控制理论的发展及应用PPT学习教案

1、会计学1控制理论的发展及应用控制理论的发展及应用第1页/共53页控制论创始人维纳控制论创始人维纳第2页/共53页第3页/共53页第4页/共53页第5页/共53页中国、古埃及和巴比伦人发明的中国、古埃及和巴比伦人发明的自动计时装置自动计时装置( (公元前公元前1111世纪世纪) )具有过程控制思想的提具有过程控制思想的提花织布机（明代）花织布机（明代）第6页/共53页James watJames wat发明的飞球调节器，发明的飞球调节器，控制蒸汽机的转速（控制蒸汽机的转速（17691769年）年）PolzunovPolzunov发明的浮球调节器，发明的浮球调节器，用于水位控制（用于水位控制（17

2、651765年）年）第7页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第8页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第9页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第10页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第11页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第12页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第13页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第14页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第15页/共53页经典控制理论的发展经典控制理论的发展第16页/共53页脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-2-2经典控制理论的发展经典控制理论的发展第

3、17页/共53页脉冲控制理论的建立脉冲控制理论的建立-3-3经典控制理论的发展经典控制理论的发展第18页/共53页WienerKalmanNyquistZadehAstrmShannonLyapunovBellman第19页/共53页第20页/共53页 线性微分方程和基于拉普拉斯变线性微分方程和基于拉普拉斯变 换的传递函数换的传递函数 单输入单输入单输出的线性定常系统单输出的线性定常系统时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法时域分析法、频率特性分析法和根轨迹分析法难于解决复杂问题，如时变，多变量等难于解决复杂问题，如时变，多变量等第21页/共53页控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入

4、量输入量输出量输出量( (a) a) 开环控制系统开环控制系统控制量控制量输入量输入量输出量输出量( (b) b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象第22页/共53页特点：特点： 缺点：缺点： 最简单的控制方式最简单的控制方式 系统结构简单、维护容易、成本系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题低、不存在稳定性问题 信号传递没有形成闭合回路信号传递没有形成闭合回路 输出量不能对控制量产生输出量不能对控制量产生 影响。影响。 控制精度不高控制精度不高 系统抗干扰能力差系统抗干扰能力差 对元器件的要求对元器件的要求 比较高比较高控制量控制量输入量输入量输

5、出量输出量( (b) b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量( (a) a) 开环控制系统开环控制系统第23页/共53页控制量控制量输入量输入量输出量输出量( (b) b) 闭环控制系统闭环控制系统反馈元件反馈元件控制器控制器受控对象受控对象控制器控制器受控对象受控对象控制量控制量输入量输入量输出量输出量( (a) a) 开环控制系统开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统 反馈控制系统反馈控制系统 反馈通路反馈通路负反馈与正反馈控制系统一般采用负反馈控制系统一般采用负反馈 信号传递形成一个闭合回路

6、信号传递形成一个闭合回路 输入量与反馈量之差称为输入量与反馈量之差称为偏差信号偏差信号 第24页/共53页设定值设定值r r控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量、变送测量、变送扰动扰动 f f被控变量被控变量y y反馈量反馈量 z z自动控制系统的基本结构自动控制系统的基本结构偏差偏差e e控制变量控制变量u u第25页/共53页第26页/共53页数学工具：数学工具：线性代数线性代数研究对象：研究对象：多输入多输出的线性定常系统多输入多输出的线性定常系统研究方法：研究方法：将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，将描述系统的微分方程或差分方程变换到状态空间中，得到系统的状态空间

7、描述，并以此作为基础在时间域中对系统得到系统的状态空间描述，并以此作为基础在时间域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。控制结构：控制结构：通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。通常是采用状态反馈控制，构成闭环控制系统。第27页/共53页经典控制论经典控制论现代控制论现代控制论数学基础数学基础拉普拉斯变换拉普拉斯变换线性代数、矩阵分析线性代数、矩阵分析系统模型系统模型传递函数传递函数状态空间表达状态空间表达处理域处理域频域频域时域时域应用对象应用对象SISO系统系统MIMO系统系统第28页/共53页状态状态能够完全描述系统行为的最小一组变量

