第一章导论-控制工程或自动控制-上海交通大学课件.ppt

自动控制原理,上海交通大学电信学院自动化系 Email: xpguan,2012年9月,2019/9/24,2,第一章 导 论,自动控制是人类在认识世界和发明创新的过程中发展起来的一门重要的科学技术。依靠它，人类可以从笨重，重复性的劳动中解放出来，从事更富创造性的工作。 自动化技术是当代发展迅速，应用广泛，最引人瞩目的高技术之一，是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。自动化也即现代化。,自动控制技术与人类进步 Automatic Control & Human Civilization,2019/9/24,3,本章简介,自动控制的发展历史 自动控制的基本概念 自动控制系统的分类 自动控制系统的基本要求,2019/9/24,4,一 自动控制的发展历史,1.前期控制 (Early Control) (1400B.C. - 1900) 2.经典控制前期 (The Pre-classical Period) (1900-1935) 3.经典控制 (Classical Control) (1935-1950) 4.现代控制 (Modern Control) (1950-),2019/9/24,5,1.前期控制(Early Control)(1400B.C. - 1900),(0) 中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400B.C. 1100B.C.)。孙武著孙子兵法(600B.C.),(1) 秦昭王时，李冰主持修筑都江堰体现的系统观念和实践(300B.C.),西汉漏壶,2019/9/24,6,(3) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪(132年),(2) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水等自动装置(100年),2019/9/24,7,(4) 中国马钧研制出用齿轮传动的自动指示方向的指南车(235年),(5) 中国明代宋应星所著天工开物记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年),2019/9/24,8,(6) 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年),(7) 法国J. C. Maxwell发表“论调速器”(On Governors)论文(1868年),成功解决了二阶及三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的EJRouth与瑞典的Hurwitz解决了多阶系统的稳定性判断,2019/9/24,9,(8) 英国E.J. Routh建立Routh判据(Routh-Hurwitz Stability Criteria)(1875年),(9) 俄国A.M. Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题” (1892年),(10) 英国J. M. Gray设计出第一艘全自动蒸汽轮船“东方”号(Great Eastern)(1866年),2019/9/24,10,(11)由徐寿设计的中国第一艘蒸汽轮船“黄鹄”号(L20m, 25T, 10km/hr)在安庆内军械所下水(1866)。次年，中国第一艘木质明轮蒸汽舰船“恬古”号在江南造船厂下水。,操江号(62mx10m), 392匹马力，600T排水，备炮9门,2019/9/24,11,2.经典控制前期(The Pre-classical Period)(1900-1935),(1) 美国福特(Ford Motor)汽车公司建成最早的汽车装配流水线(1913),(2) 美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922),(3) 美国MIT的Vannevar Bush研制成第一台大型模拟计算机(Differential Analyzer)(1928),V. Bush,2019/9/24,12,(4) 美国H.S. Black提出放大器性能的负反馈方法(Negative Feedback Amplifier) (1927),H. S. Black,2019/9/24,13,(5) 自动控制的基础为闭环控制。控制论的奠基人N.Wiener 给出的定义为： “Feedback is a method of controlling a system by inserting into it the result of its past performance”,简单地说：控制论指的是感觉和机器方面的控制和通讯。控制论就是研究动物 （包括人类）、自动机器和有机体的控制和通讯的理论。,2019/9/24,14,维纳：控制科学的鼻祖,1894年，维纳出生在美国密苏里州哥伦比亚市的一个犹太人的家庭中 1906年，进入土夫兹学院学习(12岁) 1909年，获数学学士学位(15岁) 1913年, 关于数理逻辑的论文获哈佛大学博土学位(19岁) 1933年任美国国家科学院院士 1948年，发表了划时代的著作控制论。控制论指的是感觉和机器方面的控制和通讯。控制论就是研究动物 （包括人类）、自动机器和有机体的控制和通讯的理论。 在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测出来，并反馈回去与给定信号相比较。如果比较有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作，直到偏差信号消失为止。,2019/9/24,15,李郁荣（YWLee，1904-1989），广东人，NWiener的首位博士生（1930年），曾任职于清华大学电机系（1931-1937），早期为NWiener理论的工程应用与推广作了大量的工作。1946年回到MIT电机系（1946-1969），与Shannon一起成为该系最著名的两位学科带头人。其主要工作包括随机通讯（Statistical Communication Theory）和电路理论，培养了大批电子工程领域中的知名学者和工程师，被誉为MIT最伟大的教育家之一,2019/9/24,16,(6) 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929),2019/9/24,17,3. 经典控制(Classical Control)(1935-1950),(1) 美国贝尔实验室的H. Bode 1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法,(2) 美国Taylor仪器公司的J. G. Ziegler和N. B. Nichols提出PID参数的最佳调整法(1942),(3) 美国MIT的N. Wiener研究随机过程的预测(1942)，提出Wiener滤波理论(1942)，发表控制论(Cybernetics)一书(1948)，标志着控制论学科的诞生。