控制技术与系统课件 第一章绪论.

1、 控制技术与系统control technology and system 党学明 仪器科学与光电工程学院第一章 绪论第一节 控制系统的基本概念1.什么是控制？什么是控制？2. 什么是自动控制什么是自动控制? 3. 什么是系统？什么是系统？4. 什么是自动控制系统？什么是自动控制系统？什么是控制？什么是控制？控制的定义控制的定义: 通过一种状态的改变来使另一事物或自身的运行状态发生变化? 消除“理想与现实之间的差距”?人类认识自然，并根据自然规律主动的改造人类认识自然，并根据自然规律主动的改造自然，并服务人类的过程自然，并服务人类的过程 单一的运算放大器、灯风扇的开关是不是控制？单一的运算放大

2、器、灯风扇的开关是不是控制？什么是自动控制什么是自动控制?自动控制的定义自动控制的定义:v利用自动控制装置对生产中某些关键性参数利用自动控制装置对生产中某些关键性参数: 是指在没有人参与的情况下是指在没有人参与的情况下,利用控制器去使生利用控制器去使生产过程或被控对象中的某一个物理量产过程或被控对象中的某一个物理量(或多个物理量或多个物理量),能能准确的按照期望的规律去运行准确的按照期望的规律去运行.v进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正进行自动控制，使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时，能自动的回到规定范围。常状态时，能自动的回到规定范围。1.代替人代替人2.按照一定规律运

3、行按照一定规律运行3.准确可靠准确可靠什么是系统？什么是系统？系统系统? 能够完成一种或者多种功能的的集合体? 在研究角度,功能上不可再分的单元? 什么是自动控制系统？什么是自动控制系统？从本质言是物理学的一部分，是对物质运动规律的一从本质言是物理学的一部分，是对物质运动规律的一种研究其数学表征形式是种研究其数学表征形式是运动微积分方程运动微积分方程。自动。自动控制上要是采用信息技术和控制、管理中的优化理控制上要是采用信息技术和控制、管理中的优化理论以达到部分取代或扩展人的体力活动和脑力活动。论以达到部分取代或扩展人的体力活动和脑力活动。v 自动控制系统是指能够对被控制对象的工作状态自动控制系

4、统是指能够对被控制对象的工作状态进行自动控制的系统。进行自动控制的系统。自动控制系统的组成基本组成基本组成: 1. 控制对象 2 控制装置完成的功能完成的功能: 1. 测量 2. 比较(或计算) 3. 执行控制技术的应用范围v宇航方面宇航方面：v 同步卫星（随动控制系统）卫星的发射与回收（神州六号飞船，航天飞机）自动关机、点火系统v军事方面军事方面：v 火炮自动点火、巡航导弹v其他方面其他方面：农业（病虫害防治、专家系统）v 社会科学（计划生育，人口增长模型）v现代管理现代管理：办公自动化、社会学等v工业生产工业生产：自动车床、加热炉、发酵罐v生活：生活： 空调、洗衣机等倒立摆稳定控制单级倒立

5、摆稳定控制二级倒立摆稳定控制导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制航天器控制月球车控制卫星控制机器人控制空间机器人控制足球机器人控制 洗衣机智能控制电冰箱温度控制生活领域控制系统的基本方式按照有无反馈可主要分： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统开环控制特点: 控制装置与受控对象之间只有顺向控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系作用而无反向联系;每一输入量对应每一输入量对应的有一输出量的有一输出量,系统的控制精度完全系统的控制精度完全取决于所用元器件的精度和特性调取决于所用元器件的精度和特性调整的准确度整的准确度,只要受控对象稳定只要受控对象稳定,系统系统就能稳定地工作就能

6、稳定地工作;系统简单，成本低，系统简单，成本低，一般能稳定可靠的工作，应用要求一般能稳定可靠的工作，应用要求不高的系统不高的系统缺点：是抗扰动能力差缺点：是抗扰动能力差,当有扰动作用当有扰动作用时都将使被控量偏离给定值时都将使被控量偏离给定值,直接影直接影响系统的控制精度响系统的控制精度 闭环控制闭环控制!优点：控制精度高。抗干扰能力强只要被控制量的实际值偏离给定值，闭环控制就会产生控制作用来减小这一偏差。缺点，这类系统是靠偏差进行控制的。因此，在整个控制过程中始终存在着偏差、由于元件的惯性(如负载的惯性)，若参数配置不当，很容易引起振荡使系统不稳定，而无法工作。闭环控制闭环控制!组成：(1)

