现代控制理论概述及实际应用意义

现代控制理论概述及实际应用意义

王 凡 王思文 郑卫刚 武汉理工大学能源与动力工程学院

【摘 要】控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。本文介绍了现代控制理论的产生、发展、内容、研究

方法和应用以及经典控制理论与现代控制理论的差异，并介绍现代控制理论的应用。提出了学习现代控制理论的重要意义。【关键词】现代控制理论；差异；应用；意义

1.引言

控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。例如，我们的教学也使用了控制理论的方法。老师在课堂上讲课，大家在课堂上听，本身可看作一个开环函数；而同学们课下做作业，再通过老师的批改，进而改进和提高老师的授课内容和方法，这就形成了一个闭环控制。像这样的例子很多，都是控制理论在生活中的应用。现代控制理论如此广泛，因此学好现代控制理论至关重要。

2.现代控制理论的产生与发展现代控制理论的产生和发展经过了很长的时期。从现代控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。其产生和发展要分为以下几个阶段的发展。

2.1 现代控制理论的产生在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决。

科学技术的发展不仅需要迅速

地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。

2.2 现代控制理论的发展五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规则；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；1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理；罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、麦克法轮（G.J.MacFarlane）和欧文斯（D.H.Owens）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。

20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）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。

3.现代控制理论的内容及研究方法

现代控制理论的内容主要有为系统辨识；最优控制问题；自适应控制问题；线性系统基本理论；最佳滤波或称最佳估计。

（1）系统辨识

系统辨识是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，从一类给定的模型中确定一个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。

（2）最优控制问题

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。主要方法有变分法、极大值原理、动态规划等极大值原理。现代控制理论的核心即：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。

（3）自适应控制问题

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。模型参考自适应控制

59

英文为Model Reference Adaptive 态空间法、研究系统内部输入－状态Control。自校正自适应控制英文为Self-Turning Adaptive Control。

（4）线性系统基本理论包括系统的数学模型、运动的分析、稳定性的分析、能控及能观测性及状态反馈与观测器等问题。

（5）最佳滤波或称最佳估计当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其综合必须应用概率和统计方法进行。即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法对系统状态估计。

建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法[1]。

4.经典控制理论与现代控制理论的差异

现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。

经典控制理论和现代控制理论有其共同点和差异。共同点主要表现在研究对象是一致的，都是系统。其区别主要表现在经典控制理论的研究工具是传递函数(结构图)，已有初始条件为零时才适用。现代控制理论状

（内部）－输出。

经典控制理论的特点研究对象是单输入、单输出线性定常系统。其解决方法主要有频率法、根轨迹法、传递函数。要用到的数学工具有拉氏变换、常微分方程。经典控制理论有其局限性主要表现在难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性。

现代控制理论是随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。其研究对象为多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。解决方法主要是状态空间法（时域方法）。

用到的数学工具为线性代数、微分方程。内容上是线性系统理论、系统辨识、最优控制、自适应控制等。

总之，现代控制理论与古典控制理论的主要共同点是研究对象是相同的，都是研究系统的，并且在主要内容上也有相同之处。两者都是在分析研究系统的原理和性能上改变系统的可能性（即综合性能）。主要区别表现在经典控制理论的研究对象是单入单出的（SISO）系统，以及线性定常系统。用到的工具有传递函数。只有在已有处事条件为零时才适用试探法解决问题。包括PID串联等。现代控制理论的研究对象是多入多出（MIMO）系统、线性定长系统、非线性系统以及时变系统。用到的工具有状态空间法、研究系统内部输入-状态（内部）—输出。改善系统的方法

有状态反馈以及输出反馈[2]。

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。主要有倒立摆稳定控制、单级倒立摆稳定控制、二级倒立摆稳定控制、导弹稳定控制、地空导弹稳定控制、空空导弹稳定控制、航天器控制、卫星控制、月球车控制、机器人控制、空间机器人控制、足球机器人控制。总之现代控制理论在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域应用非常广泛[3]。

现代控制理论在战术上的应用主要是其在战术导弹上的应用。利用现代控制理论的方法寻找定制导弹的最优导引规律。如应用最优控制理论来研究自动导引的空-空或地-空导弹[4]。

