控制工程第01章-緒論

控制理論基礎(chǔ)(I)交通大學(xué)精品課程系列2012.9.30趙衛(wèi)機(jī)電一體化教研室Te-mail:zhaowei@第一章緒論本章主要內(nèi)容:

I.I

I.2

I.3

I.4I.5

控制的定義控制系統(tǒng)的基本常識(shí)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)展參考資料和平分方式控制的本意

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

自動(dòng)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(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)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(jī)床]:自動(dòng)進(jìn)刀切削，加工出預(yù)期的幾何形狀直線、圓弧等各種差補(bǔ)控制，進(jìn)給量控制,等等?？刂蒲b置或控制器被控對(duì)象被控量Part1.2

控制系統(tǒng)的基本常識(shí)1.2.1

控制系統(tǒng)工作原理和組成1.2.2

控制系統(tǒng)的基本形式1.2.3

閉環(huán)控制系統(tǒng)的詳細(xì)組成恒穩(wěn)箱溫度控制人工控溫自動(dòng)控溫水箱液位控制人工、自動(dòng)控制!TwoDailyExamplesPart1.2.1

控制系統(tǒng)的工作原理[動(dòng)態(tài)過程]觀測(cè)恒溫箱內(nèi)的溫度（被控制量）與要求的溫度（給定值）進(jìn)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（控制量）以調(diào)節(jié)溫度回復(fù)到要求值。[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差，用以調(diào)整控制量，從而糾正偏差。123例：1.恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電流的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電流，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差u=0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。[動(dòng)態(tài)過程]2.恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)恒溫箱實(shí)際溫度由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓u2恒溫箱期望溫度由電壓u1給定，并與實(shí)際溫度u2比較得到溫度偏差信號(hào)u=u1-u2系統(tǒng)方塊圖（ＢlockDiagram）[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差，用以調(diào)整控制量，從而糾正偏差例：液位控制原型：古代水鐘“銅壺滴漏”Q2Q1H1H2系統(tǒng)原理方塊圖[實(shí)質(zhì)]檢測(cè)偏差，用以調(diào)整控制量，從而糾正偏差正/負(fù)反饋液位控制系統(tǒng)負(fù)反饋

正反饋

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1控制系統(tǒng)的工作原理從恒溫箱控制系統(tǒng)的原理框圖可見：給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為系統(tǒng)輸入量，也稱為參考信號(hào)(reference)。控制作用位于控制對(duì)象的輸入端，稱為系統(tǒng)控制量，也稱為控制信號(hào)(control)。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量(output)。輸出量（全部或一部分）通過測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)（兩者之差，error）。輸出量的返回過程稱為反饋(feedback)。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為反饋信號(hào)。由于存在輸出量反饋，上述系統(tǒng)能在存在無法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)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(cè)偏差再糾正偏差”。綜上所述控制系統(tǒng)的工作原理：檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用。從而消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。Part1.2.2

控制系統(tǒng)的基本形式(控制系統(tǒng)分類詳見Part1.4.1)

控制器系統(tǒng)夠成給定量的變化作用原理開環(huán)控制程序控制閉環(huán)控制恒值控制隨動(dòng)控制反饋控制復(fù)合控制(反饋+前饋)開環(huán)控制控制器與被控對(duì)象間只有順序作用而無反向聯(lián)系且控制單方向進(jìn)行。開環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖!：控制量只取決于給定量，而輸出量對(duì)控制量沒有任何影響?：精度這么保證(完全取決于元件制造精度、按裝精度)擾動(dòng)(內(nèi)、外饒)；制造誤差、磨損老化→對(duì)輸出的影響一旦形成，就難于自動(dòng)消除或減弱閉環(huán)控制

特點(diǎn)：不斷地測(cè)量輸出量的的實(shí)際值并和輸入量比較之后，再給出控制，以(動(dòng)態(tài)地)保持輸出恒定。!：建立起輸出量與控制量之間的聯(lián)系→對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感?：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖

按照預(yù)先確定的時(shí)間順序，或按照一定邏輯順序，逐次對(duì)各個(gè)階段進(jìn)行控制。條件(連鎖)控制：若設(shè)定的條件成立時(shí)，使機(jī)器運(yùn)行E.g.刨床的行程控制E.g.水位的雙位控制時(shí)間控制：某臺(tái)機(jī)器的操作經(jīng)過規(guī)定的時(shí)間后，使下一個(gè)機(jī)器運(yùn)行E.g.交通燈，霓虹燈E.g.洗衣機(jī)順序控制：使機(jī)器按著制定的操作順序運(yùn)行E.g.馬達(dá)和機(jī)械的順序啟動(dòng)程序控制(開環(huán)或閉環(huán))Part1.2.3

閉環(huán)控制系統(tǒng)的詳細(xì)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的詳細(xì)組成1給定元件：產(chǎn)生給定信號(hào)或輸入信號(hào)。2反饋元件：測(cè)量被控制量（輸出量），產(chǎn)生反饋信號(hào)。為便于傳輸，反饋信號(hào)通常為電信號(hào)。3比較元件：對(duì)給定信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。4放大元件：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行放大，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)控制功能。5執(zhí)行元件：直接對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行操縱的元件，如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)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)部物理量(如作用力與反作用力)相互作用而產(chǎn)生的直接反饋。注意：在機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、機(jī)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?？刂葡到y(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(shí)際的控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)總是不可避免的，擾動(dòng)分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。但在控制系統(tǒng)中，擾動(dòng)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(dòng)等效為對(duì)控制對(duì)象的干擾。BreakPart1.3

