自動控制的一般概念和基本要求

1、自動控制的一般概念和基本要求第一章 自動控制的一般概念1-1 自動控制的基本原理與方式1-2 自動控制系統(tǒng)示例1-3 自動控制系統(tǒng)的分類1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5 自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計工具221-1 自動控制的基本原理與方式自動控制科學的發(fā)展(一) 經(jīng)典控制理論(二) 現(xiàn)代控制理論(三) 智能控制理論331. 最早： 中國：產(chǎn)生“控制”的思想，而非理論4指南車候風地動儀漏水轉(zhuǎn)渾天儀(一) 經(jīng)典控制理論55銅壺滴漏整件滴漏由四個銅壺組成，分別是日壺、月壺、星壺、受水壺。保持星壺的水位恒定是滴漏計時準確的關(guān)鍵。星壺上部有一個小洞，如果月壺滴下的水多了，便從這里流出，使星壺的水量保持

2、恒定，以便均勻地滴水給受水壺。受水壺中水逐漸增加，浮舟托起木箭上升。將木箭的頂端與銅表尺刻度對照，得到時間。 國外：出現(xiàn)反饋控制裝置 希臘人凱特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年在油燈中使用浮子調(diào)節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。 現(xiàn)代歐洲最先發(fā)明反饋控制的是荷蘭的德勒貝爾，使用了溫度反饋控制。 鄧尼斯帕平最先發(fā)明了蒸汽閥的壓力控制器。 1765年，普爾佐諾夫發(fā)明了浮子閥門式水位調(diào)節(jié)器，用于蒸汽鍋爐水位的自動控制。662. 閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與應(yīng)用 歐洲工業(yè)革命的標志：James Watt于1765年在薩維利發(fā)明的蒸汽機的基礎(chǔ)上改進的現(xiàn)代意義上的蒸汽機。 1770年，他利用離心式飛錘調(diào)

3、速器構(gòu)建了蒸汽機的轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在鍋爐壓力和負荷變化的條件下，通過離心式調(diào)速器自動調(diào)節(jié)進氣閥門的開度，使蒸汽機轉(zhuǎn)速維持在一定的范圍內(nèi)。77詹姆斯瓦特缺點：調(diào)速系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩問題，當振蕩過大時會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)性能差，存在穩(wěn)態(tài)誤差第三章) 如何解決？88轉(zhuǎn)速自動控制原理3. 經(jīng)典控制理論的發(fā)展階段 3.1 穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)第三章 1868年，英國J.C. Maxwell以離心式調(diào)速器為背景，在論文論調(diào)節(jié)器中指出速度反饋控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，可通過線性常微分方程從理論上給出四階以下的穩(wěn)定條件-取決于特征方程的根是否具有負實部99麥克斯韋穩(wěn)定性 1872年，俄國維什聶

4、格拉斯基對蒸汽機的穩(wěn)定性問題進行研究，在論文論調(diào)整器的一般原理中將線性微分方程簡化成由調(diào)整對象和調(diào)整器組成的系統(tǒng)，同時結(jié)合直接作用于蒸汽機的調(diào)速器的特性，指出如何選擇參數(shù)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 1878年，他還對非線性繼電器型調(diào)整器進行了研究。維什聶格拉斯基在蘇聯(lián)被視為自動調(diào)整理論的奠基人。1010 1807年，美國機械師R. Fulton設(shè)計出世界上第一艘蒸汽機帶動車輪撥水的“克萊蒙特”號蒸汽輪船，故其被稱為“輪船之父”。11羅伯特富爾頓克萊蒙特號下水 1865年，在安慶內(nèi)軍械所由徐壽、華蘅芳設(shè)計建造了我國第一艘明輪推進的蒸汽機輪船“黃鵠”號。12徐壽華蘅芳黃鵠號復原圖 1866年，英國J.M.

