指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带