控制工程第01章-绪论

控制理论基础(I)交通大学精品课程系列2012.9.30赵卫机电一体化教研室Te-mail:zhaowei@第一章绪论本章主要内容:

I.I

I.2

I.3

I.4I.5

控制的定义控制系统的基本常识控制理论的中心问题控制理论基础(Ⅰ)的学习内容控制理论的历史发展参考资料和平分方式控制的本意

:为了达到某种目的对事物进行支配、管束、管制、管理、监督、镇压。

自动控制:

在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称）,使机器、设备或生产过程（）的某个工作状态或参数（即）自动地按照预定的规律运行。Part1.1

控制的定义例1.[钢铁轧制]:轧出厚度一致的高精度铁板温度控制,生铁成分控制,厚度控制,张力控制,等等。例2.[程控机床]:自动进刀切削，加工出预期的几何形状直线、圆弧等各种差补控制，进给量控制,等等。控制装置或控制器被控对象被控量Part1.2

控制系统的基本常识1.2.1

控制系统工作原理和组成1.2.2

控制系统的基本形式1.2.3

闭环控制系统的详细组成恒稳箱温度控制人工控温自动控温水箱液位控制人工、自动控制!TwoDailyExamplesPart1.2.1

控制系统的工作原理[动态过程]观测恒温箱内的温度（被控制量）与要求的温度（给定值）进行比较得到温度偏差的大小和方向根据偏差大小和方向调节调压器，控制加热电阻丝的电流（控制量）以调节温度回复到要求值。[实质]检测偏差，用以调整控制量，从而纠正偏差。123例：1.恒温箱自动控制系统温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止，此时，偏差u=0,电机停止转动。[动态过程]2.恒温箱自动控制系统恒温箱实际温度由热电偶转换为对应的电压u2恒温箱期望温度由电压u1给定，并与实际温度u2比较得到温度偏差信号u=u1-u2系统方块图（ＢlockDiagram）[实质]检测偏差，用以调整控制量，从而纠正偏差例：液位控制原型：古代水钟“铜壶滴漏”Q2Q1H1H2系统原理方块图[实质]检测偏差，用以调整控制量，从而纠正偏差正/负反馈液位控制系统负反馈

正反馈

l1Q1HQ2l2Q1Q2l2Hl1控制系统的工作原理从恒温箱控制系统的原理框图可见：给定量位于系统的输入端，称为系统输入量，也称为参考信号(reference)。控制作用位于控制对象的输入端，称为系统控制量，也称为控制信号(control)。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量(output)。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号（两者之差，error）。输出量的返回过程称为反馈(feedback)。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。由于存在输出量反馈，上述系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，故称之为反馈控制。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。综上所述控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用。从而消除偏差，使得输出量维持期望的输出。Part1.2.2

控制系统的基本形式(控制系统分类详见Part1.4.1)

控制器系统够成给定量的变化作用原理开环控制程序控制闭环控制恒值控制随动控制反馈控制复合控制(反馈+前馈)开环控制控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。开环控制系统方块图!：控制量只取决于给定量，而输出量对控制量没有任何影响?：精度这么保证(完全取决于元件制造精度、按装精度)扰动(内、外饶)；制造误差、磨损老化→对输出的影响一旦形成，就难于自动消除或减弱闭环控制

特点：不断地测量输出量的的实际值并和输入量比较之后，再给出控制，以(动态地)保持输出恒定。!：建立起输出量与控制量之间的联系→对外部扰动和系统参数变化不敏感?：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦闭环控制系统方块图

按照预先确定的时间顺序，或按照一定逻辑顺序，逐次对各个阶段进行控制。条件(连锁)控制：若设定的条件成立时，使机器运行E.g.刨床的行程控制E.g.水位的双位控制时间控制：某台机器的操作经过规定的时间后，使下一个机器运行E.g.交通灯，霓虹灯E.g.洗衣机顺序控制：使机器按着制定的操作顺序运行E.g.马达和机械的顺序启动程序控制(开环或闭环)Part1.2.3