5、 Gray設(shè)計出第一艘明輪驅(qū)動的全自動蒸汽輪船“東方”號133.2 勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)第三章 1877年，英國E.J. Routh提出根據(jù)多項式的系數(shù)決定多項式在右半平面的根的數(shù)目，從而將當時各種有關(guān)穩(wěn)定性的孤立的結(jié)論和非系統(tǒng)的結(jié)果統(tǒng)一起來，開始建立有關(guān)動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。1414勞斯 1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨立給出了根據(jù)多項式的系數(shù)決定多項式的根是否都具有負實部的另一種方法。這兩種判據(jù)實質(zhì)是一樣的，都是根據(jù)特征方程的系數(shù)來判斷高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1515赫爾維茨3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)第九章 1892年，俄國在其天才般的博士論文運動穩(wěn)定性的

6、一般問題中提出了李亞普諾夫方法，即李亞普諾夫第一法(間接法)和李亞普諾夫第二法(直接法)。其中李雅普諾夫第二法不僅可用于線性系統(tǒng)而且可用于非線性時變系統(tǒng)的分析與設(shè)計。1616李雅普諾夫3.4 PID控制理論第六章 1922年，美國N. Minorsky基于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)提出位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出控制規(guī)律的公式。 1942年，美國Tatlor儀器公司的J.G. Ziegler和N.B. Nichols給出PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。17尼柯爾斯 這一時期討論的問題主要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)偏差，所用的數(shù)學工具是微分方程解析法。這些是在時間域上進行討論的，通常稱這些方法為

7、控制理論的時域分析法。 1818 由于電子元器件的非線性特性不便用代數(shù)判據(jù)來分析其穩(wěn)定性；而有些系統(tǒng)不僅對穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度有要求，且對過渡過程的快速性和平穩(wěn)性亦做出一定的要求，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，需要控制系統(tǒng)具有準確的跟蹤與補償能力，促使反饋控制系統(tǒng)的研制與理論研究有了很大的發(fā)展。3.5 負反饋理論的發(fā)展與應(yīng)用 1927年，貝爾實驗室的美國電氣工程師H.S. Black首先提出基于誤差補償?shù)那梆伔糯笃?，在此基礎(chǔ)上最終提出負反饋放大器并對其進行數(shù)學分析。 負反饋可以通過降低增益來改善器件的線性性能。但如果放大器沒有正確地設(shè)計為負反饋，那么放大器會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，從而使工作變得不穩(wěn)定。 如何判

8、斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？1919布萊克3.6 奈氏判據(jù)第五章 1932年，貝爾實驗室的美國物理學家H. Nyquist在傅氏變換的基礎(chǔ)上提出以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)。此判據(jù)不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以用來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。 奈氏判據(jù)是頻率響應(yīng)法的基礎(chǔ)，為具有高質(zhì)量的動態(tài)品質(zhì)和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。2020乃奎斯特 1938年，貝爾實驗室的美國應(yīng)用數(shù)學家H.W. Bode進一步研究通信系統(tǒng)頻域的方法，提出頻域響應(yīng)的半對數(shù)坐標圖描述法(Bode圖)，使頻率特性的繪制更適于工程設(shè)計。 1940年，N.B. Nichols進一步將頻率響應(yīng)法加以發(fā)展，提出對數(shù)幅相曲線(尼柯爾

9、斯圖)。2121伯德至此經(jīng)典控制理論的頻域分析法建立，其主要用于描述反饋放大器的帶寬和其它頻域指標。3.7 傳遞函數(shù)第二章 1942年，美國H. Harris在拉普拉斯變換的基礎(chǔ)上引入傳遞函數(shù)的概念，用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息的概念描述系統(tǒng)的性能和關(guān)系，使頻域法更具普遍意義。 1943年，A.C. Hall利用傳遞函數(shù)和方框圖，將通信工程的頻率響應(yīng)法與機械工程的時域分析法相統(tǒng)一，被稱為復域法。22223.8 根軌跡的建立第四章 1948年，美國的W.R. Evans利用閉環(huán)特征方程的根在開環(huán)參數(shù)變化時的軌跡來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)參數(shù)與時域性能指標變化間的關(guān)系，提出完整的根軌跡法。232

10、3伊萬斯至此，以時域法、根軌跡法、頻率特性法為核心的經(jīng)典控制理論的框架已構(gòu)建完畢。3.9 控制論的建立 19321934年， 美籍奧地利理論生物學家和哲學家L.V. Bertalanffy提出用數(shù)學模型來研究生物學的方法和機體系統(tǒng)論的概念； 1945年，發(fā)表關(guān)于一般系統(tǒng)論，并指出不論系統(tǒng)的具體種類、組成部分的性質(zhì)和它們之間的關(guān)系如何，存在著適用于綜合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一般模式、原則和規(guī)律；2424貝塔朗斐 1942年，美國數(shù)學家N. Wiener提出著名的維納濾波理論。 1943年，在行為、目的和目的論中首先提出“控制論”這一概念，第一次把只屬于生物的有目的的行為賦予機器，闡明了控制論的基本思想。

