自动控制相关内容

1、控制论 控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制和自动调节的理论。维纳博士四十年代提出了控制自动调节的理论。维纳博士四十年代提出了控制论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾寻找论的基本思想后，不少工程师和数学博士曾寻找通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程通往这座理论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理师偏重于实践，解决具体问题，不善于上升到理论高度、数学家则擅长理论分析，却不善于从一论高度、数学家则擅长理论分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两个优般到个别去解决实际问题。钱学森则集中两个优势于

2、一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上，碾出了工程控制论研究的一条新途径。碾出了工程控制论研究的一条新途径。 我们可以毫不含糊地说，从科学理论地角我们可以毫不含糊地说，从科学理论地角度来看，度来看，20世纪上半叶的世纪上半叶的三大伟绩三大伟绩是是、和和，也许可以称它们为，也许可以称它们为三项科学革命三项科学革命，是人类认识客观世界的，是人类认识客观世界的三三大飞越大飞越。我们可以毫不含糊地说，从科学。我们可以毫不含糊地说，从科学理论地角度来看，理论地角度来看，20世纪上半叶的世纪上半叶的三大伟三大伟绩绩是是、和和，也许可以，也许可以称它们为称它们为三项科

3、学革命三项科学革命，是人类认识客观，是人类认识客观世界的世界的三大飞越三大飞越。“勇气勇气”号在火星工作的英姿号在火星工作的英姿“勇气勇气”号火星探测器前景动号火星探测器前景动画画火星探测器登陆火星示意图火星探测器登陆火星示意图“嫦娥一号嫦娥一号”卫星模拟图卫星模拟图“深度撞击深度撞击”撞击器撞击器 什么是自动控制？是自动控制？ 自动控制是使一个或一些被控制的物理量自动控制是使一个或一些被控制的物理量按照另一个物理量即给定值（设定值）的按照另一个物理量即给定值（设定值）的变化而变化或保持恒定，一般地说如何使变化而变化或保持恒定，一般地说如何使被控制量按照给定量的变化规律而变化，被控制量按照给定

4、量的变化规律而变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。就是一个控制系统要解决的基本问题。 一个共同点： 一个或一些被控物理量按给定量的变化而变化。 恒值控制系统恒值控制系统（或称自动调节系统、自动镇定系统）（或称自动调节系统、自动镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。特点：输入信号是一个恒定的数值。工业生产中的恒温、恒压等自动控制系统都属于这一类型。 过程控制系统过程控制系统（或称程序控制系统）（或称程序控制系统） 特点：输入信号是一个已知的函数。特点：输入信号是一个已知的函数。系统的控制过程 按 预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入，如化 工中的压力、温度、流量控制。 恒值控

5、制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 随动系统随动系统（或称伺服系统）（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。特点：输入信号是一个未知函数。要求控制系统的 输出量跟随输入信号变化。如：火炮自动跟踪系统。 该系统要求有较好的跟踪能力。 一般地说，如何使被控量按给定量的变化规律而变化，是控制系统所要解决的基本任务。自动控制技术的作用1. 自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。2. 自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了工作的质量和产品的品质，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机。3. 某些人们不能

6、直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如海底探测、原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。 控制系统的组成：输入部分、控制系统部分控制系统的组成：输入部分、控制系统部分和输出部分。和输出部分。 从物理角度上看，从物理角度上看，自动控制研究的是特定激励作用下的系 统响应变化情况； 从数学角度上看，从数学角度上看，研究的是输入与输出之间的映射关系。输入输出控制系统 开环控制开环控制:控制装置与受控对象之间只有顺控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向作用而无反(反馈反馈)向联系向联系 前馈控制前馈控制:是根据扰动或设定值的变化按补是根据扰动或设定值的变化按补偿原理而工作的控制系统。偿原理而工

7、作的控制系统。 闭环控制闭环控制:输出量的通过适当检测输出量的通过适当检测,又送回输又送回输入端与输入量比较参与控制的入端与输入量比较参与控制的(反馈反馈) 复合控制复合控制:有反馈有前馈。有反馈有前馈。控制系统的变量与结构变量变量:被控量被控量 ：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量：指被控对象中要求保持给定值、要按给定规律变化的物理量。被控量又称输出量、输出信号又称输出量、输出信号 。给定值给定值 ：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又：是作用于自动控制系统的输入端并作为控制依据的物理量。给定值又称输入信号、输入指令、参考输入。称输入信号、输

