现代控制理论20150923-1

1、控制理论的发展过程控制理论的发展过程p经典控制理论经典控制理论p现代控制理论现代控制理论p智能控制理论智能控制理论汽车中的控制问题汽车中的控制问题例：汽车方向控制系统 图 汽车方向控制系统图 汽车方向控制人工职能图驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘被控对象被控对象 controlled object controlled object 执行器执行器 actuatoractuator传感器传感器 sensor sensor 控制器控制器 controller controller 控制框图控制框图 block diagram block diagram 开环开环 op

2、en-loop open-loop 闭环闭环 closed-loop closed-loop 反馈反馈feedback feedback 前馈前馈 feedforward feedforward 状态状态 statestate输出输出 output output 控制输入控制输入 control input control input 被控量被控量 controlled variable controlled variable 干扰量干扰量 disturbance disturbance 目标值目标值 desired value (reference desired value (refere

3、nce trajectory) trajectory) 经典控制理论以传递函数为基础，要求系统的初始经典控制理论以传递函数为基础，要求系统的初始条件为零，只能描述系统的输入和输出关系，而不能条件为零，只能描述系统的输入和输出关系，而不能描述系统的内部变量。对单输入单输出的线性定常描述系统的内部变量。对单输入单输出的线性定常系统十分有效。时变系统，非线性系统（除简单的外）系统十分有效。时变系统，非线性系统（除简单的外）和多输入多输出系统却不适用。是一种复频域的方和多输入多输出系统却不适用。是一种复频域的方法。法。 被控对象被控对象传感传感(感知感知)控制器控制器目标任务目标任务执行器执行器干扰干

4、扰/破坏破坏干扰干扰/破坏破坏干扰干扰/破坏破坏干扰干扰/破坏破坏控制系统的核心：反馈关键要素：干扰量-破坏系统控制性能的不可操纵量干扰反馈通道前向通道控制器输入量控制要求-由外部输入量来反映（镇定？跟踪？）被控对象 被控量（输出量）被控量-被控对象的输出控制量-用于改变/调整被控对象状态的可操纵量执行机构控制量传 感 器 （ 感 知 ）反馈量-经反馈环节反馈到输入端的量 控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（水箱） 被控量（水箱水位）水箱的水位自动控制系统 传感器（浮球） 输入量（设定的水位高度）控制器（机械或电气控制装置）执行机构（阀门） 控制量（进水量）控制系统的方框图回顾古典控制理

5、论被控对象（空调房间） 被控量（房间实际温度）房间温度控制系统 传感器（空调测温装置） 输入量（设定的温度）控制器（控制装置） 干扰量（屋外温度、门窗）执行机构（制冷装置） 控制量（进水量）控制系统的方框图回顾古典控制理论被 控 对 象（加热炉） 被控量（炉内温度）加热炉的温度自动控制系统 传感器（热电偶） 输入量（设定的温度）控制器（电子或微机控制装置） 干扰量（炉外温度、加 热器电压波动）执行机构（加热器） 控制量 （电压）控制系统的方框图回顾古典控制理论函数记录仪被控对象（记录笔） 被控量（位移）测 量 电 路控制器(伺服电动机)执行机构（齿轮系绳轮） 输入量（待记录的电压）放 大 器变

6、 换 器测 速 发 动 机控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（锅炉） 被控量（气鼓液位）锅炉液位控制系统 测量变送器 输入量（设定的液位高度）控制器（电动、气动调节器）执行机构（调节阀） 控制量（进水量） 干扰量(水压、蒸气负荷)控制系统的方框图回顾古典控制理论被控对象（支持臂） 被控量（磁头位置）磁盘驱动读写系统 传感器 输入量（设定的磁头位置）控制器执行机构（执行电机） 控制量（电压）控制系统的方框图回顾古典控制理论时域法时域法单位阶跃函数( ) 1,f t 0t实际系统回顾古典控制理论典型时域响应 典型输入信号典型输入信号典型环节典型环节0123456789102.533.544.

