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现代控制理论基础 文成林博士 后 教授杭州电子科技大学自动化学院 第二实验楼南楼412房间 E mailwencl Tel 0571 86915195 86915193 2 主要内容 一个人基本情况二控制理论的产生及其发展三现代控制理论的主要内容四本课程要讲的内容五学习 研究和培养学生过程中的一些体会 3 一个人基本情况 1 文成林 男 1963年4月生 博士 后 教授 博士生指导教师所属学科 控制理论与控制工程发表学术论文90余篇 其中已有30余篇次被Sci或Ei收录主持国家自然科学基金3项 联合主持 国家自然科学基金重点项目1项 中国博士后基金1项 世界银行贷款项目1项 省部级重点基金5项 国家重点实验室开放基金4项 省部级自然科学基金3项出版学术专著1部 完成学术专著1部 主编和参编教材5部 4 个人基本情况 2 1982 09 1986 06河南大学数学系基础数学专业本科毕业1986 06 2004 06在河南大学从事科研和教学究工作1993 09 1996 06郑州大学基础数学专业硕士研究生毕业 获硕士学位1996 09 1999 10西北工业大学自动控制系博士研究生毕业1997 10 1997 12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员1998 10 1998 12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员1998 12获得副教授任职资格1999 10 1998 12中科院自动化研究所国家重点实验室客座研究员2000 05 2002 04清华大学 控制科学与工程 博士后流动站工作2002 4被聘任为教授2002 05 2002 07清华大学智能技术与系统国家重点实验做客座研究员2003 02 2003 06香港浸会大学计算机科学系高级访问教授2005 10 2005 12加拿大Albeta大学高级访问教授2004 06至今杭州电子科技大学特聘教授 5 个人基本情况 3 杭州电子科技大学特聘教授中国电子学会高级会员 中国自动化学会会员 中国自动化学会过程的故障诊断与技术专业委员会委员 中国自动化学会智能控制专业委员会委员国家自然科学基金通讯评阅人 自动化学报 电子学报 电子与信息学报等学报长期审稿人主要研究方向为 多尺度估计理论及其应用 信号处理与数据融合技术及应用 动态系统故障诊断 动态系统建模理论及应用技术 6 二控制理论的产生及其发展 7 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 人类发明具有 自动 功能的装置的历史可以追溯到公元前14 11世纪的中国 埃及和巴比伦出现的铜壶滴漏计时器 公元前4世纪 希腊柏拉图 Platon 公元前47 公元前347 首先使用了 控制论 一词 8 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 图1 1水钟原理图 9 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 保持预定方向 车偏离方向扰动 10 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 如图所示 蒸气量Q 转速N Q 11 1868年 英国学者麦克斯韦 J C Maxwell 1831 1879 发表了 论调速器 一文 对的稳定性进行了分析 指出控制系统的品质可用微分方程来描述 系统的稳定性可用特征方程根的位置形式来研究 该论文属于最早的理论工作 1875年 英国的劳斯 E J Routh 1831 1907 1995年 德国的赫尔维茨 A Hurwitz 1859 1919 先后分别提出根据代数方程系数判别系统稳定性的一般准则 12 20世纪20年代 电子技术得到了迅速发展 促进了信息处理和自动控制及其理论的发展 1932年 美籍瑞典科学家奈奎斯特 H Nyquist 提出了根据频率响应判断反馈系统的稳定的准则 即奈奎斯特判据 1938年 前苏联学者米依洛夫提出用图解分析方法判别系统稳定性的准则 把奈奎斯特判据推广到条件稳定和开环不稳定系统的一般情况 13 1948年 美国著名科学家维纳 N Wiener 1894 1964 出版了专著 控制论 关于在动物和机器中控制和通信的科学 系统地论述了控制理论的一般原理和方法 推广了反馈的概念 为控制理论科学的发展奠定了基础 该书标志着控制科学的诞生 1954年 我国著名科学家钱学森教授在美国出版了 工程控制论 一书 书中所阐明的基本理论和观点 奠定了工程控制论的基础 14 控制理论和社会生产及科学技术的发展密切相关 在近代得到极速发展 