绪论
本章结构 • 绪论
0.1 经典控制理论的特色与局限 0.2 现代控制理论的起源和发展 0.3 现代控制理论的研究内容 0.4 现代控制理论的应用
0.3 现代控制理论的研究内容
1 现代控制理论的研究内容
现代控制理论基础的内容为:
线性系统理论 最优控制理论 最优估计理论 系统辨识理论 自适应控制理论 智能控制理论 随机控制 鲁棒控制 非线性控制
绪论
本章结构 • 绪论
0.1 经典控制理论的特色与局限 0.2 现代控制理论的起源和发展 0.3 现代控制理论的研究内容 0.4 现代控制理论的应用
0.4 现代控制理论的应用
1 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
0.4 现代控制理论的应用
1 现代控制理论的应用
飞行器研究
4 飞行器研究的关键问题
（1）飞行器建模问题
根据位移运动和绕质心的旋转运动，建立飞行器6自由度的运 动方程，3个线速度运动和3个角速度运动；
可以建立飞行器纵向、横侧向运动学方程，根据控制器设计的 需求，可以将方程建立为线性和非线性两类。
飞行器研究
4 飞行器研究的关键问题
（2）飞行器控制问题
1 现代控制理论的应用
网络控制
0.4 现代控制理论的应用
1 现代控制理论的应用
网络中心战中无人机担当重要任务：
侦察
电子干扰
欺骗（诱饵）
战场评估 通信中继 对地支援 对地攻击
0.4 现代控制理论的应用
1 现代控制理论的应用
研究分布式控制方法实现无人机协同编队飞行 并在实验室内搭建多无人机协调编队仿真网络
Evans美国电气 工程师，所从 事的是飞机导 航和控制
哥伦比亚大学 Bell Labs
Hendrik W. Bode
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本章结构 • 绪论
0.1 经典控制理论的特色与局限 0.2 现代控制理论的起源和发展 0.3 现代控制理论的研究内容 0.4 现代控制理论的应用
0.2 现代控制理论的起源和发展
研究工具
分析方法 设计方法 其他
拉普拉斯变换
频域(复域),频率响应和根轨迹 法 PID控制和校正网络 频率法的物理意义直观
线性代数矩阵
复域、实域，可控和可观测 状态反馈和输出反馈 易于实现实时控制和最优控制
0.2 现代控制理论的起源和发展
3 现代控制的发展
（1）五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了 状态分析法；在1957年提出了动态规划。 （2）1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼 滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了 状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。 （3） 1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大） 值原理。
1 现代控制理论的应用
0.4 现代控制理论的应用
1 现代控制理论的应用
烧结基本工艺
余热 处理
抽风 烟囱 烟囱
余热处理
余热处理
抽风
配料
各种原料
混料
水
烧结
点火
筛分
给料
一次混合
二次混合
布料
烧结
热筛
冷却
冷筛
高炉
燃烧灰 热返料 冷返料
建立这6个环节的基于数据驱动的模型，来减小能耗， 降低有害气体的排放。
0.4 现代控制理论的应用
0.1 经典控制理论的特色和局限
1 控制的本质特征
r (t )
C(s) G(s)

r (t )
e(t )
控制器
u (t )
d (t )
执行器 过程 传感器
y (t )

反馈和算法是控制系统的本质特征
0.1 经典控制理论的特色和局限
2 经典控制的特点
r (t )

