FeedbackControl学习教案

1、会计学1FeedbackControl第一页，共43页。ReferencesReferences: :总学时总学时(xush)：90 学分：学分：4.5 讲课：讲课：72学时学时(xush) 实验：实验：18 学时学时(xush)2 Benjamin C. Kuo. Automatic Control Systems M. Prentice-Hall 1995 Seventh Edition 3Richard C. Dorf. 现代(xindi)控制系统M. 北京：高等教育出版社，2001第八版4 卢子广 等. 自动控制(z dn kn zh)理论M. 北京：机械工业出版社，20091 Joh

2、n J. Dazzo. Linear Control System Analysis and Design M. McGraw-Hill, 1995 答疑预约地点：电气楼5楼Email: Course IntroductionCourse Introduction第1页/共43页第二页，共43页。第2页/共43页第三页，共43页。第3页/共43页第四页，共43页。第4页/共43页第五页，共43页。第5页/共43页第六页，共43页。自动控制理论自动控制理论电机电机(dinj)与与拖动拖动模拟电子模拟电子(dinz)技术技术线性代数线性代数(xin xn di sh)高等数学（含微分方程）高等数学

3、（含微分方程）复变函数、拉普拉斯变换复变函数、拉普拉斯变换电路理论电路理论大学物理（力学、热力学）大学物理（力学、热力学）信号与系统信号与系统运动控制运动控制过程控制过程控制检测技术检测技术计算机控制技术计算机控制技术现代控制理论现代控制理论第6页/共43页第七页，共43页。第7页/共43页第八页，共43页。Manual level control eyesarmsPlant/ProcessPlant/Process：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelInputInput: desired

4、water level: desired water levelManMans function: s function: measurementmeasurementcomparingcomparing and and operatingoperatingbraininput第8页/共43页第九页，共43页。Automatic level control ：inputcontrolleractuatorLevel measuringPlantPlant：tanktankControlled variableControlled variable：water levelwater levelI

5、nput: desired water levelInput: desired water levelControl systemControl systems function: s function: measurementmeasurement、comparingcomparing and and operatingoperatingControl systemA Perspective on Feedback Control第9页/共43页第十页，共43页。Open-Loop Control第10页/共43页第十一页，共43页。Block Diagram of Open-Loop Co

6、ntrolControllerProcesscontrolled variable/output/responseinput/referencecontrol signal/manipulated variableAt least two problems with open loop control !disturbance/noiseWhy open loop?第11页/共43页第十二页，共43页。Closed-Loop ControlIt also called feedback control!第12页/共43页第十三页，共43页。input erroroutputProcessCon

7、trollerSensorBlock Diagram of Closed-Loop ControlNormally use negative feedback ! disturbancenoise第13页/共43页第十四页，共43页。Feed-forward Control第14页/共43页第十五页，共43页。outputProcessControllerBlock Diagram of Feed-forward Controldisturbance第15页/共43页第十六页，共43页。systemMore about Block Diagraminput erroroutputProcess

8、ControllerSensordisturbanceThe arrows are the representation of information/signals!subsystem or element第16页/共43页第十七页，共43页。More about Block DiagramTwo types of block diagramR(s)G2(s)G1(s)G3(s)Y(s)quantitative modelinput outputProcessControllerSensorqualitative modelTransfer function第17页/共43页第十八页，共43

9、页。More about Block DiagramThe connection of block diagramG1(s)R(s)Y(s)Y(s)=G(s)R(s)Y(s)=G1(s)G2(s)R(s)G2(s)G1(s)R(s)Y(s)第18页/共43页第十九页，共43页。More about Block DiagramThe connection of block diagramG1(s)G2(s)+R(s)Y(s)Y(s)=G1(s)+G2(s)R(s)G1(s)G2(s)Y(s)R(s)112( )( )( )1( )( )G sY sR sG s G s第19页/共43页第二十页，

10、共43页。1.1 A Simple Feedback Systemthermostat第20页/共43页第二十一页，共43页。To draw a block diagram is the first thing in system analysis!1.1 A Simple Feedback System第21页/共43页第二十二页，共43页。1.1 A Simple Feedback SystemThermostatGas ValveFurnaceHouseDesiredtemp.Roomtemp.Heat lossQinQoutInput filterProcessReferenceout

