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2011-2012 学年第一学期硕士研究生课程 现代控制工程考试试题 一、概念简述(10分) 1、控制工程理论（控制科学）的基本任务及广义定义。 答：（1）基本任务是主要研究动态系统的系统分析、优化和综合等问题。所谓动态系 统（又称为动力学系统），抽象地说是指能储存信息（或能量）的系统。 （2）广义定义： 定义1：研究由各种相关元素组成的系统的调节、组织管理和控制的一般性规律的科 学方法论。 定义2：研究包括人在内的生物系统和包括工程在内的非生物系统，以及与两者均有 关联的社会经济系统的内部通信、控制、调节、组织、平衡、稳定、计算及其与周围环 境相互作用或反馈的、各种自然科学和社会经济学统一的科学方法论。 2、控制系统的基本构成及特点。 答：（1）控制系统主要由动态被控对象系统、实现控制作用的控制机构、完成数据收 集的检测机构，以及实现性能指标评价和信息处理的计算机构等部分构成。 （2）控制系统的主要特点为：以动态系统为控制对象，通过施加必要的操作，实 现对象系统状态按照指定的规律进行变化，达到某一特定功能；强调动态过程和动态行 为的目的性、稳定性、能观测性、可控性、最优性以及时实性等；控制系统的数学模型 主要用微分方程描述，设计方法为动态优化方法。 3、现代控制理论的主要内容。 答：（1）线性系统理论：着重于研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的 可能性和方法，以建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的定量关系。线性系统理 论的主要内容有系统的结构性问题以及线性状态反馈及极点配置、镇定、解耦和状态观 测等问题。 （2）最优控制理论：是研究被控系统在给定的约束条件和性能指标下，寻求使性能 指标达到最佳值的控制规律问题。最优控制理论的基本内容和常用方法是动态规划、最 大值原理和变分法。 （3）随机系统理论和最优估计：随机系统理论将各种未知的、不能建模的内外部扰 动和误差，用不恩能够直接测量的随机变量及过程以概率统计的方式来描述，并利用随 机代数方程以及随机差分方程作为系统动态模型来刻画系统的特性和本质；最优估计讨 论的是如何根据系统的输入、输出信息，估计或构造出随机动态系统中不能直接测量的 状态变量的值。 1 （4）系统辨识：是利用系统在试验或实际运行中测得的输入输出数据，运用数学方 法归纳构造描述系统动态特性的数学模型，并估计其参数的理论和方法。系统辨识包括 两个方面：结构辨识和参数估计。系统辨识是最重要的试验建模方法，也是控制理论实 现和应用的基础。 （5）自适应控制：研究当被控系统的数学模型未知或者被控系统的结构和参数随时 间和环境变化而变化时，通过实时在线修正控制系统的结构或参数使其能主动适应变化 的理论和方法。自适应控制系统通过不断的测量系统的输入、状态、输出或性能参数， 逐渐了解和掌握对象，然后根据所得的信息按一定的设计方法做出决策，去更新控制器 的结构和参数，以适应环境的变化，达到所要求的控制性能指标。主要类型包括自校正 控制系统、模型参考自适应控制系统、自寻最优控制系统、学习控制系统等。 （6）非线性系统理论：主要有以下几种方法①李雅普诺夫方法是迄今为止最完善、 最一般化的非线性方法，但是在分析稳定性或镇定综合时都欠缺构造性；②变结构控制， 由于其滑动模型（Sliding-Mode）具有对外界扰动和系统结构摄动的不变性，到20 世纪 80 年代受到研究者的重视，是一种实用的非线性控制的综合方法；③微分几何法，是非 线性控制系统研究的主流，为非线性系统的结构分析、分解以及与结构有关的控制设计 带来极大方便。缺点表现在它的复杂性、无层次性、准线性控制以及空间测度被破坏等 方面。 （7）鲁棒性分析与鲁棒控制：系统的鲁棒性是指所关注的系统性能指标对系统的不 确定性（如系统的未建模动态、系统的内部和外部扰动）的不敏感性。鲁棒性分析讨论 的是各种控制系统对所关注的性能指标的鲁棒性，给出系统能保持该性能指标的最大容 许建模误差和内、外部扰动的上确界。对各种不确定性，鲁棒控制主要研究的是设计有 鲁棒性的控制理论和方法。如何有效利用过程信息来降低系统的不确定性，是鲁棒控制 研究的重要内容。 （8）分布参数控制：分布参数系统是无穷维系统，一般由偏微分方程、积分方程、 泛函数微分方程或抽象空间中的微分方程描述。主要特