1、 现代控制理论与工程现代控制理论与工程 高高 向向 东东2017年年 03月月第一章 概述1.1 现代控制理论的基本概念现代控制理论是一个广义的范畴，它是现代控制理论是一个广义的范畴，它是对近代自动控制理论与技术的概括。著名的对近代自动控制理论与技术的概括。著名的科学家美籍匈牙利人卡尔曼（科学家美籍匈牙利人卡尔曼（ R.E.Kalman）于于 1960年发表了年发表了 控制系统理论控制系统理论 等论文，等论文，引入状态空间法对系统进行分析，提出能控引入状态空间法对系统进行分析，提出能控性、能观测性、最佳调节器和卡尔曼滤波等性、能观测性、最佳调节器和卡尔曼滤波等重要概念，奠定了现代控制理论的基础
2、。重要概念，奠定了现代控制理论的基础。目前，现代控制理论体系已比较完善目前，现代控制理论体系已比较完善，在不断揭示控制本质规律的同时，也解，在不断揭示控制本质规律的同时，也解决了导弹制导、宇宙航行、交通运输、工决了导弹制导、宇宙航行、交通运输、工业生产和污染治理控制等各个领域的实际业生产和污染治理控制等各个领域的实际问题。问题。与古典控制理论相比，现代控制理论主要用来解决多输入 -多出系统的问题，并且被控对象可以是线性或非线性系统、定常或时变系统。现代控制理论是基于时域的状态空间分析方法，主要实现系统最优控制的研究。现代控制理论的名称是在 1960年召开的美国自动化大会上正式提出来的。 在自动
3、控制领域内，对于现代控制理论比在自动控制领域内，对于现代控制理论比较公认的定义为：较公认的定义为： “现代控制理论是以庞德里亚现代控制理论是以庞德里亚金的极大值原理（最优控制问题存在的必要条金的极大值原理（最优控制问题存在的必要条件）、贝尔曼的动态规划和卡尔曼的滤波理论件）、贝尔曼的动态规划和卡尔曼的滤波理论为基础，揭示了一些复杂对象控制的理论结果为基础，揭示了一些复杂对象控制的理论结果。 ”古典控制理论主要用来解决单输入 -单输出问题，所涉及的系统大多是线性定常系统。如果将瓦特 1769年发明的离心调速器作为最早的工业自动控制装置，那么到 20世纪 50年代形成完整和独立的古典控制理论，则经
4、过了一百多年。这种以频域方法为基础的古典控制理论在解决一般的控制问题上十分有效。古典控制理论的广泛应用给人类带来了巨大的经济和社会效益，同时也导致了自动控制技术的诞生和发展。最大的成果之一是 PID控制规律的产生，对于无时间延迟的单回路控制系统很有效，在工业过程控制中仍被广泛应用。但是随着社会的进步、技术的发展以及被但是随着社会的进步、技术的发展以及被控对象复杂程度的提高，古典控制理论面临严控对象复杂程度的提高，古典控制理论面临严重的挑战。特别是重的挑战。特别是 20世纪世纪 60年代兴起的航天技年代兴起的航天技术，对控制提出了更加苛刻的条件。一方面，术，对控制提出了更加苛刻的条件。一方面，被
5、控对象更加复杂，出现了非线性时变系统的被控对象更加复杂，出现了非线性时变系统的控制问题，多输入多输出系统的分析和综合问控制问题，多输入多输出系统的分析和综合问题，系统本身或周围环境不确定因素的自适应题，系统本身或周围环境不确定因素的自适应控制问题，以及使某种目标函数达到最优化的控制问题，以及使某种目标函数达到最优化的最优控制问题等。最优控制问题等。另一方面，对于上述复杂控制问题，应用古典控制理论很难解决。在这种背景下，现代控制理论应运而生。而且计算机技术和现代数学的进步也为现代控制理论的发展提供了有力的支持。庞德里亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划和卡尔曼滤波的理论成果，奠定了现代控制理论的基
6、础。 现代控制理论通常用于解决复杂的被控对现代控制理论通常用于解决复杂的被控对象问题，经过几十年的发展，象问题，经过几十年的发展， 它不仅在航空航它不仅在航空航天技术上取得了惊人成就，而且在电气、机械天技术上取得了惊人成就，而且在电气、机械、冶金和化工等领域的应用都得到了巨大的成、冶金和化工等领域的应用都得到了巨大的成功。功。例如中国用于发射嫦蛾一号绕月卫星的长例如中国用于发射嫦蛾一号绕月卫星的长征三号甲火箭，就应用了现代控制理论中的自征三号甲火箭，就应用了现代控制理论中的自适应控制系统，可以在星箭分离前对有效载荷适应控制系统，可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向，并提供可调整的卫星起进行大姿态调姿定向，并提供可调整的卫星起旋速率，对周围环境具有很强的适应性。旋速率，对周围环境具有很强的适应性。
