控制工程基本概念.docx

控制工程理论特点：1、抽象、要求有较好的数学、物理、电学基础2、不必追求数学论证的严密性、充分注意数学结论的准确性与物理 概念的明晰性3、切忌死记硬背，适当理解记忆4、多做习题，独立完成作业第1章 自动控制系统的基本概念1.1 引言人体自然系统: 体温控制系统、心跳控制系统、眼球聚焦系统、新 陈代谢系统、血液系统、呼吸系统、肾肝肺系统 这些系统持续 的自动控制是我们保持健康的基本条件、这些系统是在我们非有 意识干预的情况下自动运行的 天体自然系统：银河系的恒星运动； 季节自然系统：四季气候变更 人造系统：洗衣机、电冰箱、电饭煲、电梯控制系统、温度控制 系统、水位控制系统、速度控制系统、刹车防抱死系 统自动控制的应用：化工过程的压力和温度自动保持恒定、数控机 床按照预定的程序自动地切削工件加工出预期的零件、地面火炮 系统（跟踪雷达+指挥仪）自动跟踪飞行目标、导弹自动地攻击敌方 目标，导弹空中拦截、巡航导弹绕避障碍物，、无人驾驶飞机按照 预定航迹自动升降和飞行、人造卫星准确地进入预定轨道运行并 回收、焊接机器人自动地按工艺要求焊接流水线上的部件自动控制技术的应用范围已扩展到工农业生产、交通运输、 国防、宇航以及生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生 活领域中，自动控制也成为了现代社会活动中不可缺少的重要组 成部分。

自动控制理论发展：■ 1787年，James Watt为控制蒸汽机速度设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果■ 1868 年， J.C.Maxwell 在论文“论调节器”中首先解释了 Watt 速度控制系统中出现的不稳定问题，通过线性常微分方程的建 立和分析，指出了振荡现象的出现与从系统导出的一个代数方 程根的分布有密切的关系，开辟了用数学方法研究控制系统运 动特性的途径■ 1877年E.J.Routh和1895年A.Hurwitz分别独立地建立了直 接根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则■ 1892 年 A.M.Lyapunov 用严格的数学分析方法全面地论述了稳 定性问题,Lyapunov稳定性理论至今仍然是分析系统稳定性的 重要方法■ 1922 年， Minorsky 研制出船舶操纵自动控制器，并证明了从系 统的微分方程确定系统的稳定性的方法■ 1925 年英国电气工程师 O. 亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解 电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后被应用到分析自 动控制系统的问题上，并取得了显著的成就■ 1927年美国贝尔实验室的电气工程师H.S.Blsck在解决电子管 放大器失真问题时首先引入反馈的概念。

■ 1932 年， Nyquist 提出了一种根据系统的开环频率响应（对稳态 正弦输入），确定闭环系统稳定性的方法■ 1934 年， Hezen 提出了用于位置控制系统的伺服机构的概念， 讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的机电伺服机构■ 1945 年 BODE 提出了线性系统的图解方法■ 1948年，Winer出版了《控制论》一书形成了完整的经典控制 理论美国科学家W.R.Evans提出了有名的根轨迹的分析方法, 并于1950年进一步应用于反馈控制系统的设计，形成了与频率 响应方法相对应的另一核心方法——根轨迹法■ 1954 年，从工程应用角度钱学森出版了《工程控制论》■ 1956 年，前苏联科学家 L.S.Pontryagin 提出极大值原理同 年美国数学家R.Bellman创立动态规划极大值原理和动态规 划为最优控制提供了理论工具■ 1959 年美国数学家 R.E.Kalman 提出了著名的卡尔曼滤波器， 1960 年又提出能控性和能观测性的概念极大值原理、动态 规划、卡尔曼滤波器形成了最优控制理论，由此最终形成了现 代控制理论）■ 19 世纪 50 年代末，控制系统设计问题的重点从设计许多可行 系统中的一种系统，转到设计在某种意义上的最佳系统。

■ 19 世纪 60 年代，数字计算机的出现为复杂系统的基于时域分 析的现代控制理论提供了可能■ 从 1960 年到 1980，确定性系统、随机系统的最佳控制，及复 杂系统的自适应和学习控制，都得到充分的研究■从1980年到现在，现代控制理论进展集中于鲁棒控制、He控 制及其相关课题发展阶段：■ 经典控制理论：线性控制理论、非线性控制理论 、采样控制理论40~50 年代形成，以传递函数为基础,研究单输入单输出线性 定常控制系统的分析与设计问题基于： 二战军工技术目标： 反馈控制系统的稳定基本方法：频率响应法，根轨迹法及PID调节器（频域） 数学工具：微分方程及以拉氏变换为基础的传递函数■ 现代控制理论60~70 年代形成，以状态空间法为基础，研究多输入多输出、 变系数非线性控制系统的分析与设计问题 基于：冷战时期地球卫星、空间探测、宇航技术的发展需要，要 求控制系统高精度+复杂化、控制对象复杂化（如减轻卫星 重量、精确制导）、计算机技术使这种复杂成为了可能 目标：最优控制 基本方法：状态空间表达式 数学工具：线性代数、矩阵理论■大系统理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系 统工程理论，研究的对象具有规模庞大、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 多变量的系统如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中 有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等■ 智能控制理论这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■ 1.2 开环控制系统和闭环控制系统 控制：对被控对象采取一定的措施，使被控制对象的物理量准确 地按预期的规律变化开环控制系统：（前馈控制） 定义：输出量与输入量之间没有反向联系，只靠输入量对输出量 单向控制的系统如自动售货机，自动洗衣机，自动流水 线，包装机例子：直流电机转速开环控制系统---uruka可控硅功放电压放大器负载+P例子：开环数控机床（步进电机）工作机床f切削刀具位移特点：结构简单、工作稳定、抗干扰能力差，控制精度不高闭环控制系统：（反馈控制系统） 输出量与输入量之间有反向联系，靠输入量与反馈信号之间 的偏差对输出量进行控制的系统反馈：是把系统输出量全部或一部分回送到输入端，并与输入信 号相比较产生偏差信号的过程反馈控制：建立于负反馈基础之上利用偏差去纠正偏差的控制过 程。

反馈控制的本质就是检测偏差并用以纠正偏差例子：直流电机转速闭环控制系统+电压放大器可控硅功放n负载u测速o发电阀门调节器被控对象机械杠杆爭水箱h(t)检测机构A浮子_l q2(t)例子：闭环数控机床例子：位置伺服系统度高、结构复杂、对反馈原件的精度要求高1.3 自动控制系统的分类和应用 按控制方式：开环控制、闭环控制（反馈控制）、复合控制 按系统特性：线性系统、非线性系统； 按信号形式：连续系统、离散系统、定常系统、时变系统、确定 性系统、不确定性系统按输入量变化规律：1）恒值控制系统：输入信号是一个恒定的数值，任务：在各种扰 动作用下都能使输出量保持在恒定希望值附近如 :工业生产 中的恒温、恒压、调速等自动控制系统2）随动（伺服）系统：输入信号为事先不知道的任意时间函数，任 务：要求控制系统的输出量迅速而准确地跟随输入量的变化而 变化比如：飞机和舰船的操舵系统，基于雷达的火炮自动跟 踪系统3）程序控制系统：输入信号是一个已知的函数（输入量按照给定 的程序变化）任务：系统的控制过程按预定的程序进行，要 求被控量能迅速准确地复现输入最典型的是数控车床和机器 人控制系统1.3 对自动控制系统的基本要求稳定性（动态稳定性）、瞬态特性（快速性）、稳态特性（進确性）。