8、入指令、参考输入。干扰量干扰量 ：除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰：除给定值之外，凡能引起被控量变化的因素，都是干扰。干扰又称扰动。动。偏差： 设定值与测量值之差结构组成结构组成:给定环节:比较环节:测量元件(反馈)：将某一物理量（如：液位、流量、压力、压差或温度等）转变成可利用信号。放大环节:控制环节：根据变送器信号和工艺需求，算出偏差，经过某种运算发出控制信息。执行环节：根据调节器的控制信息，控制被控对象。 被调节对象控制系统的发展史 自动控制成为一门科学是从1945发展起来的。 开始多用于工业：压力、温度、流量、液位、位移、开始多用于工业：压力、温度、流量、液

9、位、位移、湿度、粘度等物理量的自动控制湿度、粘度等物理量的自动控制 后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、后来进入军事领域：飞机自动驾驶、火炮自动跟踪、导弹、卫星、宇宙飞船的自动控制导弹、卫星、宇宙飞船的自动控制 目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理目前渗透到更多领域：大系统、交通管理、图书管理等等 生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官生物学系统：生物控制论、波斯顿假肢、人造器官 经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论经济系统：模拟经济管理过程、经济控制论 四个阶段: 1.1.胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）18世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速

10、稳定等问题世纪以后，蒸汽机的使用提出了调速稳定等问题17651765年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器；年俄国人波尔祖诺夫发明了锅炉水位调节器；17881788年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；年英国人瓦特发明了调速器，蒸汽机离心式调速器；18681868年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制理论年麦克斯韦尔研究了反馈系统的稳定性问题，控制理论最早的论文最早的论文“论调节器论调节器”；18771877年产生了劳斯稳定判据；年产生了劳斯稳定判据；18921892年俄国年俄国LyapunovLyapunov的博士论文的博士论文“论运动稳定性的一般问论运动稳定性的一般问题题”，

11、提出了，提出了LyapunovLyapunov的稳定理论，的稳定理论，2020世纪世纪1010年代提出了年代提出了PIDPID控制律；控制律；19321932年，年，NyquistNyquist提出了根据频率响应判断系统稳定性的准提出了根据频率响应判断系统稳定性的准则。则。 1. 1.胚胎萌芽期（胚胎萌芽期（19451945年以前）年以前）19世纪初20世纪40年代1919世纪中叶，动力使用了发电机、电动机，促进了水利、水世纪中叶，动力使用了发电机、电动机，促进了水利、水电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发电站的遥控和程控的发展以及电压、电流的自动调节技术的发展；展；1919

12、世纪末、二十世纪初，内燃机的使用，促进了飞机、汽车、世纪末、二十世纪初，内燃机的使用，促进了飞机、汽车、船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程船舶、机器制造业和石油工业的发展，产生了伺服控制和过程控制；控制；2020世纪的两次世界大战，军事工业发展很快，飞机、雷达、世纪的两次世界大战，军事工业发展很快，飞机、雷达、火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，火炮上的伺服机构，总结了自动调节技术及反馈放大器技术，搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。搭起了经典控制理论的架子，但还没有形成学科。 2.2.经典控制理论时期（经典控制理论时期（1940-19601940

13、-1960）2020世纪世纪4040年代是系统与控制思想空前活跃的年代：年代是系统与控制思想空前活跃的年代：19451945年美年美国人国人BodeBode的的“网络分析与放大器的设计网络分析与放大器的设计”，奠定了控制理论的，奠定了控制理论的基础；基础；19451945年贝塔朗菲的年贝塔朗菲的关于一般系统论关于一般系统论，19481948年维纳的年维纳的控制论控制论；5050年代趋于成熟：年代趋于成熟：19541954年，我国著名科学家钱学森在美国发年，我国著名科学家钱学森在美国发表了同样著名的表了同样著名的工程控制论工程控制论一书，主要面向工程应用。一书，主要面向工程应用。主要内容：对单输

