连续与离散控制系统第1章 绪论

第1章绪论

教育的目的是使学生掌握正确的学习方法、工作方法和思想方法，所学的课程也好、专业也好，无非是一种载体，通过这个载体来促使大家掌握这种方法。——钱伟长连续与离散控制系统主要内容讨论课程安排及目的概述自动控制的历史自控系统的结构及要求自控系统的分类及特点自控系统的设计系列设计举例讨论希望从本课程得到什么？（根据自己以前所学知识、经验，以及生活听到的、观察到的等，猜测本门课会带给你什么。）解释生活的各种现象，比如猫从高处落下为什么不会受伤。解决生活中的一些问题，比如修家里的马桶。为设计制造感兴趣的装置打下基础，比如机器人、精密仪器、飞行器、无人驾驶车等。……希望变现实（一）澳大利亚一个炼油公司的现代化工厂希望变现实（二）一个现代的轧钢厂希望变现实（三）装配机器人汽车自动焊接生产线希望变现实（四）机器人足球比赛月球车课程结构课程安排及目的基本要求：掌握在基本原理的基础上解决实际问题的方法和能力，并能分析和设计简单控制系统。学习方法：联系实际＋联系所学；最终成绩＝平时＋期中考试＋期末考试（20+40+40）；平时成绩＝课堂及课后作业（奖励主动参与者）＋方法总结（领悟到的分析解决问题方法）＋课程建议（1页A4纸）1.1概述自动控制系统有哪些组成部分？这些组成部分的关系是什么？能抽象出什么公共的东西吗？老鹰抓兔子液面控制系统液面控制系统原理图炉温控制系统基本概念（一）自动控制理论是研究关于自动控制系统组成、分析和设计的一般性理论，是研究自动控制共同规律的科学和技术。学习和研究自动控制理论是为了探索自动控制系统中变量的运动规律和改变这种运动规律的可能性和途径，为建立高性能的自动控制系统提供必要的理论根据。基本概念（二）自动控制：指在脱离人的直接干预下，利用控制器根据输入量使被控对象自动地按照预期的规律运行的控制过程。自动控制系统：是由控制器和被控对象所组成，以某种相互依赖的方式组合成为一个有机整体，并对被控对象进行自动控制。控制器：对被控对象起控制作用的装置的总体。被控对象：要求实现自动控制的机器，设备或生产过程。基本概念（三）输出量：表现于控制对象或系统输出端，并要求实现自动控制的物理量。输入量：作用于控制对象或系统输入端，并可使系统具有预定功能或预定输出的物理量。扰动：所有妨碍控制量对被控量按要求进行正常控制的因素，称为干扰量或扰动量。自控系统的结构原理自动控制系统结构图

1.2自动控制的历史控制理论的发展分为两个阶段经典控制理论现代控制理论1.2.1经典控制理论到十七、十八世纪,自动控制技术逐渐应用到现代工业中。

1788年,英国人瓦特(J.Watt)在他发明的蒸汽机上使用了离心调速器,解决了蒸汽机的速度控制问题,引起了人们对控制技术的重视。瓦特瓦特发明的离心调速器它能测量输出轴的速度，并利用飞球的运动速度来控制阀门，从而控制进入引擎的蒸汽总量，当速度加快时，球体升高而远离转轴，从而关闭阀门。发展阶段（一）麦克斯韦通过对调速系统线性常微分方程的建立和分析,解释了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的问题。提出了简单的稳定性代数判据。开辟了用数学方法研究控制系统的途径。麦克斯韦发展阶段（二）英国数学家劳斯(E.J.Routh)把麦克斯韦的思想扩展到用高阶微分方程描述的复杂的系统中,在1877年提出了根据代数方程的系数判别系统稳定性的准则--劳斯判据。劳斯由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力,1932年美国物理学家奈奎斯特(H.Nyquist)提出了在频域内研究系统的频率响应法,建立了以频率特性为基础的稳定性判据。奈奎斯特发展阶段（三）随后,伯德(H.W.Bode)和尼科尔斯(N.B.Nichols)在1930年代末和1940年代初,进一步将频率响应法加以发展,形成了经典控制理论的频域分析法。以奈奎斯特的频率响应法和以伊万斯的根轨迹法为基础的理论,称为经典控制理论,为工程技术人员提供了一个设计反馈控制系统的有效工具。发展阶段（四）1947年控制论的奠基人美国数学家维纳(N.Weiner)把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来,出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》。论述了控制理论的一般方法,推广了反馈的概念。标志了经典控制理论体系的诞生!控制论之父——维纳标志阶段（一）我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践,并与1954年出版了《工程控制论》。冯·卡门这么说起钱学森：“我发现他非常富有想象力，他具有天赋的数学才智。”“钱的这种天资是我不常遇到的。”钱学森标志阶段（二）从20世纪40年代到50年代末,经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃,各个领域都广泛采用了自动化控制技术。标志阶段（三）1952年美国MIT研制出第一台数控机床