现代控制理论在电机控制中也有重要的应用，1971年，德国学者Blaschke提出了交流电动机矢量控制，它的出现对电机控制技术的研究具有划时代的意义，使电机控制技术的发展步入了一个全新的阶段。1985年德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制理论，由于他直接控制定子磁链空间矢量和电磁转矩，使控制系统得以简化，并提高了快速响应能力。

现代控制理论在电机控制中的具体应用主要有三相感应电动机的矢量控制、永磁电动机矢量控制、三相

关于建设工程安全生产管理的探讨

庄锡东 青岛阳光东辉建设集团有限公司

【摘 要】建筑施工的特点决定了建筑业是高危险、事故多发行业：施工生产的流动性、建筑产品的单件性和类型多样性、施工生产过程的

复杂性都决定了施工生产过程中不确定性，因而容易发生安全事故。笔者根据多年的工作实践，分析了建设工程安全事故的种种诱因，并提出了相应的对策措施。

【关键词】建设工程；安全生产；管理

1.建设工程安全事故频繁发生建筑业是我国国民经济的支柱产业之一，建筑产品为国民经济的发展奠定了重要的物质基础。我国建筑业从业人数由90年代初的2500万人，到2003年升至3893万人，完成建筑业产值突破21865.49亿元。改革开放以来，随着我国建筑事业的迅猛发展，大量的农民工涌入城市的建筑队伍。建设的高潮一浪高于一浪，而安全生产管理滞后，甚至流行于表面形式，导致了安全生产事故频繁发生！据统计，2000年建筑业发生事故846起，死亡987人，而2003年发生事故1278起，死亡1512人，死亡人数几乎翻了一倍。这是一组触目惊心的数据，是一个值得思考的严肃的问题。感应电动机直接转矩控制、三相永磁同步电动机直接转矩控制。

6.学习现代控制的意义现代控制理论在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域应用非常广泛，因此掌握现代控制理论的知识至关重要。同时，现代控制理论不仅是所学专业的理论基础，也是研究生阶段学习提高理论水平的重要知

2.建设工程安全事故频繁发生的原因分析

2.1 建筑业是高危险的行业建筑施工的特点决定了建筑业是高危险、事故多发行业：施工生产的流动性、建筑产品的单件性和类型多样性、施工生产过程的复杂性都决定了施工生产过程中不确定性，施工过程、工作环境必然呈多变状态因而容易发生安全事故。建筑产品的多样性决定了建筑安全的不断变化；建筑现场的千差万别决定了建设过程时刻会面临新安全问题的挑战。

2.2 施工现场存在的不安全因素复杂

建筑施工的高能耗、施工作业的高强度、施工现场的噪音、热量、有害识。因此更应该重视现代控制理论的学习为其他专业课的学习打下基础，并为相关方向的进一步研究做铺垫。

气体和滚滚尘土等，以及施工工人露天作业，受天气、温度影响较大，这些都是工人面对的不利工作环境和负荷。高温和严寒使得工人的体力下降，工作面的复杂使得工人注意力不集中，因此，高处坠落、物体打击、机械伤害、坍塌事故、触电等危险源令人防不胜防。

2.3 参建主体复杂，安全管理存在诸多漏洞

2.3.1 建设单位存在的问题建设单位是一个投资主体，其更注重于投资资金能不能节约一点，建设质量能否搞得更好点，建设进度能不能更快一点。而往往忽略保证足够资金用于安全防护，文明施工。特别是房地产商，是整个项目投资建设的老大，无论是勘察设计单位、施工

及稳定控制的研究[J].自动化技术与应用,2007(9).[4]王晓东.导弹和运载火箭姿态稳定与控制技术发展的回顾和展望[J].导弹与航天运载技术,2003(3).

参考文献：

[1]胡松涛.自动控制原理[M].科学出版社,2006,11.[2]张惠平,戴波,杨薇.现代控制理论在过程工业中的应用和发展[J].2006,9.

