系统分析及控制第0章绪论.ppt

2006 6 29Page1空中交通管理学院马兰 第0章绪论 系统分析及控制 第0章绪论 谢克明 理论现代控制理论基础 北京工业大学出版社刘豹 现代控制理论 北京 机械工业出版社 2000 胡寿松 自动控制原理 北京 科学出版社 2002 RichardCD ModernControlSystems 北京 科学出版社 2002 陈启宗 线性系统理论与设计 北京 科学出版社 1988 仝茂达 线性系统理论和设计 合肥 中国科学技术大学出版社 1998 2006 6 29Page2空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 2006 6 29Page3空中交通管理学院马兰 自动控制 在无人直接参与的情况下 利用控制装置 使工作机械 或生产过程 被控对象 的某一个物理量 被控量 按预定的规律 给定量 运行 0 1控制理论的产生及其发展 自动控制思想及其实践可以说历史悠久 早在公元前300年 古希腊就运用反馈控制原理设计了浮子调节器 并应用于水钟和油灯中 2020 3 26Page4空中交通管理学院马兰 图1 1水钟原理图 最上面的蓄水池提供水源 中间蓄水池浮动水塞保证恒定水位下面水池中的带有指针的浮子均匀上升 并指示出时间信息 同样早在1000多年前 我国古代先人们也发明了铜壶滴漏计时器 指南车等控制装置 在如图1 1所示的水钟原理图中 0 1控制理论的产生及其发展 而前苏联则认为1765年珀尔朱诺夫 I Polzunov 的浮子水位调节器最有历史意义 2020 3 26Page5空中交通管理学院马兰 首次应用于工业的自控器是瓦特J Watt 于1769年发明的用来控制蒸汽机转速的飞球控制器如图1 2所示 图1 2飞球转速调节器原理图 0 1控制理论的产生及其发展 1868年以前 自控装置和系统的设计还处于直觉阶段 没有系统的理论指导 各项性能 如稳 准 快 的协调控制方面经常出现问题 十九世纪后半叶 许多科学家开始基于数学理论的自控理论的研究 并对控制系统的性能改善产生了积极的影响 1868年 麦克斯威尔 J C Maxwell 建立了飞球控制器的微分方程数学模型 并根据微分方程的解来分析系统的稳定性 1877年 罗斯 E J Routh 提出了不求系统微分方程根的稳定性判据 1895年 霍尔维茨 A Hurwitz 也独立提出了类似的霍尔维茨稳定性判据 第二次世界大战前后 由于自动武器的需要 为控制理论的研究和实践提出了更大的需求 从而大大推动了自控理论的发展 1948年 数学家维纳 N Wiener 的 控制论 CYBERNETICS 一书的出版 标志着控制论的正式诞生 并发现了极为重要的反馈概念 2020 3 26Page6空中交通管理学院马兰 1788年 JamesWatt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 1884年 E J Routh提出劳斯稳定性判据 1892年 A M Lyapunov提出李雅普诺夫稳定性理论 1895年 A Hurwifz提出赫尔维茨稳定性判据 1932年 H Nyquist提出奈奎斯特稳定性判据 1945年 H W Bode提出反馈放大器的一般设计方法 2020 3 26Page7空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 1948年 Evans提出并完善了根轨迹法1948年 N Wiener发表 控制论 1954年 钱学森在美国完成 工程控制论 1956年 蓬特里亚金 Pontryagin 提出极大值原理1957年 R I Bellman提出动态规划理论1960年 R E Kalman提出卡尔曼滤波理论 2020 3 26Page8空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 1948年 Evans提出并完善了根轨迹法1948年 N Wiener发表 控制论 1954年 钱学森在美国完成 工程控制论 1956年 蓬特里亚金 Pontryagin 提出极大值原理1957年 R I Bellman提出动态规划理论1960年 R E Kalman提出卡尔曼滤波理论 2020 3 26Page9空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 概括地说 控制论发展经过了三个时期 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期 第三阶段是七十年代的大系统理论时期 0 1控制理论的产生及其发展 2020 3 26Page10空中交通管理学院马兰 第一阶段是四十年代末到五十年代的经典控制论时期着重解决单输入单输出 SISO