11、put.DisturbanceControllerSensorActuatorPlant第22页/共43页第二十三页，共43页。1.2 A First Analysis of FeedbackNow, the problem we have is how to design controller?第23页/共43页第二十四页，共43页。1.2 A First Analysis of FeedbackCruise control of an automobileto build some modelsignore the dynamic characteristic of system1 cha

12、nge in throttle angle10 mph change in speed1% change in grade5 mph change in speedDesired speed is 65 mph第24页/共43页第二十五页，共43页。Actual speed65 mphthrottle angleThe Block Diagram of a Cruise ControlControllerAuto bodyspeedometerEngine1.2 A First Analysis of Feedbackroad grad第25页/共43页第二十六页，共43页。1.2 A Fir

13、st Analysis of Feedbackoutput speedmphroad grade%The Block Diagram of the Cruise Control Plant10y0.5wcontroldegreesuoutput speed， mphThe Block Diagram of the Auto Body10ycontrol degreesu第26页/共43页第二十七页，共43页。1.2 A First Analysis of FeedbackOpen-loop Cruise Control10y0.5wu1/10rcontrollerError analysisy

14、ol=10(u-0.5w)=r-5weol=r-yol=5w第27页/共43页第二十八页，共43页。1.2 A First Analysis of Feedbackycl=10(u-0.5w)u=10(r-ycl)10051011015101101clclyrwrew=-=+Closed-loop Cruise Control10y0.5wu10rcontrollerError analysis第28页/共43页第二十九页，共43页。Classification of Control Systems第29页/共43页第三十页，共43页。第30页/共43页第三十一页，共43页。古代古代(gdi)

15、控制控制 公元前公元前300年左右，李冰年左右，李冰(l bn)设计和建造的都江堰水利设计和建造的都江堰水利工程，运用了反馈原理。工程，运用了反馈原理。指南车：东汉指南车：东汉(DngHn)，张衡；三国，马钧，张衡；三国，马钧水运仪象台：宋（公元水运仪象台：宋（公元1088年）苏颂年）苏颂公元前公元前300300年至公元前年至公元前1 1年，古希腊出现的年，古希腊出现的浮球调节装置。大约公元浮球调节装置。大约公元250250年，年，PhilongPhilong发明的油灯，其中用浮球调节装置来保持发明的油灯，其中用浮球调节装置来保持燃油的油面高度。还有古希腊的水钟。燃油的油面高度。还有古希腊的水

16、钟。第31页/共43页第三十二页，共43页。 近代欧洲最早发明近代欧洲最早发明(fmng)的反馈系统是荷兰人的反馈系统是荷兰人Cornelis Drebbel(1572-1633)发明发明(fmng)的温度调节器的温度调节器Dennis Papin(1647-1712)在在1681年发明年发明(fmng)了锅炉压力调节器。了锅炉压力调节器。mercuryAlcoholwaterdamper第32页/共43页第三十三页，共43页。 J. C. Maxwell(1831-1879)，1868年发表的文章：年发表的文章：On Governors,首先全面地论述了反馈系统的稳定性，建立了调速器的微首先

17、全面地论述了反馈系统的稳定性，建立了调速器的微分方程分方程(wi fn fn chn)，在平衡点附近线性化后，获得了代数特，在平衡点附近线性化后，获得了代数特征方程，并以该方程的根作为判断稳定性的依据，他解决了二阶、三征方程，并以该方程的根作为判断稳定性的依据，他解决了二阶、三阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的阶系统的稳定性。随后，剑桥大学的E. J. Routh 与瑞典的与瑞典的Hurwitz解解决了高阶系统的稳定性判断。决了高阶系统的稳定性判断。 1769年，为了解决工业生产中蒸汽机的速度控制(kngzh)问题，J. Watt(瓦特,1736-1819)发明了蒸汽机。他在蒸汽机上安装了一个飞