[3]李祥彬,李学仁.倒立摆系统可线性化建模条件

作者简介：

王凡（1980—），女，湖北汉川人，主要从事能源与动力研究。

郑卫刚（1967—），男，湖北武汉人，技师，主要研究方向：机电，发表论文50余篇。

61

现代控制理论概述及实际应用意义

王 凡 王思文 郑卫刚 武汉理工大学能源与动力工程学院

【摘 要】控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。本文介绍了现代控制理论的产生、发展、内容、研究

方法和应用以及经典控制理论与现代控制理论的差异，并介绍现代控制理论的应用。提出了学习现代控制理论的重要意义。【关键词】现代控制理论；差异；应用；意义

1.引言

控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。例如，我们的教学也使用了控制理论的方法。老师在课堂上讲课，大家在课堂上听，本身可看作一个开环函数；而同学们课下做作业，再通过老师的批改，进而改进和提高老师的授课内容和方法，这就形成了一个闭环控制。像这样的例子很多，都是控制理论在生活中的应用。现代控制理论如此广泛，因此学好现代控制理论至关重要。

2.现代控制理论的产生与发展现代控制理论的产生和发展经过了很长的时期。从现代控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。其产生和发展要分为以下几个阶段的发展。

2.1 现代控制理论的产生在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析与设计问题的解决。

科学技术的发展不仅需要迅速

地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。

2.2 现代控制理论的发展五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规则；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；1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理；罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、麦克法轮（G.J.MacFarlane）和欧文斯（D.H.Owens）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。

20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）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。

3.现代控制理论的内容及研究方法

现代控制理论的内容主要有为系统辨识；最优控制问题；自适应控制问题；线性系统基本理论；最佳滤波或称最佳估计。

（1）系统辨识

系统辨识是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，从一类给定的模型中确定一个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。

（2）最优控制问题

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。主要方法有变分法、极大值原理、动态规划等极大值原理。现代控制理论的核心即：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。

（3）自适应控制问题

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。模型参考自适应控制

59

英文为Model Reference Adaptive 态空间法、研究系统内部输入－状态Control。自校正自适应控制英文为Self-Turning Adaptive Control。

（4）线性系统基本理论包括系统的数学模型、运动的分析、稳定性的分析、能控及能观测性及状态反馈与观测器等问题。

（5）最佳滤波或称最佳估计当系统中存在随机干扰和环境噪声时，其综合必须应用概率和统计方法进行。即：已知系统数学模型，通过输入输出数据的测量，利用统计方法对系统状态估计。

建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法[1]。

4.经典控制理论与现代控制理论的差异

现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。现代控制理论还为设计和构造具有指定的性能指标的最优控制系统提供了可能性。

经典控制理论和现代控制理论有其共同点和差异。共同点主要表现在研究对象是一致的，都是系统。其区别主要表现在经典控制理论的研究工具是传递函数(结构图)，已有初始条件为零时才适用。现代控制理论状

（内部）－输出。

经典控制理论的特点研究对象是单输入、单输出线性定常系统。其解决方法主要有频率法、根轨迹法、传递函数。要用到的数学工具有拉氏变换、常微分方程。经典控制理论有其局限性主要表现在难以应用于时变系统、多变量系统。难以揭示系统更为深刻的特性。

现代控制理论是随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。其研究对象为多输入、多输出系统，线性、定常或时变、离散系统。解决方法主要是状态空间法（时域方法）。

用到的数学工具为线性代数、微分方程。内容上是线性系统理论、系统辨识、最优控制、自适应控制等。

总之，现代控制理论与古典控制理论的主要共同点是研究对象是相同的，都是研究系统的，并且在主要内容上也有相同之处。两者都是在分析研究系统的原理和性能上改变系统的可能性（即综合性能）。主要区别表现在经典控制理论的研究对象是单入单出的（SISO）系统，以及线性定常系统。用到的工具有传递函数。只有在已有处事条件为零时才适用试探法解决问题。包括PID串联等。现代控制理论的研究对象是多入多出（MIMO）系统、线性定长系统、非线性系统以及时变系统。用到的工具有状态空间法、研究系统内部输入-状态（内部）—输出。改善系统的方法

有状态反馈以及输出反馈[2]。

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。主要有倒立摆稳定控制、单级倒立摆稳定控制、二级倒立摆稳定控制、导弹稳定控制、地空导弹稳定控制、空空导弹稳定控制、航天器控制、卫星控制、月球车控制、机器人控制、空间机器人控制、足球机器人控制。总之现代控制理论在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域应用非常广泛[3]。

现代控制理论在战术上的应用主要是其在战术导弹上的应用。利用现代控制理论的方法寻找定制导弹的最优导引规律。如应用最优控制理论来研究自动导引的空-空或地-空导弹[4]。

