控制系统导论ppt培训课件

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1、Automatic Control Theory,河南理工电气学院,自 动 控 制 原 理,罗宇锋联系电话：13782631982 邮箱：助教：电气本：李敏捷，15824628877，D216电气：贾珍，18300629066，D219,最初的闭环自动控制装置是1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。 四个阶段： 经典控制理论阶段 现代控制理论阶段 大系统控制理论阶段 智能控制阶段,序：自动控制的发展简史,1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了它的稳定性条件。1877年劳斯（E.J.Routh）,1895年古尔维茨（A.Hurwitz）分别独

2、立给出了高阶线性系统的稳定性判据。,经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）,劳斯,古尔维茨,1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。【上述方法基本上是时域方法 】,经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）,1932年柰奎斯特(

3、Nyquist)提出了负反馈系统的频率域稳定性判据。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。频域分析法主要 用于描述反馈放大器 的带宽和其他频域指 标。,经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）,柰奎斯特,作为贝尔电话实验室的工程师，在热噪声(Johnson- Nyquist noise)和反馈放大器稳定性方面做出了很大的贡献。他早期的理论性工作关于确定传输信息需满足的带宽要求，在贝尔系统技术期刊上发表了影响电报速度传输速度的因素文章，为后来香农的信息论奠定了基础。1927年，奈奎斯特确定了如果对某一带宽的有限时间连续信号（模拟信号）

4、进行抽样，且在抽样率达到一定数值时，根据这些抽样值可以在接收端准确地恢复原信号。为不使原波形产生“半波损失”，采样率至少应为信号最高频率的两倍，这就是著名的奈奎斯特采样定理。奈奎斯特1928年发表了电报传输理论的一定论题。1954年，他从贝尔实验室退休。,美国物理学家，1889年出生在瑞典。1976年在德克萨斯逝世。奈奎斯特对信息论做出了重大的贡献。奈奎斯特1907年移民到美国并于1912年进入北达克塔大学学习。1917年在耶鲁大学获得物理学博士学位。1917年1934年在AT&T公司工作，后转入贝尔电话实验室工作,小知识：奈奎斯特,1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函数（复数域模型

5、）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。,经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）,总结：经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型， 优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解。,经典控制理论阶段（传递函数作为系统数学模型）,1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论。1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值

6、原理。1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。现代频域方法，自适应控制理论和方法、鲁棒控制方法等。,现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）,1957年于哥伦比亚大学获得博士学位。在现代控制理论中的卡尔曼滤波器，正是源于他的博士论文和1960年发表的论文A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems（线性滤波与预测问题的新方法）。,小知识：卡尔曼,Rudolf Emil Kalman，匈牙利数学家，1930年出生于匈牙利首都布达佩斯。1953、1954年于麻省理工学院分别获得电机工程学士及硕

7、士学位。,总结：状态空间方法属于时域方法，其核心是最优化技术。它以状态空间描述（实质上是一阶微分或差分方程组）作为数学模型。适应于多变量、非线性、时变系统。,现代控制理论阶段（以状态空间表达式为模型）,20世纪70年代，随着控制理论应用范围的扩大，人们开始了对大系统理论的研究。大系统理论是过程控制与信息处理相结合的综合自动化理论基础，是动态的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多变量的系统。大系统理论目前仍处于发展和开创性阶段。,大系统控制理论阶段,智能控制：依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决

8、的复杂的控制问题。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。,智能控制阶段,环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。,智能控制阶段,4050年代 经典控制理论 （频域法或复频域法） 核心：传递函数，稳定性、稳定裕度等 特点：图形方法，直观简便，设置参数少， （以简单控制结构获取相对满意的性能） 适用范围：单输入单输出（SISO）系统。 数学基础

9、：复变函数，积分变换。,SISO: Single Input and Single Output,6070年代 现代控制理论（状态空间法） 核心：状态变量的能控、能观性， 系统性能的最优化。 特点：时域法，统一处理SISO、MIMO系统， 有完整的理论体系。 数学基础：线性代数，矩阵理论。 缺点：对系统的数学模型精度要求高， 实际性能达不到设计的最优， 所需状态反馈难以直接实现。,MIMO: Multi-Input and Multi-Output,70年代现在 多种新型控制理论 多变量频域控制理论 经典SISOMIMO； 基于互质分解的全新的频域优化理论。 鲁棒控制（robust contr