控制理論的基本要求穩(wěn)定性：系統(tǒng)動(dòng)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(shí)，其輸出能隨時(shí)間的增長(zhǎng)收斂并回到初始平衡狀態(tài)。氣動(dòng)伺服實(shí)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)。精確性：控制精度，以穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。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(shí)，系統(tǒng)輸出的實(shí)際值與給定量之間的差值?？焖傩裕狠敵隽亢洼斎肓慨a(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。快速性表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。注意：不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)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，在外界干擾較小的情況下，開環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)：精度通常較低、無自動(dòng)糾偏能力。開環(huán)控制復(fù)合控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)光盤的定位閉環(huán)控制優(yōu)點(diǎn)：精度較高，對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感。缺點(diǎn)：存在穩(wěn)定、振蕩、超調(diào)等問題，系統(tǒng)性能分析和設(shè)計(jì)麻煩。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)伺服實(shí)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(dòng)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)的分類按輸入量的變化特征分類恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)按系統(tǒng)中傳遞信號(hào)連續(xù)性分類連續(xù)控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)、混合系統(tǒng)按系統(tǒng)的反應(yīng)特性線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)，定常(時(shí)不變)系統(tǒng)、非定常(時(shí)變)系統(tǒng)按輸入量的變化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(dòng)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(duì)象按照指令程序的要求而運(yùn)動(dòng)。如：數(shù)控加工系統(tǒng)隨動(dòng)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(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律。如：仿形加工系統(tǒng)、火炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。連續(xù)控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中各部分傳遞的信號(hào)為隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)。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(hào)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(hào)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。注：有的書上(特別是國(guó)外)，連續(xù)系統(tǒng)(continuoussystem)：只有隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)離散系統(tǒng)(discretesystem)：只有不隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)混合系統(tǒng)(hybridsystem)：兩種信號(hào)都有(方程系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系)

→

定常(時(shí)不變)、非定常(時(shí)變*)按系統(tǒng)自身特性(輸入輸出可否疊加)→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(dòng)控制系統(tǒng)的研究方法綜合(synthesis)：在已知被控對(duì)象和合定性能指標(biāo)的前提下，尋求控制規(guī)律，建立一個(gè)能使被控對(duì)象滿足性能要求的系統(tǒng)。分析(analysis)：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(jìn)的計(jì)算工具來定性或定量地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)的性能分析。自動(dòng)控制研究的三個(gè)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(jì)典型控制信號(hào)：

階躍信號(hào)等速和等加速信號(hào)脈沖信號(hào)正弦信號(hào)正弦信號(hào)階躍信號(hào)卸載加載A=1時(shí)稱為單位階躍信號(hào)≥!區(qū)間左連續(xù)脈沖信號(hào)單位脈沖信號(hào)≥等速和等加速信號(hào)干擾、電壓不穩(wěn)、風(fēng)載荷隨機(jī)信號(hào)速度信號(hào)加速度信號(hào)≥Part1.4.3授課內(nèi)容自動(dòng)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(duì)象：?jiǎn)巫兞繒r(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)目標(biāo)：穩(wěn)、準(zhǔn)、快任務(wù)：分析、設(shè)計(jì)Matlab

與控制系統(tǒng)

BreakPart1.5

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(jī)器空間技術(shù)控制理論中國(guó)，埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)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(dòng)裝置(100年)。中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)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(guó)馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)中國(guó)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(jī)結(jié)構(gòu)圖(1637年)英國(guó)J.Watt用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)英國(guó)J.C.Maxwell發(fā)表“論調(diào)速器”(OnGovernors)論文(1868年)英國(guó)E.J.Routh建立Routh判據(jù)(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄國(guó)A.M.Lyapunov博士論文“論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”(1892年)美國(guó)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(guó)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(guó)H.S.Black提出放大器性能的負(fù)反饋方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)自動(dòng)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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出頻率響應(yīng)法。美國(guó)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(guó)的H.Hazen發(fā)表“關(guān)于伺服結(jié)構(gòu)理論”(TheoryofServomechanism)

(1934)，并在MIT建立伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(ServomechanismLaboratory)

(1939)。美國(guó)MIT的N.Wiener研究隨機(jī)過程的預(yù)測(cè)(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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dá)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(guó)W.Evans提出根軌跡法(RootLocusMethod)(1948)，以單輸入線性系統(tǒng)為對(duì)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(shí)期的軍備競(jìng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)現(xiàn)代控制（1950-Now）美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1952)美國(guó)GeorgeDevol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)，兩年后，被稱為機(jī)器人之父的JosephEngelberger創(chuàng)立了第一家機(jī)器人公司，Unimation。美國(guó)的M.E.Merchant提出計(jì)算機(jī)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(jī)器人組成的柔性制造單元(1976)中國(guó)批準(zhǔn)863高技術(shù)計(jì)劃，包括自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和智能機(jī)器人兩個(gè)主題(1986)。日本SONY公司二足步行機(jī)械人SDR-4X(2002)日本安川公司娛樂機(jī)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(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人造地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了(1961)。蘇聯(lián)發(fā)射“月球”9號(hào)探測(cè)器，首次在月面軟著陸成功(1966)，三年后(1969)，美國(guó)“阿波羅”11號(hào)把宇航員N.A.Armstrong送上月球。第一臺(tái)火星探測(cè)器Sojourner在火星表面軟著陸(1996)旅行者Voyager一號(hào)，二號(hào)開始走出太陽系，對(duì)茫茫太空進(jìn)行探索。美國(guó)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(cè)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)(1960)。美國(guó)的E.I.Jury

發(fā)表“數(shù)字控制系統(tǒng)”(Sampled-DataControlSystem)

，建立了數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)(1958)。1963年,美國(guó)的LoftiZadeh與C.Desoer發(fā)表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辯識(shí)，解決了