现代控制理论在电机控制中也有重要的应用，1971年，德国学者Blaschke提出了交流电动机矢量控制，它的出现对电机控制技术的研究具有划时代的意义，使电机控制技术的发展步入了一个全新的阶段。1985年德国学者Depenbrock提出了直接转矩控制理论，由于他直接控制定子磁链空间矢量和电磁转矩，使控制系统得以简化，并提高了快速响应能力。

现代控制理论在电机控制中的具体应用主要有三相感应电动机的矢量控制、永磁电动机矢量控制、三相

关于建设工程安全生产管理的探讨

庄锡东 青岛阳光东辉建设集团有限公司

【摘 要】建筑施工的特点决定了建筑业是高危险、事故多发行业：施工生产的流动性、建筑产品的单件性和类型多样性、施工生产过程的

复杂性都决定了施工生产过程中不确定性，因而容易发生安全事故。笔者根据多年的工作实践，分析了建设工程安全事故的种种诱因，并提出了相应的对策措施。

【关键词】建设工程；安全生产；管理

1.建设工程安全事故频繁发生建筑业是我国国民经济的支柱产业之一，建筑产品为国民经济的发展奠定了重要的物质基础。我国建筑业从业人数由90年代初的2500万人，到2003年升至3893万人，完成建筑业产值突破21865.49亿元。改革开放以来，随着我国建筑事业的迅猛发展，大量的农民工涌入城市的建筑队伍。建设的高潮一浪高于一浪，而安全生产管理滞后，甚至流行于表面形式，导致了安全生产事故频繁发生！据统计，2000年建筑业发生事故846起，死亡987人，而2003年发生事故1278起，死亡1512人，死亡人数几乎翻了一倍。这是一组触目惊心的数据，是一个值得思考的严肃的问题。感应电动机直接转矩控制、三相永磁同步电动机直接转矩控制。

6.学习现代控制的意义现代控制理论在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域应用非常广泛，因此掌握现代控制理论的知识至关重要。同时，现代控制理论不仅是所学专业的理论基础，也是研究生阶段学习提高理论水平的重要知

2.建设工程安全事故频繁发生的原因分析

2.1 建筑业是高危险的行业建筑施工的特点决定了建筑业是高危险、事故多发行业：施工生产的流动性、建筑产品的单件性和类型多样性、施工生产过程的复杂性都决定了施工生产过程中不确定性，施工过程、工作环境必然呈多变状态因而容易发生安全事故。建筑产品的多样性决定了建筑安全的不断变化；建筑现场的千差万别决定了建设过程时刻会面临新安全问题的挑战。

2.2 施工现场存在的不安全因素复杂

建筑施工的高能耗、施工作业的高强度、施工现场的噪音、热量、有害识。因此更应该重视现代控制理论的学习为其他专业课的学习打下基础，并为相关方向的进一步研究做铺垫。

气体和滚滚尘土等，以及施工工人露天作业，受天气、温度影响较大，这些都是工人面对的不利工作环境和负荷。高温和严寒使得工人的体力下降，工作面的复杂使得工人注意力不集中，因此，高处坠落、物体打击、机械伤害、坍塌事故、触电等危险源令人防不胜防。

2.3 参建主体复杂，安全管理存在诸多漏洞

2.3.1 建设单位存在的问题建设单位是一个投资主体，其更注重于投资资金能不能节约一点，建设质量能否搞得更好点，建设进度能不能更快一点。而往往忽略保证足够资金用于安全防护，文明施工。特别是房地产商，是整个项目投资建设的老大，无论是勘察设计单位、施工

及稳定控制的研究[J].自动化技术与应用,2007(9).[4]王晓东.导弹和运载火箭姿态稳定与控制技术发展的回顾和展望[J].导弹与航天运载技术,2003(3).

参考文献：

[1]胡松涛.自动控制原理[M].科学出版社,2006,11.[2]张惠平,戴波,杨薇.现代控制理论在过程工业中的应用和发展[J].2006,9.

[3]李祥彬,李学仁.倒立摆系统可线性化建模条件

作者简介：

王凡（1980—），女，湖北汉川人，主要从事能源与动力研究。

郑卫刚（1967—），男，湖北武汉人，技师，主要研究方向：机电，发表论文50余篇。

61