SingleInputSingleOutput 线性定常系统的控制问题 它的主要数学工具是微分方程 拉普拉斯变换和传递函数 常以各种图表 如 Nichles图 Bode图 Nyquist图 Routh表 根轨迹等 作为系统分析和综合的主要工具 主要研究方法是时域法 频域法和根轨迹法 主要研究问题是控制系统的快速性 稳定性及其精度 在古典控制理论发展的后期 也曾研究过多变量系统和非线性系统 但从整体上看 它是以研究单变量线性定常系统为主的 2020 3 26Page11空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 0 1控制理论的产生及其发展 经典控制理论的局限在于 1 它只适用于单输入单输出线性定常系统 对于时变系统 复杂非线性系统和多输入多输出系统则无能为力 2 用经典控制理论设计控制系统只能根据幅值裕度 相角裕度 超调量 调节时间等性能指标来笼统地确定校正装置 这种设计方法在很大程度上是人为的 对于同一种要求可以设计出几个性能和质量不同的系统 但无法确定哪种系统是最优的 3 经典控制理论在设计时无法考虑初始条件 并且不便于使用计算机分析和设计 2020 3 26Page12空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 第二阶段是六十年代的现代控制理论时期着重解决多输入多输出 MIMO Multi InputMulti Output 系统和非线性系统的控制问题 主要数学工具是一次微分方程组 矩阵论等等 主要方法是状态空间法 变分法 极大值原理 动态规划理论等 重点是最优控制 随机控制和自适应控制 核心控制装置是电子计算机 现代控制理论与经典控制理论相比有许多优点 它适用于MIMO系统 这些系统可以是线性的 也可以是非线性的 可以是定常的 也可以是时变的 2020 3 26Page13空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 第三阶段是七十年代的大系统理论时期着重解决生物系统 社会系统这样一些众多变量的大系统的综合自动化问题 方法是时域法为主 重点是大系统多级递阶控制 核心装置是网络化的电子计算机 从控制论的观点看 人是最巧妙 最灵活的控制系统 它善于根据条件的变化而作出正确的处理 如何将人的智能应用于实际的自动控制系统中 这是个有重要意义的问题 七十年代开始 人们不仅解决社会 经济 管理 生态环境等系统问题 而且为解决模拟人脑功能 形成了新的学科 人工智能科学 这是控制论的发展前沿 计算机技术的发展为人工智能的发展提供了坚实的基础 人们通过计算机的强大的信息处理能力来开发人工智能 并用它来模仿人脑 在没有人的干预下 人工智能系统能够进行自我调节 自我学习和自我组织 以适应外界环境的变化 并作出相应的决策和控制 2020 3 26Page14空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 经典控制论中常用一个高阶微分方程来描述系统的运动规律 现代控制论中采用的是状态空间法 就是用一组状态变量的一阶微分方程组作为系统的数学模型 从某种意义上说 经典控制中的微分方程只能描述系统的输入与输出的关系 却不能描述系统内部的结构及其状态变量 它描述的只是一个 黑箱 系统 现代控制论中的状态空间法不但能描述系统输入与输出的关系 而且还能完全描述内部的结构及其状态变量的关系 它描述的是一个 白箱 系统 由于能够描述更多的系统信息 所以可以实现更好的系统控制 2020 3 26Page15空中交通管理学院马兰 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 H 控制 智能控制及其相关课题 当前研究的一些热点 混杂系统控制 网络控制 基于人工生命的智能控制 2020 3 26Page16空中交通管理学院马兰 0 1控制理论的产生及其发展 开设这门课程的目的 是使学生掌握现代控制理论的基础内容和基本方法 并为以后深入学习本学科的其它分支学科打下必要的基础 我们将主要介绍线性系统理论的基本内容及其基本应用 原因有三个 1 大多数在其正常范围内工作的物理系统均能用线性模型描述 2 线性系统具有完整的理论并且其模型能用标准方法求解 3 线性系统理论是研究非线性系统的基础 2020 3 26Page17空中交通管理学院马兰 古典控制理论以传递函数为基础研究单输入 单输出一类定常控制系统的分析与设计问题 这些理论由于其发展较早 现已臻成熟 现代控制理论以状态空间法为基础研究多输入 多输出 时变 非线性一类控制系统的分析与设计问题 系统具有高精度和高效能的特点 0 2古典控制理论与现代控制理论 2020 3 26Page18空中交通管理学院马兰 控制论创始人维纳 N Wiener 发现了极为重要的反馈概念 