闭环控制系统的详细组成闭环控制系统的详细组成1给定元件：产生给定信号或输入信号。2反馈元件：测量被控制量（输出量），产生反馈信号。为便于传输，反馈信号通常为电信号。3比较元件：对给定信号和反馈信号进行比较，产生偏差信号。4放大元件：对偏差信号进行放大，使之有足够的能量驱动执行元件实现控制功能。5执行元件：直接对受控对象进行操纵的元件，如电动机、液压马达等。电等系统中存在着内在反馈，这种反馈无须专门的反馈元件，是系统内部物理量(如作用力与反作用力)相互作用而产生的直接反馈。注意：在机械、液压、气动、机6校正元件：用以改善系统控制质量的装置。校正元件分为串联和并联两种。控制系统中比较元件、放大元件、执行元件和反馈元件等共同起控制作用，统称为控制器。实际的控制系统中，扰动总是不可避免的，扰动分为内部扰动和外部扰动。但在控制系统中，扰动集中表现在控制量与被控量的偏差上，因此，可以将控制系统的扰动等效为对控制对象的干扰。BreakPart1.3

控制理论的基本要求稳定性：系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力。稳定的系统当输出量偏离平衡状态时，其输出能随时间的增长收敛并回到初始平衡状态。气动伺服实例

稳定性是控制系统正常工作的先决条件。控制系统稳定性由系统结构所决定，与外界因素无关。精确性：控制精度，以稳态误差来衡量。稳态误差：系统的调整（过渡）过程结束而趋于稳定状态时，系统输出的实际值与给定量之间的差值。快速性：输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。快速性表征系统的动态性能。注意：不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重。系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。优点：简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，在外界干扰较小的情况下，开环控制能够保持一定的精度。缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。开环控制复合控制汽车发动机光盘的定位闭环控制优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感。缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。汽车发动机控制系统理想空气燃料比：

14.6燃料控制：

前馈控制

气流传感器喷嘴燃料比控制：

反馈控制O2传感器喷嘴

光盘粗精定位气动伺服实例Part1.4

控制理论基础(I)的学习内容1.4.1

控制系统的分类1.4.2

自动控制系统的研究方法1.4.3

授课内容Part1.4.1

控制系统的分类按输入量的变化特征分类恒值控制系统、程序控制系统、随动系统按系统中传递信号连续性分类连续控制系统、离散控制系统、混合系统按系统的反应特性线性系统、非线性系统，定常(时不变)系统、非定常(时变)系统按输入量的变化特征分类恒值控制系统：系统输入量为恒定值。控制任务是保证在任何扰动作用下系统的输出量为恒值。如：恒温箱控制、电网电压、频率控制等。程序控制系统：输入量的变化规律预先确知，输入装置根据输入的变化规律，发出控制指令，使被控对象按照指令程序的要求而运动。如：数控加工系统随动系统（伺服系统）：输入量的变化规律不能预先确知，其控制要求是输出量迅速、平稳地跟随输入量的变化，并能排除各种干扰因素的影响，准确地复现输入信号的变化规律。如：仿形加工系统、火炮自动瞄准系统等。连续控制系统：系统中各部分传递的信号为随时间连续变化的信号。连续控制系统通常采用微分方程描述。按系统中传递信号的性质分类离散（数字）控制系统：系统中某一处或多处的信号为脉冲序列或数字量传递的系统。离散控制系统通常采用差分方程描述。注：有的书上(特别是国外)，连续系统(continuoussystem)：只有随时间连续变化的信号离散系统(discretesystem)：只有不随时间连续变化的信号混合系统(hybridsystem)：两种信号都有(方程系数与时间的关系)

→

定常(时不变)、非定常(时变*)按系统自身特性(输入输出可否叠加)→线性控制系统：由线性元件组成，输入输出问具有叠加性和均匀性性质。以线性微分方程来表述。非线性控制系统：系统中有非线性元件，输入输出间不具有叠加性和均匀性性质。用非线性微分方程来表述。Part1.4.2自动控制系统的研究方法综合(synthesis)：在已知被控对象和合定性能指标的前提下，寻求控制规律，建立一个能使被控对象满足性能要求的系统。分析(analysis)：在给定系统的条件下，将物理系统抽象成数学模型，然后用已经成熟的数学方法和先进的计算工具来定性或定量地对系统进行动、静态的性能分析。自动控制研究的三个基本问题：建立数学模型<系统性能分析<控制器设计典型控制信号：