1954年第一台工业机器人

只适用于SISO线性定常系统,推广到多输入多输出线性定常系统非常困难,对时变系统和非线性系统更无能为力;在系统设计分析时无法考虑系统的初始条件,这对于高精度的位置、速度等控制系统设计难以达到要求;进行控制系统设计和综合时,需要丰富的经验进行试凑以及大量的计算。经典控制理论的局限性20世纪50年代中期,科学技术及生产力的发展,特别是空间技术的发展,迫切要求解决更复杂的多变量系统、非线性系统的最优控制问题(例如火箭和宇航器的导航、跟踪和着陆过程中的高精度、低消耗控制,到达目标的控制时间最小等)。计算机的发展也从计算手段上为控制理论的发展提供了条件,适合于描述航天器的运动规律,又便于计算机求解的状态空间模型成为主要的模型形式。1.2.2现代控制理论现代控制理论（一）俄国数学家李雅普诺夫1892年创立的稳定性理论被引入到控制中。李雅普诺夫1956年,美国数学家贝尔曼(R.Bellman)提出了离散多阶段决策的最优性原理,创立了动态规划。之后,贝尔曼等人提出了状态分析法；并于1964年用离散多阶段决策的动态规划法解决了连续动态系统的最优控制问题。现代控制理论（二）现代控制理论（三）美国数学家卡尔曼(R.Kalman)等人于1959年提出了著名的卡尔曼滤波器,1960年又在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法,提出系统的能控性和能观测性问题。因在阿波罗登月计划中成功使用而闻名遐迩。卡尔曼1956年,前苏联科学家庞特里亚金(L.S.Pontryagin)提出极大值原理。极大值原理和动态规划为解决最优控制问题提供了理论工具。到1960年代初,以状态方程作为描述系统的数学模型,以最优控制和卡尔曼滤波为核心的控制系统分析、设计的新原理和方法基本确定,现代控制理论应运而生。庞特里亚金现代控制理论（四）主要利用计算机作为系统建模、分析、设计和控制的手段,适用于多变量、非线性、时变系统。它在本质上是一种“时域法”

。主要包括三个基本内容：多变量线性系统理论；最优控制理论；最优估计与系统辨识理论。现代控制理论从理论上解决了系统的能控性、能观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问题。现代控制理论（五）易于推广到MIMO系统、时变系统和非线性系统等,显示了该方法有更强的描述系统的动态特性行为的能力,所能处理的系统的范围更宽;利用时间域法容易给人以时间上的清晰性能指标,易于理解接受和优化设计;易于考虑系统的初始条件,使得控制系统有更高的精度和更佳的性能指标;易于用计算机进行系统分析计算和控制。现代控制理论的优点并不是截然对立，相辅相成、互为补充两者各自的长处和不足分别为:现代控制理论对描述系统动态特性的数学模型和数学方法要求较高,对控制设备和系统所处的环境要求也高一些。经典控制理论对要求相对较低,更依赖于控制领域设计和应用的经验。在进行控制系统设计和实现时,要根据具体的要求、目标和环境条件,选择适宜的控制理论和方法,也可以将两者结合起来。经典控制与现代控制的关系1.4控制系统的基本要求稳定性：“稳”指系统的稳定特性，它是对系统最基本的要求，如果一个系统不稳定，研究其它指标是没有任何意义的。快速性：“快”是指系统反应速度的迅速性，它由动态性能来体现。当系统受到外界扰动偏离了原有的平衡状态，系统能使其尽快平稳地回到平衡状态。准确性：“准”是对稳态精度的要求，它由稳态误差加以衡量。要求系统尽量地达到理想输出值。稳快准你对控制系统有什么要求？1.5控制系统的分类和特点分类方式很多，只介绍按控制方式分类：开环控制系统闭环控制系统复合控制系统开环控制系统开环控制系统（没有反馈）开环控制的优点是控制简单，设备量少，控制稳定，即不产生不稳定现象。但是其控制精度低，抑制干扰的能力差。

生活中常见的开环控制系统：洗衣机

开环举例：转台速度控制（a）转台速度的开环控制（b）框图模型闭环控制系统闭环控制系统（具有反馈）负反馈控制系统控制精度高，对各种扰动都具有抑制作用。但如果设置不合理可能造成系统不稳定及设备量多。由于其优点明显，故在控制系统中得到广泛应用。闭环举例：转台速度控制（a）转台速度的闭环控制（b）框图模型

复合控制系统复合控制系统集中开环和闭环之优点，在控制系统中将两者结合起来。复合控制系统1.6控制系统的设计设计举例：胰岛素注射控制系统

健康人的血糖和胰岛素水平

（第1步）目标是设计一个调节糖尿病人血糖浓度的系统，并从植入糖尿病人体内的一个存储装置提供胰岛素。（第2步）希望控制的变量是血糖浓度。（第3步）控制系统的性能指标是为糖尿病人提供接近（跟踪）健康人的血糖水平。（第4步）提出基本的系统配置。两种方案来设计：开环系统和带反馈的闭环系统。

系列设计：磁盘驱动器读入系统（第1步）目标是将读入磁头定位以便读取存在磁道上的数据；（第2步）需要精确控制的变量是（安装在悬挂装置上）读入磁头的位置；（第3步）位置精度要求是1µm，如果可能，计划在10ms内将磁头从一个磁道移到另一个磁道。（第4步）建立初始系统配置。提出闭环系统，使用一个电机来驱动（移动）悬臂到磁盘上期望的位置。再来看身边的例子！飞思卡尔智能小车比赛机器狗足球比赛DARwIn类人机器人iPhoneCarTech本章重点及要求重点掌握开环和闭环控制系统的结构和控制系统的基本要求;掌握控制系统设计的流程。本章小结本章首先介绍自动