上交815-控制理論基礎(chǔ)-交大課件第1章

控制理論基礎(chǔ)(I)交通大學(xué)精品課程系列課程負責(zé)人：丁漢教授

顧問：王顯正教授2004.4.30第一章緒論本章主要內(nèi)容:

I.I

I.2

I.3

I.4I.5

I.6控制的定義控制系統(tǒng)的工作原理和組成控制理論的中心問題控制理論基礎(chǔ)(Ⅰ)的學(xué)習(xí)內(nèi)容控制理論的歷史發(fā)展參考文獻控制的本意

:為了達到某種目的對事物進行支配、管束、管制、管理、監(jiān)督、鎮(zhèn)壓。

自動控制:

在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱）,使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。Part1.1

控制的定義例1.[鋼鐵軋制]:軋出厚度一致的高精度鐵板溫度控制,生鐵成分控制,厚度控制,張力控制,等等。例2.[程控機床]:自動進刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補控制，進給量控制,等等?？刂蒲b置或控制器被控對象被控量Part1.2

控制系統(tǒng)的工作原理和組成恒溫箱溫度控制人工控溫自動控溫液位控制系統(tǒng)人工/自動控制!SomeExamples

[動態(tài)過程]觀測恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進行比較得到溫度偏差的大小和方向根據(jù)偏差大小和方向調(diào)節(jié)調(diào)壓器，控制加熱電阻絲的電流以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。[實質(zhì)]檢測偏差再糾正偏差。1.人工控制恒溫箱123Part1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(gòu)拖動調(diào)壓器動觸頭。當(dāng)溫度偏高時，動觸頭向減小電流的方向運動，反之加大電流，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u=0,電機停止轉(zhuǎn)動。[動態(tài)過程]2.恒溫箱自動控制系統(tǒng)恒溫箱實際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實際溫度u2比較得到溫度偏差信號u=u1-u2系統(tǒng)原理方塊圖[實質(zhì)]檢測偏差糾正偏差控制系統(tǒng)的工作原理從恒溫箱控制系統(tǒng)功能框圖可見：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量，也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生偏差（給定信號與返回的輸出信號之差）信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，故稱之為反饋控制。顯然：反饋控制建立在偏差基礎(chǔ)上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”。Part1.2.2

控制系統(tǒng)的基本類型按輸入量特征分類按傳遞信號分類按系統(tǒng)構(gòu)成分類按信號傳遞方向恒值控制連續(xù)控制開環(huán)控制前饋控制程序控制離散（數(shù)字）控制閉環(huán)控制反饋控制隨動控制半閉環(huán)控制詳見Part1.4.1

按照預(yù)先確定的順序，或按照一定邏輯順序逐次對各個階段進行控制。條件（連鎖）控制：若設(shè)定的條件成立時，使機器運行E.g.一般機械的控制時間控制：某臺機器的操作經(jīng)過規(guī)定的時間后，使下一個機器運行E.g.交通信號燈E.g.洗衣機順序控制：使機器按著制定的操作順序運行E.g.馬達和機械的順序啟動E.g.氖燈廣告程序控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制

開環(huán)控制與閉環(huán)控制實際的控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋作用可分為三類：開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制控制器與被控對象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進行。數(shù)控機床的開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力。E.g.飛輪調(diào)速調(diào)速后調(diào)速前閉環(huán)控制

閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制過程有直接影響。閉環(huán)的作用：應(yīng)用反饋，減少偏差。優(yōu)點：精度較高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計麻煩。半閉環(huán)控制特點：反饋信號通過系統(tǒng)內(nèi)部的中間信號獲得。Part1.2.3

閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成1給定元件：產(chǎn)生給定信號或輸入信號。2反饋元件：測量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號。為便于傳輸，反饋信號通常為電信號。3比較元件：對給定信號和反饋信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號。4放大元件：對偏差信號進行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動執(zhí)行元件實現(xiàn)控制功能。5執(zhí)行元件：直接對受控對象進行操縱的元件，如電動機、液壓馬達等。電等系統(tǒng)中存在著內(nèi)在反饋，這種反饋無須專門的反饋元件，是系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)相互作用產(chǎn)生的，如作用力與反作用力之間形成的直接反饋。注意：在機械、液壓、氣動、機6校正元件：用以改善系統(tǒng)控制質(zhì)量的裝置。校正元件分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。控制系統(tǒng)中比較元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等共同起控制作用，統(tǒng)稱為控制器。實際的控制系統(tǒng)中，擾動總是不可避免的，擾動分為內(nèi)部擾動和外部擾動。但在控制系統(tǒng)中，擾動集中表現(xiàn)在控制量與被控量的偏差上，因此，可以將控制系統(tǒng)的擾動等效為對控制對象的干擾。E.g.液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2Q1H1H2系統(tǒng)原理方塊圖[實質(zhì)]檢測偏差糾正偏差。正/負反饋液位控制系統(tǒng)負反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1Part1.3控制理論的中心問題穩(wěn)定性：系統(tǒng)動態(tài)過程的振蕩傾向及其恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力。穩(wěn)定的系統(tǒng)當(dāng)輸出量偏離平衡狀態(tài)時，其輸出能隨時間的增長收斂并回到初始平衡狀態(tài)。氣動伺服實例穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所決定，與外界因素?zé)o關(guān)。穩(wěn)定性由控制系統(tǒng)內(nèi)部儲能元件的能量不可能突變所產(chǎn)生的慣性滯后作用所導(dǎo)致。精確性：控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。快速性：輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。快速性表征系統(tǒng)的動態(tài)性能。注意：

1不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重。

2系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實際需求合理選擇。穩(wěn)態(tài)誤差:系統(tǒng)的調(diào)整（過渡）過程結(jié)束而趨于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)輸出的實際值與給定量之間的差值。優(yōu)點：精度較高，對外部擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。缺點：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計麻煩。閉環(huán)控制優(yōu)點：簡單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點：精度通常較低、無自動糾偏能力。開環(huán)控制復(fù)合控制汽車發(fā)動機光盤的定位汽車發(fā)動機控制系統(tǒng)理想空氣燃料比：

14.6燃料控制：

前饋控制

氣流傳感器噴嘴燃料比控制：

反饋控制O2傳感器噴嘴

光盤粗精定位氣動伺服實例Part1.4

控制理論基礎(chǔ)(I)的學(xué)習(xí)內(nèi)容1.4.1控制系統(tǒng)的分類1.4.2自動控制系統(tǒng)的研究方法1.4.3授課內(nèi)容Part1.4.1

控制系統(tǒng)的分類按輸入量的特征分類按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)*按輸入量的特征分類恒值控制系統(tǒng)：系統(tǒng)輸入量為恒定值?？刂迫蝿?wù)是保證在任何擾動作用下系統(tǒng)的輸出量為恒值。如：恒溫箱控制、電網(wǎng)電壓、頻率控制等。程序控制系統(tǒng)：輸入量的變化規(guī)律預(yù)先確知，輸入裝置根據(jù)輸入的變化規(guī)律，發(fā)出控制指令，使被控對象按照指令程序的要求而運動。如：數(shù)控加工系統(tǒng)隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）：輸入量的變化規(guī)律不能預(yù)先確知，其控制要求是輸出量迅速、平穩(wěn)地跟隨輸入量的變化，并能排除各種干擾因素的影響，準確地復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動瞄準系統(tǒng)等。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號為隨時間連續(xù)變化的信號。連續(xù)控制系統(tǒng)通常采用微分方程描述。按系統(tǒng)中傳遞信號的性質(zhì)分類離散（數(shù)字）控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中某一處或多處的信號為脈沖序列或數(shù)字量傳遞的系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)通常采用差分方程描述。方程系數(shù)與時間的關(guān)系->定常、時變*線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)：由線性元件組成，輸入輸出問具有疊加性和均勻性性質(zhì)。以線性微分方程來表述。非線性控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中有非線性元件，輸入輸出間不具有疊加性和均勻性性質(zhì)。用非線性微分方程來表述。Part1.4.2自動控制系統(tǒng)的研究方法綜合：在已知被控對象和合定性能指標(biāo)的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個能使被控對象滿足性能要求的系統(tǒng)。分析：在給定系統(tǒng)的條件下，將物理系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，然后用已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)方法和先進的計算工具來定性或定量地對系統(tǒng)進行動、靜態(tài)的性能分析。自動控制研究的三個基本問題：建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)性能分析控制器設(shè)計