阶跃信号等速和等加速信号脉冲信号正弦信号正弦信号阶跃信号卸载加载A=1时称为单位阶跃信号≥!区间左连续脉冲信号单位脉冲信号≥等速和等加速信号干扰、电压不稳、风载荷随机信号速度信号加速度信号≥Part1.4.3授课内容自动控制基本原理物理系统的数学模型频率特性控制系统的稳定性分析控制系统的误差分析控制系统的瞬态响应分析控制系统的综合和校正根轨迹法非线性控制系统控制理论基础(I)对象：单变量时不变连续系统目标：稳、准、快任务：分析、设计Matlab

与控制系统

BreakPart1.5

控制理论的历史和发展前期控制(1400BC-1900)经典控制(1935-1950)现代控制(1950-Now)工业机器空间技术控制理论中国，埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC)。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)。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)。希腊Philon发明了采用浮球调节器来保持燃油液面高度的油灯。(BC250年)。前期控制（1400BC-1900）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)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)英国J.Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)英国J.C.Maxwell发表“论调速器”(OnGovernors)论文(1868年)英国E.J.Routh建立Routh判据(Routh-HurwitzStabilityCriteria)(1875年)俄国A.M.Lyapunov博士论文“论运动稳定性的一般问题”(1892年)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)。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)。经典控制（1935-1950）美国H.S.Black提出放大器性能的负反馈方法(NegativeFeedbackAmplifier)

(1927)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：

“Feedbackisamethodofcontrollingasystembyinsertingintoittheresultofitspastperformance”

美国贝尔实验室的H.Bode(1938)，以及Nyquist(1940)提出频率响应法。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)美国的H.Hazen发表“关于伺服结构理论”(TheoryofServomechanism)

(1934)，并在MIT建立伺服机构实验室(ServomechanismLaboratory)

(1939)。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。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》(TheMathematicalTheoryofCommunication)，奠定了信息论的基础(1948)。MITRadiationLaboratory在研究SCR-584雷达控制系统的过程中，创立了NicholsChartDesignMethod，R.S.Philips的工作OnNoiseinServomechanisms，以及Hurwicz(1947)的数字控制系统(SampledDataSystem)。美国W.Evans提出根轨迹法(RootLocusMethod)(1948)，以单输入线性系统为对象的经典控制研究工作完成。多本有关经典控制的经典名著相继出版:Ed.S.Smith的AutomaticControlEngineering(1942)H.Bode的NetworkAnalysisandFeedbackAmplifier(1945)L.A.MacColl的FundamentalTheoryofServomechanisms(1945)钱学森的《工程控制论》(EngineeringCybernetics)(1954)……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现代控制（1950-Now）美国MIT的ServomechanismLaboratory研制出第一台数控机床(1952)美国GeorgeDevol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JosephEngelberger创立了第一家机器人公司，Unimation。美国的M.E.Merchant提出计算机集成制造的概念(1969)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)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)。日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)日本安川公司娱乐机械狗(2001)※世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)苏联东方-１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)。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。第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)旅行者Voyager一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。美国R.Bellman在RANDCoporation数学部的支持下，发表著名的DynamicProgramming，建立最优控制的基础(1957)。苏联L.S.Pontryagin发表“最优过程数学理论”，提出极大值原理(MaximumPrinciple)(1956)。美籍匈牙利人R.E.Kalman发表“OntheGeneralTheoryofControlSystems”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)。美国的E.I.Jury

发表“数字控制系统”(Sampled-DataControlSystem)

，建立了数字控制及数字信号处理的基础(1958)。1963年,美国的LoftiZadeh与C.Desoer发表LinearSystems-AStateSpaceApproach。1965年，Zadeh提出模糊集合和模糊控制概念。瑞典KarlJ.Astrom提出最小二乘辩识，解决了