它不仅已经成功地运用并渗透到工农业 科学技术 军事 生物医学 社会经济及人类生活等诸多领域 而且在这过程中控制理论也发展成为一门内涵极为丰富的新兴学科 15 控制理论的发展一般划分为三个时期经典控制理论 1930 1950 现代控制理论 20世纪50 70年代 大系统理论 智能控制理论 复杂系统等 20世纪60年代至今 16 第一个时期 经典控制理论 1930 1950 17 经典控制理论主要解决单变量控制系统的分析与设计 研究的对象主要是线性定常系统 它是以拉氏变换为数学工具 采用以传递函数 频率特性 根轨迹等为基础的经典频域方法研究系统 对于非线性系统 除了线性化及渐近展开等计算外 主要采用相平面分析和谐波平衡法 即描述函数法 研究 18 这一时期的主要代表人物除了奈奎斯特等人以外 还有美国的伯德 H W Bode 和埃文斯 W R Evans 1945年 伯德出版了 网络分析和反馈放大器设计 一书 提出了频率响应分析方法 即简便而实用的伯德图法 1948年 埃文斯提出了直观简便的图解分析法 即根轨迹法 这一方法在控制工程上得到了广泛的应用 19 经典控制理论着重研究单机自动化 较好地解决了单输入单输出 SISO SingleInputSingleOutput 系统的控制问题 主要数学工具是微分方程 拉普拉斯变换和传递函数 主要研究方法是时域法 频域法和根轨迹法 主要问题是控制系统的快速性 稳定性及其精度 20 经典控制理论 具有明显的局限性突出的是难以有效地应用于时变系统和多变量系统 也难以揭示系统更为深刻的特性 21 第二个时期 现代控制理论 20世纪50 70年代 22 这个时期 由于计算机技术 航空航天技术的迅速发展 控制理论有了重大的突破和创新 它研究的对象不再局限于单变量的 线性的 定常的 连续的系统 而扩展为多变量的 非线性的 时变的 离散的系统 现代控制理论以线性代数和微分方程为主要数学工具 以状态空间法为基础 分析和设计控制系统 所谓状态空间法 本质上是一种时域分析方法 它不仅描述了系统的外部特性 而且揭示了系统的内部状态和性能 23 现代控制理论分析和综合系统的目的是在揭示系统内在规律的基础上 实现系统在某种意义上的最优化 同时 使控制系统的结构不再限于单纯的闭环形式 这个时期的主要代表人物有美国的贝尔曼 R Bellman 原苏联的庞特里亚金和美籍匈牙利人卡尔曼 R E Kalman 等人 24 1965年 贝尔曼发表了 动态规划理论在控制过程中的应用 一文 提出了寻求最优控制的动态规划法 1958年 Kalman提出递推估计的自动化控制原理 奠定了自校正控制器的基础 1960年 Kalman发表了 控制系统的一般理论 等论文 引入了状态空间分析系统 提出能控性 能观测性 最优调节器和Kalman滤波等概念 25 1962年 Kalman等人又提出最优控制反馈问题 并得到若干有关鲁棒性的结果 这些理论构造了现代控制理论的框架 1961年 庞特里亚金的 最优过程的数学理论 一书正式出版 证明了极大值原理 使得最优控制理论得到了极大的发展 26 第三个时期 大系统理论 智能控制理论和复杂系统等 20世纪60年代至今 27 从20世纪60年代开始 控制理论进入了一个多样化发展的时期 它不仅涉及系统辨识和建模 统计估计和滤波 最优控制 鲁棒控制 自适应控制 智能控制及控制系统CAD等理论和方法 同时 它在与社会经济 环境生态 组织管理等活动中 与生物医学中的诊断及控制 与信号处理 软件计算等邻近学科相交叉中又形成了许多新的研究分支 28 例如 在20世纪70年代以来形成的大系统理论主要是解决大型工程和社会经济中信号处理 可靠性控制等综合最优的设计问题 由于应用范围涉及越来越复杂的工程系统和社会 经济 管理等非工程的人类活动系统 原有的理论方法遇到了本质困难 大系统和社会发展逐渐转向 复杂系统 的概念 29 智能控制的发展始于20世纪60年代 它是一种能更好地模仿人类智能的 非传统的控制方法 它突破了传统控制中对象有明确的数学描述和控制目标是可以数量化的限制 它所采用的理念方法主要是来自自动控制理论 人工智能 模糊集和神经网络以及运筹学等学科分支 主要代表人物有美国扎德 L A Zadeh 教授 在1965年 他创立了模糊集合论 为解决复杂系统的控制提供了新的数学工具 30 1968年 美籍华人傅京孙 K S Fu 教授和桑托斯 E S Saridis 等人提出运用模糊神经元概念研究复杂大系统行为 正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉 并创立了人 机交互式分级递阶智能控制的系统结构 31 到了21世纪 随着经济和科学技术的迅猛发展 控制理论与许多学科相互交叉 渗透融合的趋势在进一步加强 控制理论的应用范围在不断扩大 控制理论在认识事物运动的客观规律和改造世界中将得到进一步的发展和完善 