学院：__机械与车辆学院_
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专业：___交通运输工程__
《现代控制理论》学习心得
摘 要：从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。现代控制论是用状态空间方法表示,概念抽象,不易掌握。对于《现代控制理论》这门课程，本人选择了最为感兴趣的几个知识点进行分析，并谈一下对于学习这么课程的一点心得体会。
关键词：现代控制理论；学习策略；学习方法；学习心得
在现代科学技术飞速发展中,伴随着学科的高度分化和高度综合,各学科之间相互交叉、相互
渗透,出现了横向科学。作为跨接于自然科学和社会科学的具有横向科学特点的现代控制理论已成为我国理工科大学高年级的选修课和研究生的学位课。
从经典控制论发展到现代控制论，是人类对控制技术认识上的一次飞跃。经典控制论限于处理单变量的线性定常问题，在数学上可归结为单变量的常系数微分方程问题。现代控制论面向多变量控制系统的问题，它是以矩阵论和线性空间理论作为主要数学工具，并用计算机来实现。现代控制论来源于工程实际，具有明显的工程技术特点，但它又属于系统论范畴。系统论的特点是在数学描述的基础上，充分利用现有的强有力的数学工具，对系统进行分析和综合。系统特性的度量，即表现为状态；系统状态的变化，即为动态过程。状态和过程在自然界、社会和思维中普遍存在。现代控制论是在引入状态和状态空间的概念基础上发展起来的。状态和状态空间早在古典动力学中得到了广泛的应用。在5O年代Mesarovic教授曾提出“结构不确定性原理”，指出经典理论对于多变量系统不能确切描述系统的内在结构。后来采用状态变量的描述方法，才完全表达出系统的动力学性质。6O年代初，卡尔曼(Kalman)从外界输入对状态的控制能力以及输出对状态的反映能力这两方面提出能控制性和能观性的概念。这些概念深入揭示了系统的内在特性。实际上，现代控制论中所研究的许多基本问题，诸如最优控制和最佳估计等，都是以能能控性和能观性作为“解”
的存在条件的。
现代控制理论是一门工程理论性强的课程，在自学这门课程时，深感概念抽象，不易掌握；学完之后，从工程实际抽象出一个控制论方面的课题很难，如何用现代控制论的基本原理去解决生产实际问题则更困难，这是一个比较突出的矛盾。
对现代控制理论来说，首先遇到的问题是将实际系统抽象为数学模型，有了数学模型，才能有效地去研究系统的各个方面。许多机电系统、经济系统、管理系统常可近似概括为线性系统。线性系统和力学中质点系统一样，是一个理想模型，理想模型是研究复杂事物的主要方法，是对客观事物及其变化过程的一种近似反映。现代控制论从自然和社会现象中抽象出的理想模型，用状态空间方法表示，再作理论上的探讨。
线性系统理论是一门严谨的科学。抽象严谨是其本质的属性，一旦体会到数学抽象的丰富含义，再不会感到枯燥乏味。线性系统理论是建立在线性空间的基础上的，它大量使用矩阵论中深奥的内容，比如线性变换、子空间等，是分析中最常用的核心的内容，要深入理解，才能体会其物理意义。比如，状态空间分解就是一种数学分析方法。在控制论中把实际系统按能控性和能观性化分成四个子空间，它们有着确切的物理概念。线性变换的核心
思想在于：线性系统的基本性质(如能控性、能观性、极点、传递函数等)在线性变换下都不改变，从而可将系统化为特定形式，使问题的研究变得简单而透彻。
在学习现代控制理论教材时，发现不少“引而未发”的问题。由于作者有丰富的教学经验与学术造诣，能深入浅出阐述问题，发人深省。因此，通过自己反复阅读教材，就能理解这些内容。比如，在探讨线性系统的传递函数的零极点相消时，如果潜伏着不稳定的振型，从数字表达式看不出什么问题，但会影响整个系统的运行稳定性。那么，用什么方法消除其影响，在什么情况下又不能消除，这一系列疑点，需要我独立思考。又如在构造李雅普诺夫(Lia．punov)函数判定线性系统的稳定性时，如果构造不出这种函数，是否就意味着这个系统不稳定了呢?不是的。因为这种判定方法，只给出一个充分条件，而不是必要条件。况且实际系统基本上都是非线性系统。在具体运算中，又如在观测设计时，对同一问题，大家所得的“解”互不相同。这正是在不同变换下，系统的过程与状态的描述各不相同，有如同一条曲线在不同坐标系里有不同的方程一样；同一物理现象，在不同的参照系内有不同的表述。这些都是教材中“引而未发”、引人深思的问题。
在人一生的学习中，必须逐步培养一种正确的学习方法，才能通过自己的深入体会，加深
对教材的真正理解。特别是概念的外延和内涵，不能随意扩大或缩小，否则会在运用公式定理去解答复杂问题时出现错误。与此同时，要注意发展自己对时间和空间的想象力。爱因