18、球，构成蒸汽机调速器。近代近代(jndi)控制控制第33页/共43页第三十四页，共43页。Fly-Ball Governor第34页/共43页第三十五页，共43页。 A. Lyapunov(1857-1918)，俄国数学家，在他的博士论文中，俄国数学家，在他的博士论文中，Lyapunov系统地研究系统地研究(ynji)了由微分方程描述的一般运动系统了由微分方程描述的一般运动系统的稳定性问题，建立了著名的的稳定性问题，建立了著名的Lyapunov方法方法 M. Minorsky, 美国工程师，在年首先提出了控美国工程师，在年首先提出了控制方法，成功地将其应用制方法，成功地将其应用(yngyng)

19、于美国海军军舰于美国海军军舰New Mexico的的控制问题控制问题H. S. Black , AT&T贝尔实验室的研究员贝尔实验室的研究员, 于于1927年发明了负反馈方年发明了负反馈方法与电子放大器法与电子放大器,其工作为现代电子系统和通信系统奠定了基础其工作为现代电子系统和通信系统奠定了基础.经典经典(jngdin)控制控制第35页/共43页第三十六页，共43页。在第二次世界大战中，因为飞机自动驾驶仪、火炮位置跟踪系统、雷达天线跟踪系统以及其它的军事方面的应用，反馈控制变成一种重要的方法。在20世纪40年代之前，这些系统的设计和制造(zhzo)主要依赖于实验“试凑法”。在美国的M

20、IT、Bell实验室的一批科学家工程师，例如N. Wiener、 V. Bush、 H. Nyquist、H.W. Bode、 N.B. Nichols、C. Shannon 、H. Hanzen等为首的科学家设计了一系列的自动控制(z dn kn zh)装置和系统第36页/共43页第三十七页，共43页。 40年代期间，数学解析与数值年代期间，数学解析与数值(shz)方法引进到控制系统分析与设计方法引进到控制系统分析与设计。这时，控制工程才成为一门真正的工程学科。这时，控制工程才成为一门真正的工程学科。 1948年，年，N. Wiener(维纳维纳)的著作：的著作：Cybernetics or

21、 control and Communication in the Animal and the Machine控制论控制论的发表，开创了的发表，开创了“控制论控制论”这样一门新学科其目的是研究一个这样一门新学科其目的是研究一个系统的各个不同系统的各个不同(b tn)部分之间的相互作用的定性性质以及整部分之间的相互作用的定性性质以及整个系统的运动状态个系统的运动状态 1954年，钱学森出版年，钱学森出版(chbn)了第一部系统地关于工程系统控了第一部系统地关于工程系统控制的著作：制的著作：Engineering Cybernetics (工程控制论），工程控制论），1980年钱年钱学森与宋健等

22、人完成了工程控制论中文修订版。学森与宋健等人完成了工程控制论中文修订版。第37页/共43页第三十八页，共43页。20世纪世纪60年代，年代，R.E. Kalman, 线性系统的可控性、可观性、滤波器理论以及线性系统的可控性、可观性、滤波器理论以及代数结构等方面的贡献，成为现代控制理论的主要奠基人之一。代数结构等方面的贡献，成为现代控制理论的主要奠基人之一。L.S Pontryagin, 创立了创立了Pontryagin极大值原理；极大值原理；R. Bellman，创立了，创立了Bellman 动态规划。他们的工作为最优控制奠定动态规划。他们的工作为最优控制奠定(dindng)了基础。了基础。2

23、0世纪世纪70年代年代-80年代，年代，K.J. Astrom等为代表的系统辨识、自适应控制理论等为代表的系统辨识、自适应控制理论与方法方面的工作；与方法方面的工作；G. Zames, 非线性系统的稳定性分析、鲁棒控制等；非线性系统的稳定性分析、鲁棒控制等；L. Zadeh,早期从事系统与控制理论的研究，早期从事系统与控制理论的研究，60年代初创立了模糊集理论和模年代初创立了模糊集理论和模糊控制；糊控制；现代现代(xindi)控制控制第38页/共43页第三十九页，共43页。Summary(1)input erroroutputProcessControllerSensordisturbanceactuator第39页/共43页第四十页，共43页。Summary(2)第40页/共43页第四十一页，共43页。Assignment for Chapter 0ne1.1Draw a component block diagram for each of the following feedback control system(a)The manual steering system of an automobile(b)Drebbles incubator(c)The water level contr