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1、第五章 控制系统理论基础,重点：反馈、开环控制系统、闭环控制系统的概念；控制系统的基本要求；闭环控制系统的基本组成；控制系统的分类。,开始多用于工业：压力、温度、流量、位移、湿度、粘度自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 社会学： 社会控制论,第一节 自动控制系统的发展历史,引言,工 业 控 制,电机控制 机床控制 生产过程自动化控制 机器人控制 . . . . . .,控制技术的应用,家 用 电 器,冰箱、洗衣
2、机 家庭影院 微波炉 . . . . . .,楼 宇 电 梯 的 控 制,信 号 检 测,供 电 系 统,电机 (执行机构),可编程序 控制器,Programmable Logic Controller,电机控制器,电 子,机械,控制,口语汽车导航系统使用情景示意图,汽车GPS定位，GIS导航，GSM通信,瑞典沃尔沃汽车公司计划推出新型车沃尔沃S60，能在 交通堵塞时自动驾驶。该车车载雷达感应器可以感知车前 物体并测算彼此的距离，摄像机则能辨别出是何种物体。 如果车前是行人或车辆，在雷达和摄像机均确认无误， 而司机没有及时采取措施的情况下，汽车的全自动急刹车 系统便会启动。,灯光的控制,社会生
3、活中的控制,教学过程方框图,控制理论发展简况,1788年，英国James Watt利用反馈原理发明蒸汽机用的离心调速机。是自动控制领域的第一项重大成果。 1875年，1895年，英国Routh和德国Hurwitz先后提出判别系统稳定性的代数方法。 1892年，俄国李雅普诺夫在论运动稳定性的一般问题中建立了动力学系统的一般稳定性理论。 1932年，Nyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。 1945年，美国Bode在网络分析和反馈放大器设计中提出频率响应分析法Bode图。 1948年，美国Wiener在控制论关于在动物和机器中控制和通信的科学中系统地论述了控制理论的一般原理和方法。
4、标志控制学科的诞生,水运仪像台：具备观测天象、演示天象、报时的功能。它的一套动力装置“是欧洲中世纪天文钟的直接祖先”,一千多年前：铜壶滴漏计时器、指南针,胚胎萌芽期（1945年以前） 十八世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题 1765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器 1784年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器 1877年产生了古氏判据和劳斯稳定判据 十九世纪前半叶，动力使用了发电机、电动机 促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展 十九世纪末，二十世纪初，使用内燃机 促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制
5、 二十世纪初第二次世界大战，军事工业发展很快 飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。,第一阶段：经典控制理论（或古典控制理论）的产生、发展和成熟； 第二阶段：现代控制理论的兴起和发展； 第三阶段：大系统控制兴起和发展阶段； 第四阶段：智能控制发展阶段。,自动控制理论的发展 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。既是一门古老的、已臻成熟的学科，又是一门正在发展的、具有强大生命力的新兴学科。从1868年马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出低阶系统稳定性判据至今一百多年里，自动控制理论的发展可分为四个主要阶段：,经典
6、控制理论,控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,a.特点 研究对象：单输入、单输出线性定常系统。 解决方法：频率法、传递函数。 数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z变换。 b.局限性 不能应用于时变系统、多变量系统。 不能揭示系统更为深刻的内部特性。,现代控制理论,由于经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。因而在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计
7、算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代控制理论迅速发展起来。 特点 研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。 解决方法：状态空间法（时域方法）。 数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。,大系统理论,随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特
8、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。,智能控制,是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它的指导思想是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。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，对自主机器人的控制就是典型的例子而环境的复杂性则表现为变化的不确定性