11、 1948年，發(fā)表控制論：或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學，為控制論奠定了理論基礎(chǔ)，標志著控制論的誕生。2525維納 1954年，錢學森在工程控制論中把設(shè)計穩(wěn)定與制導系統(tǒng)這類工程技術(shù)實踐作為主要研究對象，系統(tǒng)地闡述了控制論與工程結(jié)合的理論和應(yīng)用，標志著控制論的第一個分支學科“工程控制論”誕生。2626錢學森總結(jié):經(jīng)典控制理論的分析方法為復數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學模型，常利用圖表進行分析設(shè)計，比求解微分方程簡便。優(yōu)點:可通過實驗法建立數(shù)學模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應(yīng)用。缺點:只適應(yīng)單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)缺少了解，且復數(shù)域方法研究時域特性，得不到精確的結(jié)果。2727

12、至此，形成了以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的完整的經(jīng)典控制理論體系。主要研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題。4. 脈沖控制理論的建立與發(fā)展第七章4.1 脈沖理論的建立與發(fā)展 1928年， H. Nyquist首先證明把正弦信號從它的采樣值復現(xiàn)出來，每周期至少必須進行兩次采樣。 1933年，蘇聯(lián)工程師科捷利尼科夫首次用公式嚴格地表述這一定理，故在蘇聯(lián)文獻中稱為科捷利尼科夫采樣定理。2828 1938年，美國數(shù)學家C. E. Shannon在碩士論文繼電器與開關(guān)電路的符號分析中將布爾代數(shù)的“真”與“假”和電路的“開”與“關(guān)”對應(yīng)起來，用布爾代數(shù)分析并優(yōu)化開關(guān)電路，奠定了數(shù)字電路的基礎(chǔ)。 1948年，

13、在發(fā)表的通信的數(shù)學原理中提出“信息熵”的概念，解決了對信息量化的度量問題，為信息論和數(shù)學通信奠定了基礎(chǔ)。2929香農(nóng) 1949年，在發(fā)表的噪聲下的通信中將乃奎斯特的采樣定理加以明確說明并作為定理引用。 二戰(zhàn)期間為軍事領(lǐng)域的密碼分析做出貢獻，1949年，發(fā)表保密系統(tǒng)的通信原理使保密通信由藝術(shù)變?yōu)榭茖W；并于同年證明一次性密鑰是無法被破譯的。 除此之外，對將連續(xù)的模擬信號抽樣成離散的數(shù)字信號的抽樣分析理論也有貢獻，奠定了數(shù)字通信的基礎(chǔ)理論。304.2 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù) 1944年，R.C. Oldenbourg與以及1948年Tsypkin年分別提出脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，即線性差分方程的所有特征根

14、應(yīng)位于單位圓內(nèi)；并提出一種變換將Z平面的單位圓內(nèi)部轉(zhuǎn)換到新平面的左半面的方法，即可使用Routh-Hurwitz判據(jù)；將連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析方法引入離散系統(tǒng)分析，則求得離散型頻率特性后，奈氏穩(wěn)定判據(jù)和其他一切研究線性系統(tǒng)的頻率法都可應(yīng)用。314.3 Z變換理論 1947年，波蘭數(shù)學家W. Hurewicz引進一個變換來處理離散序列。 在此基礎(chǔ)上，Tsypkin于1949年及J.R. Ragazzini 和L.A. Zadeh于1952年分別定義和提出了Z變換的方法，大大簡化了運算步驟并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。32胡雷維奇 由于Z變換只能反應(yīng)脈沖系統(tǒng)在采樣點的運動規(guī)律，故Tsypkin

15、、R.H. Barker和E.I. Jury又分別于1950年、1951年和1956年提出了廣義Z變換或修正Z變的方法。 脈沖理論的許多工作是由哥倫比亞大學的 Ragazzini及其博士生Jury(離散系統(tǒng)的朱利穩(wěn)定判據(jù)，離散系統(tǒng)的能觀性與能達性分析)、R. E. Kalman (卡爾曼濾波、離散狀態(tài)方法、離散系統(tǒng)的能控與能觀性分析)等完成的。3333卡爾曼 當把這種理論推廣到更為復雜的系統(tǒng)時，經(jīng)典控制理論就顯得無能為力了，這是由它的以下幾個特點所決定。1只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使對最簡單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的； 2只限于分析和設(shè)計SISO系統(tǒng)，采用系統(tǒng)的輸入輸出描述方式，從本質(zhì)上忽略了