14、入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨主要内容：对单输入单输出系统进行分析，采用频率法、根轨迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何迹法、相平面法、描述函数法；讨论系统稳定性的代数和几何判据以及校正网络等判据以及校正网络等 3.3.现代控制理论时期（现代控制理论时期（5050年代末年代末-60-60年代初）年代初） 2020世纪世纪50-6050-60年代，人类开始征服太空：年代，人类开始征服太空：19571957年苏联发射年苏联发射第一颗人造地球卫星，第一颗人造地球卫星，19691969年美国阿波罗载人飞船成功登上年美国阿波罗载人飞船成功登上月球。月球。 空间技术的发展提出了许

15、多复杂控制问题，用于导弹、人造空间技术的发展提出了许多复杂控制问题，用于导弹、人造卫星和宇宙飞船上，即产生了卫星和宇宙飞船上，即产生了“现代控制理论现代控制理论”（动态规划、（动态规划、极大值原理、状态空间法、最优控制理论）；极大值原理、状态空间法、最优控制理论）； 19581958年，年，R.E.KalmanR.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观性、能观性、KalmanKalman滤波概念；滤波概念； 19611961年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理；年，庞特里亚金证明了最优控制中的极大值原理； 19651965年，年，R.

16、BellmanR.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。提出了寻求最优控制的动态规划方法。 主要内容：线性系统，最优控制，最佳估计，系统辨识；主要内容：线性系统，最优控制，最佳估计，系统辨识； 自适应控制，鲁棒控制，容错控制，集散控制。自适应控制，鲁棒控制，容错控制，集散控制。 经典控制理论与现代控制理论比较经典控制经典控制理论与现代控制理论比较经典控制理论与现代控制理论比较理论与现代控制理论比较项目经典控制理论现代控制理论研究对象线性定常系统（单输入、单输出）线性、非线性、定常、时变系统（多输入、多输出）描述方法传递函数（输入、输出描述）向量空间（状态空间描述）研究办法根轨迹法和频

17、率法状态空间法研究目标系统分析及给定输入、输出情况下的系统综合揭示系统的内在规律，实现在一定意义下的最优控制与设计大系统大系统l 大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系大系统是指规模庞大、结构复杂、变量众多的信息与控制系统，如生产过程、交通运输、生物工程、社会经济和空间技术统，如生产过程、交通运输、生物工程、社会经济和空间技术等复杂系统；等复杂系统；复杂系统的特点：复杂系统的特点：（1）动力学模型的不确定性）动力学模型的不确定性（2）测量信息的粗糙性和不完整性）测量信息的粗糙性和不完整性（3）动态行为或扰动的随机性）动态行为或扰动的随机性（4）离散层次和连续层次的混杂性）离散层次

18、和连续层次的混杂性（5) 系统动力学的高度复杂性系统动力学的高度复杂性（6）状态变量的高维性和分布性）状态变量的高维性和分布性（7）各系统间的强耦合性）各系统间的强耦合性大系统大系统l智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能控制是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，如智能机器人。智能机器人。 利用知识进行学习、推理与联想，对环境干扰与不确定因素利用知识进行学习、推理与联想，对环境干扰与不确定因素具有鲁棒性。具有鲁棒性。 主要内容：主要内容： 模糊控制模糊控制 神经网络控制神经网络控制 专家控制专家控制 遗传算法遗传算法自动控制理论的研究内容 经典控制理论经典控制理论（传

19、递函数，（传递函数，频率法和根轨迹法,SISO，LTI） 现代控制理论现代控制理论（状态空间，（状态空间，MIMO，时变），时变） H控制、最优控制、非线性系统控制、自适控制、最优控制、非线性系统控制、自适应控制、分布参数控制、离散事件动态系统应控制、分布参数控制、离散事件动态系统等等等等工业过程控制技术发展历程工业过程控制技术发展历程引言引言一、自动控制理论与技术的发展源泉一、自动控制理论与技术的发展源泉 1自动控制发展的两条途径自动控制发展的两条途径1） 应用应用技术技术理论理论应用应用2）理论）理论技术技术应用应用 控制理论这门学科和其它任何学科一样，产生于控制理论这门学科和其它任何学科