8、，只要给定了当前时能够完全描述系统行为的最小一组变量，只要给定了当前时刻的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系刻的这组变量以及未来时刻作用在系统上的输入，那么系统在未来任意时刻的行为就可以完全确定。统在未来任意时刻的行为就可以完全确定。 状态变量状态变量选取的不唯一性选取的不唯一性以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向以完全表征系统的状态变量为元构成的向量就是状态向量量 状态向量状态向量)()()()(21txtxtxtxn以以n n个状态变量为基底所构成的个状态变量为基底所构成的n n维空间就称为状态空间维空间就称为状态空间，状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状，

9、状态空间中的一点就代表系统在某一特定时刻的状态。态。 状态空间状态空间第29页/共53页 外部描述外部描述传递函数传递函数：不表征系统的内部结：不表征系统的内部结构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间构和内部变量，只反映外部变量组输入与输出间的因果关系的因果关系 内部描述内部描述状态空间状态空间，能够完全表征系统的，能够完全表征系统的一切动力学特征：一切动力学特征：不完全不完全描述描述完全描述完全描述传递函数：传递函数：初始条件为零初始条件为零的线性定常系统输出的拉普拉的线性定常系统输出的拉普拉斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。斯变换与输入的拉普拉斯变换之比。)()()(sXsYsG 0(

10、)( )( )(0)x tAx tBu txx，)()()(tDutCxty第30页/共53页n系统综合 基于状态反馈控制系统设计方法极点配置和观测器设计。第31页/共53页图6.1计算机控制系统原理图计算机控制系统原理图 第32页/共53页控制系统通常分成两大类控制系统通常分成两大类 ：l连续时间控制系统连续时间控制系统 ：各处的信号是时间的连续函数：各处的信号是时间的连续函数 ，则称该，则称该类系统为连续时间控制系统。类系统为连续时间控制系统。l离散时间控制系统离散时间控制系统 ：有一处或数处信号不是时间的连续函数：有一处或数处信号不是时间的连续函数， 而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数

11、字信号，称这类而是在时间上离散的一系列脉冲序列或数字信号，称这类系统为离散时间控制系统或采样控制系统。系统为离散时间控制系统或采样控制系统。 1 控制工程中普遍存在离散时间系统控制工程中普遍存在离散时间系统2 计算机的高速发展和数字控制的广泛应用计算机的高速发展和数字控制的广泛应用意义：意义：第33页/共53页离散、采样、数字控制的差别离散、采样、数字控制的差别第34页/共53页连续整量化信号与数字信号)(tu0k1kt0t)(tu第35页/共53页第36页/共53页第37页/共53页max2s理想的采样过程理想的采样过程 第38页/共53页第39页/共53页第40页/共53页第41页/共53

12、页第42页/共53页第43页/共53页第44页/共53页五五 新世纪自动化学科的挑战和发展新世纪自动化学科的挑战和发展必须承认的事实：必须承认的事实：控制对社会进步的贡献与影响，与计算控制对社会进步的贡献与影响，与计算机和通信相比正在变小。机和通信相比正在变小。人们对控制的热情在下降。因此，有人人们对控制的热情在下降。因此，有人说：说：“自动化走进了死胡同自动化走进了死胡同”。有人主张。有人主张取消自动化学科或改换名称。取消自动化学科或改换名称。自动化学科面临严峻形势自动化学科面临严峻形势第45页/共53页矛盾矛盾 一方面，控制的某些一方面，控制的某些“理论成果理论成果”远远走在应用的前面；远远走在应用的前面；另一方面，对大量复杂的急待解决的另一方面，对大量复杂的急待解决的系统问题，控制又无能为力。系统问题，控制又无能为力。自动化学科真的不重要了？不需要了？自动化学科真的不重要了？不需要了？已经走到了学科发展的尽头？已经走到了学科发展的尽头？答案是否定的答案是否定的第46页/共53页第47页/共53页第48页/共53页提出和试图解决复