C(s)
G(s)
经典控制理论特点
研究对象 研究方法 研究工具 分析方法 设计方法 其他 单输入单输出系统(SISO)，高阶微分方程 传递函数法(外部描述) 拉普拉斯变换 频域(复域),频率响应和根轨迹法 PID控制和校正网络 频率法的物理意义直观、实用
0.2 现代控制理论的起源和发展
3 现代控制的发展
（4） 罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯 （D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使 用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经 典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨 了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进 一步建立统一的线性系统理论奠定了基础 （5） 20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法 国，ndau）在自适应控制理论和应用方面作出 了贡献。 与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统 和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。
绪论
课程特点
• 基础概念多：
状态空间、稳定性、能控能观、实现、观测器、极点 配置、最优控制
• 理论性强：
矩阵理论
• 计算量大：
标准型实现、状态转移矩阵、能控能观判定
绪论
本章结构 • 绪论
0.1 经典控制理论的特色与局限 0.2 现代控制理论的起源和发展 0.3 现代控制理论的研究内容 0.4 现代控制理论的应用
1 现代控制的起源
在蓬勃兴起的航空航天技术的推动和计算机技术飞速 发展的支持下，控制理论在1960年前后有了重大的突 破和创新。在此期间，由卡尔曼提出的线性控制系统 的状态空间法、能控性和能观测性的概念，奠定了现 代控制理论的基础，其提出的卡尔曼滤波，在随机控 制系统的分析与控制中得到广泛应用； 20世纪50年代形成
劳斯（Routh）
赫尔维茨（Hurwitz）
0.1 经典控制理论的特色和局限
4 经典控制的奠基人
（3）由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补 偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究 系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态 准 确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。
4 飞行器研究的关键问题
（4）飞行器制导问题
红外制导
激光制导
制导：导引和控制飞行器按一定规律飞向目标或预定轨道的技术和方法。
制导过程中，导引系统不断测定飞行器与目标或预定轨道的相对位置关系， 发出制导信息传递给飞行器控制系统，以控制飞行。主要包括：雷达制导、 红外制导、激光制导、地磁制导、电视制导、惯性制导等。
耶鲁大学(Yale) Bell Labs
奈奎斯特
0.1 经典控制理论的特色和局限
4 经典控制的奠基人
（4）1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系 统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的 根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或 自动控制理论）
（5）Bode。目前IEEE中，控制的最高奖为Bode奖
现 代 控 制 理 论
绪论
主讲：窦立谦
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课程结构与内容 • 绪论 • 第1章 控制系统的状态空间表达式
1.1 状态变量及状态空间表达式 1.2 状态空间表达式的模拟结构图 1.3 状态空间表达式的建立（一） 1.4 状态空间表达式的建立（二） 1.5 状态变量的线性变换 1.6 从状态空间表达式求传递函数 1.7 离散时间系统的状态空间表达式 1.8 时变系统和非线性系统的状态空间表达式
起飞 飞行器控制主要包括控制起飞、着落、 姿态、高度、速度、航向等内容，这 些控制需要调节飞行器上的各类舵机 来实现
姿态
着陆
飞行器研究
4 飞行器研究的关键问题
（3）飞行器航迹规划问题
飞行器航迹规划就是预先 或在线设定飞行器的飞行 路径。包括飞行路线、飞 行方向、飞行航点、航迹 的变更等
飞行器研究
0.1 经典控制理论的特色和局限
3 经典控制的局限性
r (t )

C(s)
G(s)
（1）难以有效地应用于时变系统 （2）难以有效地应用于多变量系统
（3）难以有效地应用于非线性系统
（4）难以实现最优控制
0.1 经典控制理论的特色和局限
4 经典控制的奠基人
（1）1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机 调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单 的稳 定性代数判据。
第一个对反馈控制 系统的稳定性进行 系统分析并发表论 文的人
马克斯韦尔（J.C.Maxwell）
0.1 经典控制理论的特色和局限
4 经典控制的奠基人
（2）1877年和1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz） 把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的 系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫 尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需 要。
绪论
课程结构与内容 • 第4章 稳定性与李雅普诺夫方法
4.1 李雅普诺夫关于稳定性的定义 4.2 李雅普诺夫第一法 4.3 李雅普诺夫第一法 4.4 李雅普诺夫方法在线性系统中的应用 4.5 李雅普诺夫方法在非线性系统中的应用
绪论
课程结构与内容 • 第5章 线性定常系统的综合
5.1 线性反馈控制系统的基本结构 5.2 极点配置问题 5.3 系统镇定问题 5.4 系统解耦问题 5.5 状态观测器 5.6 利用状态观测器实现状态反馈的系统
航迹线路、 高优先级控 制指令
机载测控 分系统
操作员 地面监控系统
0.4 现代控制理论的应用
2 现代控制理论的发展趋势
控制理论的迅速发展,不断受到高科技需求的有力推动. 航天、航空、航海、工业过程、社会经济等领域向控制 理论提出了许多挑战性问题,例如Apollo 登月舱沿着最优
3.1 能控性的定义 3.2 线性定常系统的能控性判别 3.3 线性连续定常系统的能观性 3.4 离散时间系统的能控性与能观性 3.5 时变系统的能控性与能观性 3.6 能控性与能观性的对偶关系 3.7 状态空间表达式的能控标准型与能观标准型 3.8 线性系统的结构分解 3.9 传递函数阵的实现问题 3.10 传递函数中零极点对消与状态能控性和能观性的关系