20、一样，产生于生产实践和科学试验。生产实践和科学试验。2、三股力量推动工业过程控制、三股力量推动工业过程控制技术进步技术进步二、控制方式与控制工具的发展二、控制方式与控制工具的发展自动控制理论与过程控制的发展过程自动控制理论与过程控制的发展过程 过程控制技术的发展过程过程控制技术的发展过程1 PID控制技术；控制技术；2 20世纪世纪50年代起，全力推动自动控制理论在过程控制年代起，全力推动自动控制理论在过程控制中的应用；中的应用；3 20世纪世纪60年代年代70年代，现代控制理论在过程控制中年代，现代控制理论在过程控制中的不作为；的不作为；4 20世纪世纪70年代起，模型预测控制等算法的应用：

21、如年代起，模型预测控制等算法的应用：如MAC、DMC、GPC、模糊控制、专家系统等。、模糊控制、专家系统等。工业过程控制理论及应用工业过程控制理论及应用工业过程控制理论：工业过程控制理论：频域分析方法、时域分析方频域分析方法、时域分析方法、智能控制算法法、智能控制算法工业生产过程的特殊性工业生产过程的特殊性 作为一个工厂、一个生产流程或一个生产装置，都是根据作为一个工厂、一个生产流程或一个生产装置，都是根据所生产产品的要求、原料供应以及公用工程情况，建设一定所生产产品的要求、原料供应以及公用工程情况，建设一定的工艺流程与设备，然后组织生产。的工艺流程与设备，然后组织生产。一、对产品质量、产量产

22、率产生影响的干扰来源于：一、对产品质量、产量产率产生影响的干扰来源于：1. 原材料的组成变化；原材料的组成变化；2. 产品质量与规格的变化；产品质量与规格的变化；3. 生产过程设备的可使用性；生产过程设备的可使用性；4. 装置与装置或工厂与工厂之间的连接关系；装置与装置或工厂与工厂之间的连接关系；5. 生产设备特性的漂移；生产设备特性的漂移；6. 控制系统的失灵。控制系统的失灵。 二、从反馈控制的观点分析，工业生二、从反馈控制的观点分析，工业生产过程中的被控对象具有如下特性：产过程中的被控对象具有如下特性：1. 信号测量问题；信号测量问题；2. 被控过程的滞后特性；被控过程的滞后特性；3. 被

23、控过程的时间常数长短不一；被控过程的时间常数长短不一；4. 过程的非线性特性；过程的非线性特性；5. 过程的时变性；过程的时变性；6. 过程本征不稳定性；过程本征不稳定性；7. 过程的耦合特性。过程的耦合特性。二、从反馈控制的观点分析，工业生产过二、从反馈控制的观点分析，工业生产过程中的被控对象具有如下特性：程中的被控对象具有如下特性：1. 信号测量问题；信号测量问题；2. 被控过程的滞后特性；被控过程的滞后特性；3. 被控过程的时间常数长短不一；被控过程的时间常数长短不一；4. 过程的非线性特性；过程的非线性特性；5. 过程的时变性；过程的时变性；6. 过程本征不稳定性；过程本征不稳定性；7

24、. 过程的耦合特性。过程的耦合特性。四、除上述顺序操作要求之外，工业生产过程还要四、除上述顺序操作要求之外，工业生产过程还要求：求： 监视和管理整个生产过程监视和管理整个生产过程; 对生产过程进行规划、调度和决策对生产过程进行规划、调度和决策; 生产过程的优化操作与控制。生产过程的优化操作与控制。过程控制理论在工业生产过程中的应用过程控制理论在工业生产过程中的应用一、工厂生产计划的制订；一、工厂生产计划的制订； 为了使整个工业生产过程经济效益最好，生产方案的优为了使整个工业生产过程经济效益最好，生产方案的优化与管理，需用最优控制理论来解决：线性规划（化与管理，需用最优控制理论来解决：线性规划（LP）、）、非线性规划非线性规划(NLP）.二、生产过程稳定、优化地运行：二、生产过程稳定、优化地运行：1 顺序操作问题；顺序操作问题；2 控制系统设计问题；控制系统设计问题；3 控制器参数整定问题；控制器参数整定问题；三、生产安全问题：操作报警显示（专家分析软件）与三、生产安全问题：操作报警显示（专家分析软件）与联锁保护联锁保护四、一人为本，用现代技术培训操作工人四、一人为本，用现代技术培训操作工人何为先进控制？何为先进控制？先进控制是对那些不同于常规单回路先进控制是对那些不同于常规单回路PID控制，并具有比控制，并具有比常规常规PID控制更好控制效