,N.B. Nichols,N. Wiener,N. Wiener, shown here in 1954 with Yuk Wing Lee (left) and Amar G. Bose, discussing an aspect of statistical communication theory,2019/9/24,18,(4) 美国的H. Hazen发表“关于伺服结构理论”(Theory of Servome-chanism) (1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(Servomechanism Laboratory) (1939),H. Hazen,2019/9/24,19,(5) 英国A. M. Turine提出图灵计算机的设想(1937),(7) 在贝尔实验室Bode领导的火炮控制系统研究小组工作的C. Shannon提出继电器逻辑自动化理论(1938)，随后，发表专著通信的数字理论(The Mathematical Theory of Communication)，奠定了信息论的基础(1948),C. E. Shannon,(6) JVonNeuman（1903-1957）发明首台数字计算机(1946) ，创立Game Theory (1944),2019/9/24,20,(8) MIT Radiation Laboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了Nichols Chart Design Method，R. S. Philips的工作On Noise in Servomechanisms，以及Hurwicz (1947)的数字控制系统(Sampled Data System),(9) 美国W. Evans提出根轨迹法(Root Locus Method) (1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。,(10) 多本有关经典控制的经典名著相继出版，包括Ed. S. Smith的Automatic Control Engineering (1942)，H. Bode的Network Analysis and Feedback Amplifier(1945)，L.A. MacColl的Fundamental Theory of Servomechanisms (1945)，以及钱学森的工程控制论(Engineering Cybernetics) (1954),Lan J. Chu,2019/9/24,21,4.现代控制(Modern Control) (1950- ),二次世界大战中火炮，雷达，飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。五十年代后兴起的现代控制起源于冷战时期的军备竞赛，如导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现(英国科学家A.J.G. MacFarlane)。,2019/9/24,22,(2) 美国R. Bellman在RAND Cooperation数学部的支持下，发表著名的Dynamic Programming，建立最优控制的基础(1957),(3) 国际自动控制联合会(IFAC)成立(1957)，中国为发起国之一，第一届学术会议于莫斯科召开(1960),(1) 苏联L.S. Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(Maximum Principle)(1956),L.S. Pontryagin,2019/9/24,23,(4) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952),2019/9/24,24,(5) 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957),Sputnik 1 was the first artificial satellite launched into space,1957. Laika. Sputnik 2,2019/9/24,25,Oct. 4, 1957: Launch of the rocket carrying Sputnik, the first man-made satellite. Photos of the launch were not initially released. This photo is a still from a 1967 Soviet documentary film.,K.S. Pavlovitch(1906-1966), Russian spacecraft designer and header of the Vostok and Voskhod projects.,2019/9/24,26,(6) 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)，两年后，被称为机器人之父的Joseph Engelberger创立了第一家机器人公司，Unimation,(7) 美籍匈牙利人R. E. Kalman发表“On the General Theory of Control Systems”等论文，引入状态空间法分析系统，提出能控性，能观测性，最佳调节器和kalman 滤波等概念，奠定了现代控制理论的基础(1960),R.E. Kalman,2019/9/24,27,(8) 苏联东方-号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961),1961, at the age of 27, Gagarin left the earth. It was April the 12th, 9.07 Moscow time (launch-site, Baikonur). 108 minutes later, he was back . The period of orbital revolution was 89:34 minutes (this figure was “calculated by electronic computers“). The missions maximum flight altitude was 327 000 meters. The maximum speed reached was 28 260 kilometers per hour.,宇宙哥伦布-加加林,A stamp issued by Russia to memorize Y. Gagarin,Capsule used in first manned orbit of earth,In 1961, the first human to pilot a spacecraft, Yuri Gagarin, was launched by the Soviet Union aboard Vostok I.,2019/9/24,28,(9) 1963年, 美国的Lofti Zadeh与C. Desoer发表Linear Systems - A State Space Approach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念,(10) 美国的E.I. Jury 发表“数字控制系统” (Sampled-Data Control System) ，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958),C. Desoer,2019/9/24,29,(11) 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。,N.A. Armstrong,2019/9/24,30,(12) 瑞典Karl J. Astrom提出最小二乘辩识，解决了线性定常系统参数估计问题和定阶方法(1967)，六年后，提出了自启调节器，建立自适应控制的基础。Astrom于1993年获得IEEE Medal of Honor。,K. J. Astrom,(13) 英国H. H. Rosenbrock 发表State Space and Multivariable Theory(1970)。加拿大W.M Wonham 发表Linear Multivariable Control: A Geometric Approach (1974) 。