32 三现代控制理论的主要内容 33 线性系统理论线性系统理论是现代控制理论的基础 也是现代控制理念中最完善 技术上较成熟 应用也最广泛的部分 它主要研究线性系统在输入作用下状态运动过程的规律和改变这些规律的可能性与措施 建立和揭示系统结构性质 动态行为和性能之间的关系 34 线性系统理论主要包括系统的状态空间描述 能控性 能观测性和稳定性分析 状态反馈 状态观测器及补偿的理论和设计方法等内容 35 建模和系统辨识建立动态系统在空间的模型 使其能正确反映系统输入 输出之间的基本关系 是对系统进行分析和控制的出发点 由于系统比较复杂 往往不能通过解析的方法直接建模 而主要是在系统输入输出的试验数据或运行数据的基础上 从一类给定的模型中确定一个与研究系统本质特征等价的或近似的模型 36 如果模型的结构已经确定 只需要确定其参数 就是参数估计问题 若模型的结构和参数需同时确定 就是系统辨识问题 37 最优滤波理论最优滤波亦称为最佳估计理论 当系统受到环境噪声或负载干扰时 其不确定性可以用概率或统计的方法进行描述或处理 也就是在系统的数学模型已建立的基础上 利用被噪声等污染的输入输出的量测数据 通过统计方法获得有用信号的最优估计 38 经典的维纳滤波理念阐述的是平稳随机过程按均方差意义的最佳滤波 而现代的Kalman滤波理论用状态空间法设计最优滤波器 克服了前者的局限性 适用于非平稳过程 并在很多领域中得到广泛应用 成为现代控制理论的基石 39 最优控制最优控制是在给定限制条件和性能指标 即评价函数或目标函数 下 寻找使系统性能在一定意义下为最优的控制规律 所谓 限制条件 即约束条件 指的是物理上对系统所施加的一些约束 而 性能指标 则是为评价系统在全工作过程中的优劣所规定的标准 所寻找的控制规律就是综合出的最佳控制器 40 在解决最优控制问题中 除了庞特里亚金的极大值原理和贝尔曼的动态规划法是最重要的两种方法外 用各种 广义 梯度描述的最优算法 以及动态规划的哈密顿 雅可比 Hamilton Jacobi Bellman 方程求解的新方法正在形成并用于非线性系统的优化控制 41 自适应控制所谓自适应控制 是随时辨识系统的数学模型 并按照当前的模型去修改最优控制律 当被控对象的内部结构和参数以及外部的环境特性和扰动存在不确定时 系统自身能在线量测和处理有关信息 在线相应修改控制器的结构和参数 以保持系统所要求的最佳性能 42 自适应控制的两大基本类型是 1 模型参考自适应 2 自校正控制近期自适应理论的发展包括 1 广义预测控制 2 鲁棒稳定的自适应系统 3 引入了人工智能技术的自适应控制等 43 本课的教学主线控制系统的状态空间描述 数学模型 能控性 能观测性和稳定性 基本性质分析 状态反馈与状态观测器设计 系统的综合与设计 44 四本课程要讲的内容第9章状态空间系统响应 可控性与可观性第10章线性反馈系统的时间域综合第11章李亚普诺夫稳定性分析第12章控制系统设计实例分析 45 第九章状态空间系统响应 可控性与可观性9 1线性定常系统的响应9 2状态转移矩阵9 3线性离散系统的响应9 4可控性和可观性9 5线性定常系统的线性变换9 6对偶原理9 7线性定常系统的结构分解9 8矩阵处理的MATLAB实现 46 第十章线性反馈系统的时间域综合10 1输出反馈与状态反馈10 2极点配置问题10 3状态重构与状态观测器设计10 4最优控制问题概论10 5MATLAB在线性反馈系统时间域综合中的应用 47 第十一章李亚普诺夫稳定性分析11 1李亚普诺夫关于稳定性的定义11 2李亚普诺夫第一方法11 3李亚普诺夫第二方法11 4线性定常系统的李亚普诺夫稳定性分析第十二章控制系统设计实例分析 48 五学习和研究中的一些体会 49 不同阶段的要求本科阶段 老师给问题 有答案硕士阶段 老师给问题 有参考答案博士阶段 老师给参考问题 没有答案博士后阶段 没有问题 也没有答案 研究的开始 现在所处的阶段是 自己开展独立研究 自己找问题 自己觉得答案对与不对 真正进入研究阶段 50 人成功的必要条件是 三气相通一是 人要有志气二是 人要有才气三是 人要有运气 51 人的成功需要 三识胆识学识见识见识为上 52 我在不同阶段的座右铭中学阶段 好好学习 天天向上大学阶段 吃得到千方苦 获得一世甜研究生阶段 硕士 博士 王国维三个境界立志 昨夜西风雕壁树 独上高楼 望尽天涯路求索 衣带渐宽终不悔 为伊消的人憔悴成果 重里寻她千百度 默然回首 那人却在灯火阑栅处博士后 现阶段及以后知识改变命运 学习成就未来 例子1 2 3 53 我对学生的要求要有远大的理想和抱负要有坚强的毅志和进行不懈的努力要有和谐的人际关系 54 博学而约取厚积而薄发 55 祝愿同学们能用知识改变自己的命运通过学习而成就自己的未来 56 本课程的记分情况 本时成绩30 考勤15 作业15 期中考试20 期终考试50 57 谢谢同学们