控制论的中心思想 即控制论所具有的信息 反馈与控制三个要素 1954年我国学者钱学森运用控制论的思想和方法 首创了 工程控制论 把控制论推广到其他领域 经典控制论 以传递函数为基础 主要研究单输人 单输出控制系统的分析和设计问题 现代控制论 把经典控制论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组来描述系统的方法 即所谓状态空间法 这种方法可以解决多输入 多输出问题 对非线性 时变系统也有效 控制系统的基本任务 使被控制量按照给定量的变化规律而变化 学习控制工程基础要解决两个问题 一是如何分析控制系统的工作原理 稳定性和过渡过程品质 二是如何根据实际需要来进行控制系统的设计 概念和术语 自动控制对象 过程系统 扰动反馈控制反馈控制系统随动系统过程控制系统 0 3自动控制系统的基本概念 2020 3 26Page21空中交通管理学院马兰 1自动控制在无人直接参与的情况下 通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行 2对象是一个设备 它是由一些机器零件有机地组合在一起的 其作用是完成一个特定的动作 在下面的讨论中 称任何被控物体 如加热炉 化学反应器或宇宙飞船 为对象 3过程称任何被控制的运行状态为过程 其具体例子如化学过程 经济学过程 生物学过程 4系统完成一定任务的一些元 部件的组合 0 3自动控制系统的基本概念 2020 3 26Page22空中交通管理学院马兰 5扰动 6反馈控制 扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号 如果扰动产生在系统内部称为内扰 扰动产生在系统外部 则称为外扰 外扰是系统的输入量 反馈控制是这样一种控制过程 它能够在存在扰动的情况下 力图减小系统的输出量与参考输入量 也称参据量 或者任意变化的希望的状态 之间的偏差 而且其工作正是基于这一偏差基础之上的 0 3自动控制系统的基本概念 2020 3 26Page23空中交通管理学院马兰 反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较 并力图保持两者之间的既定关系的系统 它利用输出量与输入量的偏差来进行控制 应当指出 反馈控制系统不限于工程范畴 在各种非工程范畴内 诸如经济学和生物学中 也存在着反馈控制系统 7反馈控制系统 0 3自动控制系统的基本概念 2020 3 26Page24空中交通管理学院马兰 随动系统是一种反馈控制系统 在这种系统中 输出量是机械位移 速度或者加速度 因此 随动系统这个术语 与位置 或速度或加速度 控制系统是同义语 在现代工业中 广泛采用着随动系统 8随动系统 9过程控制 在工业生产过程中 诸如对压力 温度 湿度 流量 频率以及原料 燃料成分比例等方面的控制 称为过程控制 0 3自动控制系统的基本概念 2020 3 26Page25空中交通管理学院马兰 0 4自动控制系统的工作原理 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page26空中交通管理学院马兰 例1炉温控制系统 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page27空中交通管理学院马兰 炉温控制系统方框图 炉温控制系统方框图 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page28空中交通管理学院马兰 例2函数记录仪 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page29空中交通管理学院马兰 函数记录仪方框图 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page30空中交通管理学院马兰 0 4自动控制系统的工作原理 2020 3 26Page31空中交通管理学院马兰 0 4自动控制系统的工作原理 图0 3电加热器系统自动控制原理框图 图0 4基本的反馈控制系统框图 2020 3 26Page32空中交通管理学院马兰 0 4自动控制系统的工作原理 图0 5闭环控制系统典型框图 图0 7典型的反馈控制系统框图 2020 3 26Page33空中交通管理学院马兰 0 4自动控制系统的工作原理 1 5 2 4自动控制系统的基本类型 1 线性与非线性系统 2 连续与离散系统 3 确定与不确定系统1 5 2 5对控制系统的基本要求三个要求 稳定准确快速 2020 3 26Page34空中交通管理学院马兰 控制理论研究的两大课题对于一个具体的控制系统 如何从理论上对它的动态性能和稳态精度进行定性的分析和定量的计算 根据对系统性能的要求 如何合理地设计校正装置 