控制论文控制理论介绍

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1、合肥学院机械工程系本科课程论文课程名称：机械工程控制基础专业年级：09机制三班学 号： 0906013012学生姓名：张伟论文题目：控制理论介绍成 绩：指导教师：徐启圣2011年12月21日目录摘要3 关键词3 1 引言 3 2 理论的形成及发展 3 3 经典控制理论 43.1 经典控制理论的定义 43.2 经典控制理论的组成43.3 经典控制理论的经典成果及分析54 现代控制理论 54.1 现代控制理论的发展历史 54.2 促使现代控制理论的产生的因素64.3 现代控制理论的研究目的64.4 现代控制理论的研究方法64.5 现代控制理论的特点65 结论 6 参考文献7控制理论介绍张伟（合肥学

2、院 09 级机械设计制造及其自动化专业（3）班） 摘要：本文主要介绍控制理论的发展，经典控制理论、代控制理论的一系列相关知识。 关键词:控制理论、发展、目的、特点Abstract: This paper describes the development of control theory, classical control theory,control theory, on behalf of a range of relevant knowledge.Keywords: control theory, development, purpose, characteristic1 引言控制理

3、论的形成远比控制技术的应用为晚。古代，罗马人家里的水管系统中就已经应用按反馈原理构成的简单水位控制装置。中国北宋元初年（10861089 ）也已有了反馈调节装 置一水运仪象台。但是直到1787年瓦特离心式调速器在蒸汽机转速控制上得到普遍应用， 才开始出现研究控制理论的需要。2 理论的形成和发展控制理论的发展历史可分为两个阶段 经典控制理论与现代控制理论。1868年，英国科学家J.C.麦克斯韦首先解释了瓦特速度控制系统中出现的不稳定现象， 指出振荡现象的出现同由系统导出的一个代数方程根的分布形态有密切的关系，开辟了用数 学方法研究控制系统中运动现象的途径。英国数学家E.J.劳思和德国数学家A.胡

4、尔维茨推进了麦克斯韦的工作， 分别在 1875 年和 1895 年独立地建立了直接根据代数方程的系数判别系 统稳定性的准则1932年，美国物理学家H.奈奎斯特运用复变函数理论的方法建立了根据频率响应判断 反馈系统稳定性的准则（见奈奎斯特稳定判据）。这种方法比当时流行的基于微分方程的分 析方法有更大的实用性，也更便于设计反馈控制系统。奈奎斯特的工作奠定了频率响应法的 基础。随后，H.W.波德和N.B.尼科尔斯等在30年代末和40年代进一步将频率响应法加以发 展，使之更为成熟，经典控制理论遂开始形成1948年，美国科学家W.R.埃文斯提出了名为根轨迹的分析方法，用于研究系统参数（如 增益）对反馈控

5、制系统的稳定性和运动特性的影响，并于 1950年进一步应用于反馈控制系 统的设计，构成了经典控制理论的另一核心方法 根轨迹法。40 年代末和 50 年代初，频率响应法和根轨迹法被推广用于研究采样控制系统和简单的 非线性控制系统，标志着经典控制理论已经成熟。经典控制理论在理论上和应用上所获得的 广泛成就，促使人们试图把这些原理推广到像生物控制机理、神经系统、经济及社会过程等 非常复杂的系统，其中美国数学家 N.维纳在1948年出版的控制论最为重要和影响最大。自20 世纪 30 年代发展起来的经典控制理论主要研究单输入单输出系统 !并不要求被控对 象具有精确的数学模型。目前实际工程中应用最为广泛的

6、 PID 控制即是如。虽然经典控制理论的设计方法对现代自动化工业的发展起到了非常重要的作用。但是随 着现代科学技术的发展 !经典控制理论已经不能满足现代工程技术的要求。因此，自 20 世纪 60 年代!以 R.Bellman 的著作矩阵分析导论和 R.Bellman 的文章系统的数学描述方法为基础， 现代控制理论迅速的发展起来了。随着状态向量状态空间能控性和能观性等概念和方法的引 入!现代控制理论日趋完善到了 20 世纪 80 年代，尽管现代控制理论和方法已非常完善 !但工程师们仍是难于将其应 用到实际中去。究其原因是与经典控制理论相比较以 IQG 最优控制理论为代表的现代控制理 论完全依赖于

7、描述被控对象动态特性的精确数学模型。由于在客观实际中不可避免的存在着 各种各样不满足理想假设条件的不确定因素 !想获得精确的数学模型几乎是不可能的事情。因 此，精确数学模型成为现代控制理论无法广泛应用的致命为了弥补现代控制理论的这种不足， 最有效的手段就是在系统分析和设计阶段就充分考虑被控对象中所存在的各种不确定因素。 即基于不确定性的非精确模型来分析系统和设计控制器，使研究系统在摄动或不确定性下仍 能够保持原来的或希望的性能。这就导致了专门分析和处理具有不确定性系统的控制理论鲁 棒控制理论的产生，而在鲁棒控制理论中。控制理论是最为引人注目、也是发展最为完善的 一支。3 经典控制理论3.1经典

8、控制理论的定义：经典控制理论是自动控制理论中建立在频率响应法和根轨迹法基础上的一个分支。经典控制理论的 研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控制理论的特点是以输入 输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分 析系统性能和设计控制装置。经典控制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合 方法是频率域方法。经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性、 控制系统的设计原理和校正方法。早期，这种控制理论常被称为自动调节原理,随着以状态空间法为 基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成，开始