9、和难以辨识。,智能控制是从“仿人”的概念出发的。一般认为，其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制、和专家控制等方法。,控制技术在机械制造领域中的应用,1. 控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。,2. 控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。,3. 某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。,控制论的研究对象系统,2、动力学问题:,系统在外界作用（输入或激励、包括外加控制与外界干扰）下，从一定初始
10、状态出发，经历由其内部的固有特性（由系统的结构与参数所决定）所决定的动态历程（输出或响应）。 这一过程中，系统及其输入、输出三者之间的动态关系即为系统的动力学问题。,例.弹簧质量阻尼单自由度系统。,分析：这是同一个系统，不同的外界作用,对上例，需要研究的问题可归纳为以下三类：,1)系统的输入与系统的固有特性如何影响y(t)，三者之间表现为何种关系 。,2)系统确定并已知时，对系统施加何种输入，能使系统实现预期的响应。,3)对于确定的输入，系统应具有什么特性，才能使系统实现预期的响应。,工程控制论的内容可归纳为如下5个方面：,（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；,（2）已知系统和
11、系统的理想输出，设计输入，即最优控 制问题；,（3）已知输入和理想输出时，设计系统，即最优设计 问题；,（4）输出已知，确定系统，以识别输入或输入中的有关 信息，此即滤波与预测问题；,（5）已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数， 即系统辨识问题。,自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。一般地说如何使被控量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。,控制是对对象施加某种操作,使其产生所期望的行为,控制论基本概念,控制三要素： 被控对象
12、控制目标 控制装置 控制论：是关于控制原理和控制方法的学科 研究事物变化和发展的一般规律 可控和能控 ：多种可能性和一定的方式,下面通过具体例子来说明自动控制和自动控制系统的概念,水位控制系统,水位控制系统,30,控制任务：,维持水箱内水位恒定；,控制装置：,气动阀门、控制器；,受控对象：,水箱、供水系统；,被控量：,水箱内水位的高度；,给定值：,控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；,测量装置：,浮子；,比较装置：,控制器刻度盘；,干扰：,水的流出量和流入量的变化都将破坏水位保持恒定；,控制直流电动机转速示意图如下所示:,激磁回路,激磁电流,电枢电压,人所起的三个作用: (1) 观察电机的转速
13、; (2) 将观察到的转速与需要保持的转速在头脑中进行比较; (3) 根据比较得出的结论去调整电位器的输出电压.,自动控制直流电动机转速示意图如下所示:,1开环系统 当一个系统以所需的方框图表示而没有反馈回路时，称之为开环系统。,直流电动机转速控制系统（开环系统）,电压放大器,功率放大器,直流电动机,Ur,Ua,Mc,给定量,控制装置,被控对象,被控量,自动控制系统的工作原理,反馈：将输出量通过一定的方式送回到输入端，并与输入信号比较产生偏差信号过程称为反馈 外反馈：由附加的反馈控制装置引起的信息交互 内反馈：系统内部的信息交互 负反馈：输入信号反馈信号（输出信号） 正反馈：输入信号+反馈信号
14、,反馈控制原理：,没有反馈回路,有反馈回路,反馈通路输出信号被送回到输入回路的通路。,注意电路中 信号的流向,内反馈与外反馈,外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈，称为外反馈。,内反馈：在系统或过程中存在的各种自然形成的反馈，称为内反馈。它是系统内部各个元素之间相互耦合的结果。内反馈是造成机械系统存在一定的动态特性的根本原因，纷繁复杂的内反馈的存在使得机械系统变得异常复杂。,显然这是一个内反馈，因为没有附加反馈控制装置。内反馈是系统内部的信息交互，反映了系统的动态特性。,例：m-c-k系统,直流电动机转速自动控制系统可画成如下方框图：,方框：表示系统中的一个元件或几个元
15、件组合而成的一个装置 带箭头的直线：表示系统中信号流通的方向 小圆圈符号：表示比较器, 正负号表示信号在比较器中是被相加还是被相减,方框图中信号的常用名称: r(t): 系统的输入信号, 其中使系统具有预定性能或预定输出的, 又可称为给定输入信号或参考输入信号, 如电位器的输出电压. c(t): 系统的输出信号（输出量），又常叫做系统对输入的响应, 如电动机的转速. b(t): 叫反馈信号. 而把系统中输出信号转换成反馈信号的元件或装置, 称为反馈元件或反馈装置, 如测速发电机. e(t): 叫偏差信号. 是r(t)与b(t)比较的结果. u(t): 是控制器的输出信号, 叫控制信号.,：干扰
16、信号，它的作用是破坏系统具有预定性能或预定输出. 干扰信号根据具体情况, 在系统中可有不同的作用点.,一些基本概念,前向通路：从输入端沿箭头方向到输出端的传输通路 主反馈通路：输出经过测量元件到达输入端的通路 主回路：前向通路+主反馈通路 内回路：局部前向通路+局部反馈通路 单回路系统、多回路系统 反馈控制系统受到的外部作用 参考（有用）输入：决定系统被控量的变化规律 扰动：系统外部扰动、系统内部扰动,炉温控制系统,炉温控制系统原理方框图,定时开关,炉子,电阻丝,当一个系统以所需的方框图表示而存在反馈回路时，称之为闭环系统。闭环系统也叫反馈控制系统。“闭环”这个术语的含义，就是应用反馈作用来减小系统误差。,直流电动机转速控制系统（闭环系统）,2闭环系统,检测偏差 纠正偏差,例 1 炉温控制系统,例 1 炉温控制系统,炉温控制系统方框图,炉温控制系统方框图,例：,人骑自行车时，总是希望自行车具有一定的理想状态（如