,W.M Wonham,2019/9/24,31,(14) 美国的M. E. Merchant提出计算机集成制造的概念(1969),2019/9/24,32,(15) 美国ARPA计算机网络初步建成(1971),(16) 日本Fanuc公司研制出由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(1976),2019/9/24,33,(17) 美国R. Brockett提出用微分几何研究非线性控制系统(1976)，意大利A. Isidori出版(Nonlinear Control Systems) (1985)。,A. Isidori,R. Brockett,2019/9/24,34,(18) 加拿大G. Zames提出H-inf. 鲁棒控制设计方法(1981年),(19) 美国“哥伦比亚”号航天飞机首次发射成功(1981年),Gorge Zames,2019/9/24,35,(20) 美国A. Bryson 和Y.C Ho 发表Applied Optimal Control(1969)。Y.C Ho 和X.R Cao等提出离散事件系统理论(1983),(21) 中国批准863高技术计划，包括自动化领域的计算机集成制造系统和智能机器人两个主题(1986),A. Bryson,Yu C. Ho,P. Kokotovic,2019/9/24,36,(22) IEEE Control Systems Award 获得者。,2019/9/24,37,(23) 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996),(24) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系， 对茫茫太空进行探索,2019/9/24,38,神州五号宇宙飞船成功发射，中国首次载人航天圆满成功。标志着中国已经成为世界上独立自主地完整掌握载人航天技术的国家之一（2003）,2019/9/24,39,综上：自动控制成为一门科学是从1948发展起来的。,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,2019/9/24,40,自动控制技术的作用,1. 自动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. 自动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。,2019/9/24,41,二 自动控制的基本概念,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（给定值）运行。 系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。 自动控制系统 ：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。,2019/9/24,42,2019/9/24,43,三 自动控制系统的分类,（不同的输入电压u对应于不同的温度t）,1. 按照信息传递方式分：开环控制、闭环控制和复合控制,例一：炉温控制系统,2019/9/24,44,开环控制：控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。,例二：电机调速开环系统,2019/9/24,45,控制方式： 按给定值操纵。信号由给定值至输出量单向传递。一定的给定值对应一定的输出量。系统的控制精度取决于系统事先的调整精度。,开环控制系统特点： 信号从输入到输出无反馈,单向传递. 结构简单. 控制精度不高,无法抑制扰动.,2019/9/24,46,例三：直流电动机闭环调速系统 .,按偏差调节：nub( ug-ub)ud n,控制量：ud = k (ug-ub) 偏差信号：ug-ub,控制任务：保持工作机械恒速运行,闭环控制:是指控制器与控制对象之间既有顺向 作用有反向联系的控制过程。,2019/9/24,47,闭环控制系统的方框图,方框图的组成：,2019/9/24,48,闭环控制系统 系统输出量对控制作用有直接影响 ； 实现了按偏差控制； 也称为反馈控制； 闭环控制系统由前向通道（控制器和控制对象）和反馈通道（反馈装置）构成（如图所示）； 反馈控制：正反馈和负反馈； 具有正反馈形式的系统一般不能改进系统性能，而且容易使系统性能变坏 ； 通常而言，反馈控制就是指负反馈控制。 闭环系统必须考虑稳定性问题,2019/9/24,49,闭环系统与开环系统的区别 与开环控制系统相比，闭环控制系统的最大特点是检测偏差、纠正偏差 ； 从系统结构上看，闭环系统具有反向通道； 从功能上看，闭环系统具有如下特点： (1)由于增加了反馈通道，系统的控制精度得到了提高，若采用开环控制，要达到同样的精度，则需要高精度的控制器，从而大大增加了成本； (2)由于存在系统的反馈，可以较好地抑制系统各环节中可能存在的扰动和由于器件的老化而引起的结构和参数的不确定性； (3)反馈环节的存在可以较好地改善系统的动态性能。,2019/9/24,50,开环 优点：结构简单，成本低廉，工作稳定，当输入信号和 扰动能预先知道时，控制效果较好。,缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参 数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大。,闭环 优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修 正元件参数变化及外界扰动引起的误差，控制精度高。,缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。,2019/9/24,51,主 反 馈 与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同； 偏 差 给定信号与主反馈信号之差的信号； 控制单元 接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量； 扰 动 对系统输出产生不利影响的信号； 反馈环节 检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。,闭环控制系统的术语和定义,2019/9/24,52,复合控制,它是把按偏差控制与按扰动控制结合起来，对于主要扰动采用适当的补偿装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。,按扰动 补偿,2019/9/24,53,(1)恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒 温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 (2)过程控制系统（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一个已知的函数。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，如化工中的压力、温度、流量控制。 恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。,2. 按照控制作用分：恒值控制系统、伺服系统和程序控制系统,2019/9/24,54,(3) 随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的输出量跟随输入信号变化。 输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ； 系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定的范围内； 导弹发射架控制系统、火炮随动系统、雷达天线控制系统 ； 当被控量为位置或角度时，伺服系统又称为随动系统。,2019/9/24,55,1、连续系统 特点：系统各部分信号都是模拟的