9、广为使用现在的名称。20世纪初研制成 装在飞机上的电动陀螺稳定装置，并发展成自动驾驶仪，但这仅仅是人们在实践中直观摸索的结果， 尚无理论上的指导。当时的自动驾驶仪在结构上比较简陋，对飞机的稳定和控制也极为简单，控制 质量不高。30年代末至40年代初形成经典控制理论。在这种理论指导下飞机上自动驾驶仪的性能 得到提高，并在40年代为研制V-l、V-2导弹提供了基础。经典控制理论适用于单输入、单输出的 线性定常（参数不随时间而变）系统，所以在分析设计V-l、V-2导弹控制系统时，将导弹的运动分 解成单输入、单输出的运动。V-2导弹从地面飞出大气层，其特性参数变化很大，是一个时变对象， 但为了应用经典

10、控制理论而采用系数冻结法将时变对象简化为定常的对象。这样，V-1和V-2导弹 虽都投入使用，但命中精度不高。经典控制理论中的非线性理论在4050年代得到发展，经典的分 析方法有描述函数法、相平面法等。这些分析方法在分析战术导弹制导系统（较多采用典型非线性 的继电控制方式）时较为有效，成为50年代战术导弹得到较大发展的因素之一。随着导弹和航天活动的进展，对飞行器控制的精度要求大大提高，飞行器完成的任务更趋 复杂，加上飞行器飞行时环境的急剧变化，对飞行器控制系统提出了更高的要求。为了满足这些要 求，必须寻求新的理论来指导控制系统的设计。3.2 经典控制理论的组成：经典控制理论由线性控制理论、采样控

11、制理论、非线性控制理论三个部分组成。1,线性控制理 论是经典控制理论中以线性系统为研究对象的一个主要分支。在线性控制理论中，由于叠加原理带 来的数学处理上的简便性，已经建立起一整套比较成熟和便于工程应用的分析和设计线性控制系统 的方法。 2，采样控制理论是经典控制理论中研究采样控制系统的组成原理、基本特性和分析设计方 法的一个分支。采样控制系统不同于连续控制系统，它的特点是系统中一处或几处的信号具有脉冲 序列或数字序列的形式。应用采样控制，有利于提高系统的控制精度和抗干扰能力，也有利于提高 控制器的利用率和通用性。 3，自动控制理论中研究非线性系统的运动规律和分析方法的一个分支。 严格说，现实

12、中的一切系统都是非线性系统，线性系统只是为了数学处理上的简化而导出的一种理 想化的模型。非线性系统的一个最重要的特性是不能采用叠加原理来进行分析，这就决定了在研究 上的复杂性。非线性系统理论远不如线性系统理论成熟和完整。由于数学处理上的困难，所以至今 还没有一种通用的方法可用来处理所有类型的非线性系统。 3.3经典控制理论的典型成果应用分析：我们比较熟悉的经典控制理论应用有双容水箱的液位控制系统，还有磁浮球的高度控制等。双 容水箱是通过PID,或内模等控制器把水箱中的液位稳定的控制在同一个高度上。磁浮球也是基于 同样的原理。1946年，美国福特公司的机械工程师D.S 哈德最先提出“自动化” 一

13、词，并用来描述发动机汽 缸的自动传送和加工的过程。 50年代,自动调节器和经典控制理论的发展,使自动化进入以单变量 自动调节系统为主的局部自动化阶段。 60年代，随现代控制理论的出现和电子计算机的推广应用， 自动控制与信息处理结合起来，使自动化进入到生产过程的最优控制与管理的综合自动化阶段。 70 年代，自动化的对象变为大规模、复杂的工程和非工程系统，涉及许多用现代控制理论难以解决的 问题。这些问题的研究，促进了自动化的理论、方法和手段的革新，于是出现了大系统的系统控制 和复杂系统的智能控制，出现了综合利用计算机、通信技术、系统工程和人工智能等成果的高级自 动化系统，如柔性制造系统、办公自动化

14、、智能机器人、专家系统、决策支持系统、计算机集成制 造系统等。进入20世纪以后，工业生产中广泛应用各种自动调节装置，促进了对调节系统进行分析和综合 的研究工作。这一时期虽然在自动调节器中已广泛应用反馈控制的结构，但从理论上研究反馈控制 的原理则是从20世纪20年代开始的。1833年英国数学家C.巴贝奇在设计分析机时首先提出程序控制 的原理。 939世界上第一批系统与控制的专业研究机构成立，为20世纪40年代形成经典控制理论和发 展局部自动化作了理论上和组织上的准备。20世纪4050年代是局部自动化时期第二次世界大战时期形成的经典控制理论对战后发展局部 自动化起了重要的促进作用。在问题的过程中形

15、成了经典控制理论，设计出各种精密的自动调节装 置，开创了系统和控制这一新的科学领域。这一新的学科当时在美国称为伺服机构理论，在苏联称 为自动调整理论，主要是解决单变量的控制问题。经典控制理论这个名称是1960年在第一届全美联 合自动控制会议上提出来的。 1945年后由于战时出版禁令的解除，出现了系统阐述经典控制理论的 著作。1945年美国数学家维纳，N.把反馈的概念推广到一切控制系统。50年代以后，经典控制理论 有了许多新的发展。经典控制理论的方法基本上能满足第二次世界大战中军事技术上的需要和战后 工业发展上的需要。但是到了50年代末就发现把经典控制理论的方法推广到多变量系统时会得出错 误的结论。经典控制理论的方法有其局限性。 20世纪4