使系统的性能能全面地满足技术上的要求 0 5基本任务 2020 3 26Page35空中交通管理学院马兰 控制理论的基本内容 古典控制理论与现代控制理论概念和术语闭环控制和开环控制自动控制系统的分类对自动控制系统的基本要求现代控制理论的内容及相互关系 0 5基本内容 2020 3 26Page36空中交通管理学院马兰 闭环控制与开环控制 闭环控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较 0 6闭环控制与开环控制 2020 3 26Page37空中交通管理学院马兰 凡是系统输出信号对控制作用有直接影响的系统 都称为闭环系统 输入信号和反馈信号 反馈信号可以是输出信号本身 也可以是输出信号的函数或导数 之差 称为误差信号 误差信号加到控制器上 以减小系统的误差 并使系统的输出量趋于所希望的值 换句话说 闭环 这个术语的涵义 就是应用反馈作用来减小系统的误差 0 6闭环控制与开环控制 闭环控制 2020 3 26Page38空中交通管理学院马兰 闭环控制系统 0 6闭环控制与开环控制 2020 3 26Page39空中交通管理学院马兰 开环控制系统 定义 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道 这种控制方式称为开环控制系统 0 6闭环控制与开环控制 2020 3 26Page40空中交通管理学院马兰 闭环与开环控制系统的比较 闭环控制系统的特点偏差控制 可以抑制内 外扰动对被控制量产生的影响 精度高 结构复杂 设计 分析麻烦 开环控制系统的特点顺向作用 没有反向的联系 没有修正偏差能力 抗扰动性较差 结构简单 调整方便 成本低 0 6闭环控制与开环控制 2020 3 26Page41空中交通管理学院马兰 控制系统的分类 开环控制闭环控制 反馈控制 复合控制 按控制方式分 0 7控制系统的分类 2020 3 26Page42空中交通管理学院马兰 机械系统电气系统机电系统液压系统气动系统生物系统 按元件类 型分 0 7控制系统的分类 2020 3 26Page43空中交通管理学院马兰 线性系统非线性系统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 按系统性能分 0 7控制系统的分类 2020 3 26Page44空中交通管理学院马兰 恒值控制系统 随动系统 程序控制系统 按参考量变化规律分 0 7控制系统的分类 2020 3 26Page45空中交通管理学院马兰 稳定性 1对恒值系统 要求当系统受到扰动后 经过一定时间的调整能够回到原来的期望值 2对随动系统 被控制量始终跟踪参据量的变化 稳定性是对系统的基本要求 不稳定的系统不能实现预定任务 稳定性 通常由系统的结构决定 与外界因素无关 自动控制系统的基本要求 可以归结为稳定性 长期稳定性 准确性 精度 和快速性 相对稳定性 0 8自动控制系统的基本要求 2020 3 26Page46空中交通管理学院马兰 准确性 用稳态误差来表示 在参考输入信号作用下 当系统达到稳态后 其稳态输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误差 显然 这种误差越小 表示系统的输出跟随参考输入的精度越高 快速性 对过渡过程的形式和快慢提出要求 一般称为动态性能 稳定高射炮射角随动系统 虽然炮身最终能跟踪目标 但如果目标变动迅速 而炮身行动迟缓 仍然抓不住目标 0 8自动控制系统的基本要求 2020 3 26Page47空中交通管理学院马兰 现代控制理论 从经典控制到现代控制 数学工具的变化传递函数 频域 状态空间理论 时域 0 9现代控制理论 2020 3 26Page48空中交通管理学院马兰 1 极大值原理 Pontryagin 1956年 2 动态规划理论 Bellman 1957年 3 卡尔曼滤波理论 Kalman 1960年 三大理论基础 0 9现代控制理论 2020 3 26Page49空中交通管理学院马兰 最优控制最优滤波系统辨识自适应控制 现代控制理论内容 0 9现代控制理论 2020 3 26Page50空中交通管理学院马兰 状态 状态变量 状态空间 状态方程 动态方程 任何一个系统在特定时刻都有一个特定的状态 每个状态都可以用最小的一组 一个或多个 独立的状态变量来描述 0 9现代控制理论 2020 3 26Page51空中交通管理学院马兰 设系统有n个状态变量x1 x2 xn 它们都是时间t的函数 用向量形式表示就是 X x1 x2 xn TX称作系统的状态向量 当每个状态变量在实数范围内任意取值时 状态向量的全体 一个状态向量乘以一个实数 两个向量的和都还是状态向量 就构成状态空间 0 9现代控制理论 2020 3 26Page52空中交通管理学院马兰 系统的控制