现代控制理论
课程论文
现代控制理论综述
姓名XXXX
学号XXXX
学院机械工程学院班级XXXXX
专业机械设计及理论学位类型学术型
2014年11月21日
摘要
本文对现代控制理论做了一次完整综述,主要讲了现代控制理论的起源、内容、发展及其特点。本文简要说明了现代控制理论的主要内容，对系统的状态和状态方程、线性控制系统的能控性和能观性、系统的稳定性分析、线性定常系统的常规综合、最优控制做了简要概述。最后介绍了一下现代控制技术在21世纪的发展趋势，主要包括信息技术与控制技术的结合、虚拟现实及计算机仿真技术、集成控制技术。
关键词：现代控制理论，综述，主要内容，发展趋势
Abstract
This paper made a complete summary modern control theory, concerning the origin, content, development and characteristics of modern control theory. This paper made a brief description of the main elements of modern control theory, including the system's status and state equations, linear control system controllability and observability, the stability analysis, conventional integrated of linear time-invariant systems and optimal control. Finally we made a introduction about the trends of modern control theory in modern control technology of the 21st century, including the combination of information technology and control technology, virtual reality and computer simulation technology and integrated control technology.
Key words: Modern control theory, summary, main content, development trend
目录
第一章绪论 (1)
1.1现代控制理论的起源与发展 (1)
1.2现代控制理论的特点及主要内容简介 (1)
1.3现代控制理论的学习意义 (1)
第二章现代控制理论的主要内容 (2)
2.1系统的状态和状态方程 (2)
2.2线性控制系统的能控性和能观性 (2)
2.3系统的稳定性分析 (2)
2.4线性定常系统的常规综合 (3)
2.5最优控制 (4)
第三章现代控制技术在21世纪的发展趋势 (5)
3.1信息技术与控制技术的结合 (5)
3.2虚拟现实及计算机仿真技术 (6)
3.3集成控制技术 (6)
第四章总结与展望 (7)
参考文献 (8)
第一章绪论
1.1现代控制理论的起源与发展
经典控制理论考虑的对象比较简单，对象为单输入单输出、线性、时不变系统；使用图形化方法，从而依赖于设计人员的经验；不能具有处理多目标，不能揭示系统的内部特性。面对日益复杂的对象和不断提高的控制性能要求，控制理论由经典控制理论向现代控制理论转变。20世纪50年代中期空间技术迅速兴起推动了现代控制理论的发展，1956年，苏联庞特里亚金提出了极大值原理并发表了《最优过程的数学理论》，同年，美国的贝尔曼发表了《动态规划理论在控制过程中的应用》，给出了最优动态规划法，从而建立了最优控制的理论基础；1960年，美国的卡尔曼与美国布什几乎在同一时期内引入状态空间法分析系统，提出了能控性、能观性、卡尔曼滤波等概念及相关理论，奠定了现代控制理论的基础并标志着现代控制理论的形成。在工业生产、航空技术、计算机技术的发展下，现代控制理论也在不断地发展，并取得了很多成绩，比如人造地球卫星的发射、登陆月球等等。
1.2现代控制理论的特点及主要内容简介
现代控制理论是建立在经典控制理论基础上发展起来的，他的特点就是用状态空间模型描述对象，适用于多输入多输出、时变与非线性系统，能实现多目标控制。其主要内容是：状态空间模型、基于状态空间模型的系统运动分析、能控性、能观性、稳定性、线性定常系统的常规综合、最优控制等。
1.3现代控制理论的学习意义
现代控制理论可应用到各个领域中，例如计算机、电机与机械、检测技术、通讯、交通运输、环境保护、资源开发经济。现代控制理论是一门关于自动化、控制专业的非常重要的专业基础课程。学好现代控制理论可以为今后学习专业课及工程实践打下良好的基础。
第二章现代控制理论的主要内容
2.1系统的状态和状态方程
在经典控制理论中，对一个线性定常系统，可用常微分方程或传递函数加以描述。但实际上，系统出了输出量这个变量之外，还包含有其他相互独立的变量，而微分方程或传递函数不描述这些内部的中间变量，因而不能包含系统的所有信息。所以就出现了用状态方程来描述整个系统，它能反映系统全部独立变量的变化。
所谓系统的状态,是指系统中各个变量在某一时刻t时的数值大小状况,一般多用矢量表示。如果变量有n个,则n个变量构成一个n维空间。系统在t时刻的状态,就是在n维空间系中t时刻的变量分布状况。系统的状态方程,是指系统中各个变量随着时间的变化而变化的相互关系,可以用一组一阶微分方程式来描述,这组微分方程式就是系统的状态方程。
系统状态和状态方程是研究分析某特定系统的依据,在实际工作中取得必要的状态数据和编写出系统可以实用的数学模型(即微分方程组)是相当麻烦的,而且也需要相当的实际知识和技巧,一旦数学模型搞出来了,计算工作完全可由计算机来承担。
2.2线性控制系统的能控性和能观性
线性系统的能控性和能观测性概念是卡尔曼在1960年首先提出来的。当系统用状态空间描述以后，能控性、能观测性成为线性系统的一个重要结构特性。这是由于系统需用状态方程和输出方程两个方程来描述输入-输出关系，状态作为被控量，输出量仅是状态的线性组合，于是有“能否找到使任意初态转移到任意终态的控制量”的问题，即能控性问题。并非所有状态都受输入量的控制，有时只存在使任意初态转移到确定终态而不是任意终态的控制。还有“能否由测量到的由状态分量线性组合起来的输出量来确定出各状态分量”的问题，即能观测性问题。并非所有状态分量都可由其线性组合起来的输出测量值来确定。能控性、能观测性在现代控制系统的分析综合中占有很重要的地位，也是许多最优控制、最优估计问题的解的存在条件。
2.3系统的稳定性分析
一个自动控制系统要能正常的工作,它必须首先是一个稳定的系统。也就是