16、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性； 3采用試探法設(shè)計系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗選用合適的、簡單的、工程上易于實現(xiàn)的控制器，然后對系統(tǒng)進行分析，直至找到滿意的結(jié)果為止。 3434 綜上所述，經(jīng)典控制理論的最主要的特點是：線性定常對象，單輸入單輸出，完成特定任務(wù)。即便對這些極簡單的對象、對象描述及控制任務(wù)，理論上也尚不完整，從而促使現(xiàn)代控制理論的發(fā)展：對經(jīng)典控制的精確化、數(shù)學化及理論化。 3535(二) 現(xiàn)代控制理論第九章、第十章 20世紀50年代中期，在蓬勃興起的航空航天技術(shù)的推動和計算機技術(shù)飛速發(fā)展的支持下，迫切地需要解決多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及時變系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，如：火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度

17、、快速響應(yīng)、最少燃料和最短路徑等。這些問題難以用經(jīng)典控制理論解決。3636 1892年，Lyapunov提出的穩(wěn)定性理論被應(yīng)用到現(xiàn)代控制理論中。 1954年，美國數(shù)學家R. Bellman提出了狀態(tài)分析法，并于1957年提出動態(tài)規(guī)劃理論。 1956年，俄羅斯數(shù)學家Pontryagin提出極小值原理。 這為最優(yōu)控制提供了理論基礎(chǔ)。3737貝爾曼龐特里亞金 1959年，匈牙利裔美國數(shù)學家Kalman提出了卡爾曼濾波理論，于1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功應(yīng)用狀態(tài)空間法，并提出了能控性和能觀性的概念，實現(xiàn)了多變量最優(yōu)控制和最優(yōu)濾波理論。 3838 至此，以狀態(tài)方程為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡

18、爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論建立形成?？柭?現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要數(shù)學工具，以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，分析與設(shè)計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質(zhì)上是一種時域的方法，它不僅描述系統(tǒng)的外部特性，而且可以揭示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標是在揭示系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構(gòu)成帶有更高的仿生特點，即不限于單純的閉環(huán)，而擴展為適應(yīng)環(huán)、學習環(huán)等。較之經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論的研究對象要廣泛得多，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的、時變的、離散的。 3939現(xiàn)代控制理論具有以下特點： 1

19、. 控制對象結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。控制對象結(jié)構(gòu)由簡單的單回路模式向多回路模式轉(zhuǎn)變，即從單輸入單輸出向多輸入多輸出。它能夠處理極為復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制問題。 2. 研究工具的轉(zhuǎn)變。(1) 積分變換法向矩陣理論、幾何方法轉(zhuǎn)變，由頻率法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究；(2) 計算機技術(shù)發(fā)展，由手工計算轉(zhuǎn)向計算機計算。 3. 建模手段的轉(zhuǎn)變。由機理建模向統(tǒng)計建模轉(zhuǎn)變，開始采用參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識的統(tǒng)計建模方法。4040(三) 智能控制理論 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和研究對象的復雜性，控制器及控制任務(wù)和目的的復雜性，并且被控對象具有不確定性、變結(jié)構(gòu)、模糊性、強耦合性、時變性和非線性等，很難精確地建立數(shù)學模型，因此，借助于數(shù)

20、學模型描述和分析的傳統(tǒng)控制理論已難以解決復雜系統(tǒng)的問題。這就促使了智能控制理論的產(chǎn)生。41411965年，美籍華裔科學家傅京孫教授首先把人工智能的直覺推理方法應(yīng)用于學習控制系統(tǒng)，將智能控制概括為自動控制和人工智能的結(jié)合。 1966年，美國J.M. Mendel進一步在空間飛行器的學習控制系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù)，并首先提出了“人工智能控制”的概念。 1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。42傅京孫 1971年，傅京孫提出智能控制就是人工智能與自動控制的交叉的“二元論”思想，列舉三種智能控制系統(tǒng)：人作為控制器、人機結(jié)合作為控制器、自主機器人。 1977年，Saridis提出了智能控制是人工智能、運籌學、自動控制相交叉的“三元論”思想及分級遞階的智能控制系統(tǒng)框架。 1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一界智能控制學術(shù)討論會。43431987年1月，在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了第一界智能控制國際會議，這標志著智能控制作為一門新學科正式建立起來。4444智能控制的主要形式智能控制的主要技術(shù)方法 智能控制是以控制理論、計算機科學、人工智能、運籌學等學科為基礎(chǔ),擴展了相關(guān)的理論和技術(shù),