7、555.566.577.5th(t) 正 阶 跃负 阶 跃非线性系统正负阶跃响应非线性系统正负阶跃响应线性系统正负阶跃响应线性系统正负阶跃响应02468101214161820-1.5-1-0.500.511.5th(t) 正 阶 跃负 阶 跃时域法时域法实际实际系统系统回顾古典控制理论典型时域响应 222( ).2nnnsssnmKT自然频率12mT K阻尼比标准二阶系统及其动态性能时域法时域法回顾古典控制理论线性系统的稳态误差分析线性系统的稳态误差分析 系统自身的结构参数影响 的因素： 外作用的形式(阶跃、斜坡或加速度等) 外作用的类型(控制量, 扰动量及作用点)sse22222( )(

8、)22nnennssE sR sss ( )1( )r tAt( )r tA t22222202lim.22nnsssnnssAessss 2( )/2r tA t时域法时域法回顾古典控制理论时域法时域法回顾古典控制理论典型环节的传递函数及时域响应典型环节的传递函数及时域响应一阶、高阶、纯滞后、非最小相位、非线性一阶、高阶、纯滞后、非最小相位、非线性理解理解/ /提取被控对象的动力学特征提取被控对象的动力学特征控制系统动态、稳态性能分析控制系统动态、稳态性能分析控制性能的数学描述控制性能的数学描述标准二阶系统：阻尼比、超调量、过渡过程时间标准二阶系统：阻尼比、超调量、过渡过程时间 控制系统的特

9、征根：特征方程的解 根轨迹：特征根随系统某个参数变化的轨迹 根的位置与系统响应性能之间的关系特征方程根系统动态响应震荡与否、程度快动态/慢动态运动模态根轨迹根轨迹回顾古典控制理论稳定与否、裕度s稳定不稳定j临界稳定震荡发散不震荡发散衰减震荡稳定不震荡稳定等幅震荡快快慢慢NoImageNoImageNoImage 根的位置与系统响应性能之间的关系根轨迹根轨迹回顾古典控制理论s稳定不稳定j临界稳定震荡发散不震荡发散衰减震荡稳定不震荡稳定等幅震荡快快慢慢根轨迹根轨迹回顾古典控制理论频域分析法频域分析法频率特性频率特性051015202530-0.2-0.100.10.20.30.40.5time/s

10、ecoutput-sin( t)051015202530-2-1.5-1-0.500.511.52time/secinput-sin( t)051015202530-2-1.5-1-0.500.511.52time/secinput-sin( t)051015202530-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81time/secoutput-sin( t)051015202530-4-3-2-101234time/secinput-sin( t)051015202530-1.5-1-0.500.511.52time/secoutput-sin( t)051015202530-

11、1-0.500.511.5time/secoutput-sin( t)051015202530-4-3-2-101234time/secinput-sin( t)输入信号输入信号输出信号输出信号G(s)频率特性频率特性回顾古典控制理论 微分环节 jjG )( 惯性环节1()1TG jjKjG )( 比例环节 积分环节 jjG1)( 典型环节的频率特性频域分析法频域分析法回顾古典控制理论控制系统的频率特性分析控制系统的频率特性分析Bode图频域分析法频域分析法回顾古典控制理论G(s)稳定性分析稳定性分析Nyquist Nyquist 稳定判据稳定判据稳定裕度：增益裕度、相位裕度稳定裕度：增益裕度

12、、相位裕度动态性能分析动态性能分析增益峰值、峰值频率增益峰值、峰值频率带宽频率带宽频率频率特性实验的拟合频率特性实验的拟合 G(s)Bode 图 频域分析法频域分析法回顾古典控制理论低通滤波器低通滤波器理想传递函数理想传递函数模拟电路实现模拟电路实现其他实现：数字电路、离散数字其他实现：数字电路、离散数字.频域分析法频域分析法回顾古典控制理论高通滤波器高通滤波器模拟电路实现模拟电路实现理想传递函数理想传递函数频域分析法频域分析法回顾古典控制理论带通滤波器带通滤波器模拟电路实现模拟电路实现理想传递函数理想传递函数频域分析法频域分析法回顾古典控制理论控制系统设计控制系统设计回顾古典控制理论被控对象被控对象传感传感(感知感知)控制器控制器目标任务目标任务执行器执行器干扰干扰干扰干扰干扰干扰确定控制系统方案干扰干扰确定被控量：分析控制要求确定控制量：选择执行器确定反馈量：选择传感器控制系统设计控制系统设计回顾古典控制理论2. 分析开环系统的特性 3. 设计控制器中的算法干扰被控量控制量被控量 建立机理模型阶跃响应、脉冲响应测试频率特性PID算法：算法不需要模型，但确定PI