斯坦说：“想象力比知识更重要”。
现代控制理论是由经典控制理论发展而来的，而控制理论本身作为一种方法，在机械、电气、控制等多个领域都有广泛的应用，科学中涉及的大多数问题都可以用系统的概念来分析和处理。从经典控制论发展到现代控制论,是人类对控制技术认识上的一次飞跃。经典控制论限于处理单变量的线性定常问题,在数学上可归结为单变量的常系数微分方程问题。现代控制论面向多变量控制系统的问题,它是以矩阵论和线性空间理论作为主要数学工具,并用计算机来实现。
《现代控制理论》是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。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。
学习了这门课程之后，我发觉其具有很大的普适性，如微积分、线性代数一样，是解决工程问题的工具学科。我在学习这门课程时细心研读，但仍深感概念抽象，不易掌握，学完之后，感觉如何应用用现代控制论的基本原理去解决生产实际问题则更困难。
一、现代控制理论的发展过程
现代控制理论是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展起来的。空间技术的发展迫切要求建立新的控制原理，以解决诸如把宇宙火箭和人造卫星用最少燃料或最短时间准确地发射到预定轨道一类的控制问题。这类控制问题十分复杂，采用经典控制理论难以解决。1958年，苏联科学家Л.С.庞特里亚金提出了名为极大值原理的综合控制系统的新方法。在这之前,美国学者R.贝尔曼于1954年创立了动态规划,并在1956年应用于控制过程。他们的研究成果解决了空间技术中出现的复杂控制问题，并开拓了控制理论中最优控制理论这一新的领域。1960～1961年，美国学者R.E.卡尔曼和R.S.布什建立了卡尔曼-布什滤波理论,因而有可能有效地考虑控制问题中所存在的随机噪声的影响，把控制理论的研究
范围扩大，包括了更为复杂的控制问题。几乎在同一时期内，贝尔曼、卡尔曼等人把状态空间法系统地引入控制理论中。状态空间法对揭示和认识控制系统的许多重要特性具有关键的作用。其中能控性和能观测性尤为重要，成为控制理论两个最基本的概念。到60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统的新的原理和方法已经确立，这标志着现代控制理论的形成。
二、现代控制理论的学科内容
现代控制理论所包含的学科内容十分广泛,主要的方面有:线性系统理论、非线性系统理论、最优控制理论、随机控制理论和适应控制理论。
线性系统理论 它是现代控制理论中最为基本和比较成熟的一个分支，着重于研究线性系统中状态的控制和观测问题，其基本的分析和综合方法是状态空间法。按所采用的数学工具，线性系统理论通常分成为三个学派：基于几何概念和方法的几何理论，代表人物是W.M.旺纳姆;基于抽象代数方法的代数理论,代表人物是R.E.卡尔曼；基于复变量方法的频域理论，代表人物是H.H.罗森布罗克。
非线性系统理论 非线性系统的分析和综合理论尚不完善。研究领域主要还限于系统的运动稳定性、双线性系统的控制和观测问题、非线性反馈问题等。更一般的非线性系统理论还有待建立。从70年代中期以来，由微分几何理论得出的某些方法对分析某些类型的非线性系统提供了有力的理论工具。
最优控制理论 最优控制理论是设计最优控制系统的理论基础，主要研究受控系统在指定性能指标实现最优时的控制规律及其综合方法。在最优控制理论中，用于综合最优控制系统的主要方法有极大值原理和动态规划。最优控制理论的研究范围正在不断扩大，诸如大系统的最优控制、分布参数系统的最优控制等。
论学习随机控制理论 随机控制理论的目标是解决随机控制系统的分析和综合问题。维纳滤波理论和卡尔曼-布什滤波理论是随机控制理论的基础之一。随机控制理论的一个主要组成部分是随机最优控制，这类随机控制问题的求解有赖于动态规划的概念和方法。
适应控制理论 适应控制系统是在模仿生物适应能力的思想基础上建立的一类可自动调整本身特性的控制系统。适应控制系统的研究常可归结为如下的三个基本问题：①识别受控对象的动态特性；②在识别对象的基础上选择决策；③在决策的基础上做出反应或动作。
三、现代控制理论的学习策略
俗话说的好，兴趣是最好的老师。然而从状态空间表达式开始，就从没有离开过大量复杂的数学公式和生硬的理论，这些内容是十分生硬枯燥的，我记得自己看书的时候经常看着看着就犯困了。那么，我们该如何才能学好现代控制理论这门课呢？
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