10、ol） 鲁棒性（robustness）：系统存在模型误差或 受到扰动时仍能保持良好性能的能力。 鲁棒控制：使系统具有良好鲁棒性的控制。,70年代现在 多种新型控制理论 智能控制（intelligent control） 控制系统具有拟人智能（学习、记忆、判断、推理等） 大系统控制、复杂系统控制等 被控系统具有高维数、强关联、多约束、多目标、不确定性、分散性、非线性、大时滞、难建模等特征，如电力系统、城市交通系统、网络系统、制造系统、经济系统等。,系统,社会系统 地球系统 宇宙系统 工程系统 生物系统 医学系统 环境系统 经济系统,工程控制论,人工控制 自动控制 半自动控制,自动控制理论,经典控

11、制理论 现代控制理论 先进控制理论（智能）,开环控制理论 闭环控制理论 复合控制理论 非线性控制理论 离散时间控制理论,自动控制原理学习的重点,小结：,先进控制理论,小结：,课程的主要内容及承上启下的关系,本课程涉及到的基础理论知识,自动控制原理主要内容第一章 控制系统导论第二章 控制系统的数学模型第三章 线性系统的时域分析法第四章 线性系统的根轨迹法第五章 线性系统的频域分析法第六章 线性系统的校正方法第七章 线性离散系统的分析不讲第八章 非线性控制系统分析不讲附加：MATLAB工具和拉普拉斯变换,自动控制原理参考教材,1. 自动控制原理（第五版），胡寿松， 科学出版社 2. 自动控制原理习

12、题集 ，胡寿松， 科学出版社 3. 自动控制原理（第一版），张 莲，中国铁道出版社 4. 自动控制原理的MATLAB实现，黄忠霖，国防工业出版社 5. 控制工程与信号处理，程桂芬，化学工业出版社 6. 自动控制原理与设计（英文版，第五版）GENE F. FRANKLIN 著，人民邮电出版社,第 一 章 控制系统导论,1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 对自动控制系统的基本要求,本章主要内容,1. 明确什么叫自动控制，正确理解被控对象、被控 量、控制装置和自动控制系统等概念； 2. 正确理解三种控制方式，特别是闭环控制； 3. 掌握由系统原理

13、图画方框图的方法，并能正确判 断系统的控制方式； 4. 明确系统常用分类方法； 5. 明确对自动控制系统的基本要求，正确理解三大 性能指标的含义。,本章基本要求,1-1 自动控制的基本原理,一、基本概念,自动控制,自动 不需要人的介入,控制 达到人想要达到的某种目的,1. 定义,由被控对象和自动控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的整体，称为自动控制系统。,自动控制理论,研究自动控制共同规律的技术科学。,自动控制系统,由一些元部件按一定要求连接并具有某一特定功能的整体。,系统,2.研究对象：单输入、单输出、集中参数、线性、时不变自动控制系统（的数学模型）。,3.研究内容 （1）系统的分

14、析：已知系统的结构和参数，分析和评价系统的稳态和动态性能以及抗干扰能力的优劣。 （2）系统的设计：按照给定的任务（控制任务）设计一个满足稳态和动态性能要求及抗干扰性能要求的控制系统，并确定其结构和参数。,4.研究的具体目的： c(t)r(t),分析是基础、设计是重点、满足要求才是目标。,5. 自动控制系统的常用术语 被控对象：要求实现自动控制的机器设备或生产过程 被控制量：指被控制系统所要控制的物理量，一般指系统的输出量 给定值：根据生产要求，被控制量需要达到的数值 扰动：破坏控制量与被控制量之间正常函数关系的因素，称为系统的扰动。如扰动来自外部，叫做外扰，如果扰动来自内部，如系统中各元件参数

15、的变化，称为内扰。给定值和扰动通称为输入量。 控制装置：能够对被控对象起控制作用的设备总称,二、反馈控制基本原理,在工业控制中，龙门刨床速度控制系统就是按照反馈控 制原理进行工作的。当负载波动时，必然会引起速度变化， 由于龙门刨床不允许速度变化过大，因此必须对速度进行控制。,反 馈：取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程。,在反馈控制系统中，控制装置对被控对象施加控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务，即反馈控制原理。,反馈控制本质是按偏差进行控制的过程。,反馈控制原理,三、反馈控制系统的基本组成输入信号系

16、统控制目标的反映，是人的意志的具体体现。 控制系统主要完成对有关信号的变换、处理，发出控制量，驱动执行机构完成控制功能。 输出信号系统的控制结果，反映了被控对象的运行状态。,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,反馈控制系统组成图,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,主反馈：直接取自系统输出端，经过测量和变换，又 引入到系统输入端的信号叫主反馈信号，相应的 反馈叫主反馈。,前向通道,主反馈通道,比较元件,偏差量,主反馈量,控制变量,操作变量,被控量,给定元件,前向通道：从系统输入端到输出量之间的通道称为前向通道。,