典型控制信號：

階躍信號等速和等加速信號脈沖信號正弦信號正弦信號階躍信號卸載加載A=1時稱為單位階躍信號脈沖信號單位脈沖信號等速和等加速信號干擾、電壓不穩(wěn)、風(fēng)載荷隨機信號速度信號加速度信號Part1.4.3授課內(nèi)容自動控制基本原理物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型頻率特性

控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 控制系統(tǒng)的誤差分析 控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析控制系統(tǒng)的綜合和校正根軌跡法非線性控制系統(tǒng)控制理論基礎(chǔ)(I)對象：單變量時不變連續(xù)系統(tǒng)目標(biāo)：穩(wěn)、準、快任務(wù)：分析、設(shè)計Matlab

與控制系統(tǒng)

Part1.5

控制理論的歷史和發(fā)展前期控制(1400BC-1900)經(jīng)典控制(1935-1950)現(xiàn)代控制(1950-Now)工業(yè)機器空間技術(shù)控制理論中國，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺(1400BC-1100BC)。亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水等自動裝置(100年)。中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(132年)。希臘Philon發(fā)明了采用浮球調(diào)節(jié)器來保持燃油液面高度的油燈。(BC250年)。前期控制（1400BC-1900）中國馬鈞研制出用齒輪傳動的自動指示方向的指南車(235年)中國明代宋應(yīng)星所著《天工開物》記載有程序控制思想(CNC)的提花織機結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年)英國J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)英國E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄國A.M.Lyapunov博士論文“論運動穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)。美國E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)。經(jīng)典控制（1935-1950）美國H.S.Black提出放大器性能的負反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)自動控制的基礎(chǔ)為閉環(huán)控制?？刂普摰牡旎薔.Wiener

給出的定義為：

“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

美國貝爾實驗室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。美國Taylor儀器公司的J.G.Ziegler和N.B.Nichols提出PID參數(shù)的最佳調(diào)整法(1942)美國的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServome-chanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機構(gòu)實驗室(ServomechanismLaboratory)

(1939)。美國MIT的N.Wiener研究隨機過程的預(yù)測(1942)，提出Wiener濾波理論(1942)，發(fā)表《控制論》(Cybernetics)一書(1948)，標(biāo)志著控制論學(xué)科的誕生。在貝爾實驗室Bode領(lǐng)導(dǎo)的火炮控制系統(tǒng)研究小組工作的C.Shannon提出繼電器邏輯自動化理論(1938)，隨后，發(fā)表專著《通信的數(shù)字理論》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息論的基礎(chǔ)(1948)。MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷達控制系統(tǒng)的過程中，創(chuàng)立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的數(shù)字控制系統(tǒng)(SampledDataSystem)。美國W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對象的經(jīng)典控制研究工作完成。多本有關(guān)經(jīng)典控制的經(jīng)典名著相繼出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)錢學(xué)森的《工程控制論》(EngineeringCybernetics)(1954)……現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽，如導(dǎo)彈(發(fā)射，操縱，指導(dǎo)及跟蹤)，衛(wèi)星，航天器和星球大戰(zhàn)，以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代控制（1950-Now）美國MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺數(shù)控機床(1952)美國GeorgeDevol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954)，兩年后，被稱為機器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機器人公司，Unimation。美國的M.E.Merchant提出計算機集成制造的概念(1969)日本Fanuc公司研制出由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元(1976)中國批準863高技術(shù)計劃，包括自動化領(lǐng)域的計算機集成制造系統(tǒng)和智能機器人兩個主題(1986)。日本SONY公司二足步行機械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機械狗(2001)※世界第一顆人造地球衛(wèi)星(Sputnik)由蘇聯(lián)發(fā)射成功(1957)蘇聯(lián)東方-１號飛船載著加加林進入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了(1961)。蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號探測器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國“阿波羅”11號把宇航員N.A.Armstrong送上月球。第一臺火星探測器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號，二號開始走出太陽系，對茫茫太空進行探索。美國R.Bellman在RANDCoporation數(shù)學(xué)部的支持下，發(fā)表著名的DynamicProgramming，建立最優(yōu)控制的基礎(chǔ)(1957)。蘇聯(lián)L.S.Pontryagin發(fā)表“最優(yōu)過程數(shù)學(xué)理論”，提出極大值原理(MaximumPrinciple)(1956)。美籍匈牙利人R.E.Kalman發(fā)表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”等論文，引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出能控性，能觀測性，最佳調(diào)節(jié)器和kalman濾波等概念，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)(