7、给定元件 用来产生给定信号或输入信号是进行物理量大小和性质变换的元件。(2)反馈元件 它量测被控制量或输出量，产生主反馈信号。 (3)比较元件 用来接收输入信号和反馈信号并进行比较，产生反映两者差值的偏差信(4)放大元件 对偏差信号进行放大的元件。(5)执行元件 直接对受控对象进行操纵的元件。(6)校正元件 为保证控制质量使系统获得良好的动、静态性能而加入系统的元件。复合控制系统适合高精度控制v分别称为按输入量补偿和v按干扰作用补偿的复合控制系统，第一阶段: 经典(自动)控制理论第二节第二节 控制理论的产生与发展控制理论的产生与发展到十八世纪十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓

8、越的代表是瓦特瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器1868年马克斯韦尔（马克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。马克斯韦尔（马克斯韦尔（J.C.MaxwellJ.C.Maxwell）1895年劳斯（劳斯（Routh）与赫尔维茨（赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据劳斯判据劳斯判据和赫尔维茨判据赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。1932年奈奎斯特奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的

9、频率响应法频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态 准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。1948年伊万斯（伊万斯（W.R.EwansW.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法根轨迹法。 1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了控制论控制论关于在动物和机器中控制与通关于在动物和机器中控制与通讯的科学讯的科学建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。频率响应法和根轨迹法是古典控制理论的核心。由这两种方法设计出来的系统是稳定的、并民或多或

10、少地满足一组适当的性能要求。一般来说，这些系统是令人满意的，但它不是最优的第二阶段 现代控制理论 科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件现代数学和现代数学和数字计算机。数字计算机。 现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。论发展提供了应用的平台。 在二十世纪五十年代末开始，随着

11、计算机的飞速发展，在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统。输出系统、非线性系统和时变系统。 1. 1.五十年代后期，贝尔曼（五十年代后期，贝尔曼（BellmanBellman）等人提出了状态分析）等人提出了状态分析法；在法；在19571957年提出了动态规划。年提出了动态规划。2. 19592. 1959年年卡尔曼卡尔曼（KalmanKalman）和布西）和布西创建了卡尔曼滤波理论；创建了卡尔曼滤波理论；19601960年在控年在控制系统的研究中成功地

12、应用了状态空制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。新概念。卡尔曼4. 4. 罗森布洛克（罗森布洛克（H.H.RosenbrockH.H.Rosenbrock）、欧文斯）、欧文斯（D.H.OwensD.H.Owens）和麦克法轮（）和麦克法轮（G.J.MacFarlaneG.J.MacFarlane）研究了）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之

13、间的等价转换关系，为讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础3. 19613. 1961年庞特里亚金（俄国人）提年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。出了极小（大）值原理。庞特里亚金 L.S.Pontryagin4. 4. 罗森布洛克（罗森布洛克（H.H.RosenbrockH.H.Rosenbrock）、欧文斯）、欧文斯（D.H.OwensD.H.Owens）和麦克法轮（）和麦克法轮（G.J.MacFarlaneG.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代研究了使用于计算机辅

14、助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础统一的线性系统理论奠定了基础5. 205. 20世纪世纪7070年代奥斯特隆年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.LandauL.D.Landau）在自适应控制）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。理论和应用方面作出了贡献。 与此同时，关于与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时

15、间系统和自系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。的发展大大丰富了现代控制理论的内容。 朗道朗道L.D.Landau第三阶段 鲁棒控制理论阶段 1. 1. 由于现代数学的发展，结合着由于现代数学的发展，结合着H2H2和和H H 等范数而等范数而 出现了出现了H2H2和和H H 控制，还有逆系统控制等方法。控制，还有逆系统控制等方法。2. 202. 20世纪世纪7070年代末，控制理论向着年代末，控制理论向着“大系统理论大系统理论”、 “ “智能控制理论智能控制理论”和和“复杂系统理论复杂系统理论”的方向发的方向发展：展：大系统理论：大系统理论：用

16、控制和信息的观点，研究各种大系的结用控制和信息的观点，研究各种大系的结 构方案、总体设计中的分解方法和协调等构方案、总体设计中的分解方法和协调等 问题的技术基础理论。问题的技术基础理论。复杂大系统控制复杂大系统控制智能控制理论：智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信研究与模拟人类智能活动及其控制与信 息传递过程的规律，研制具有某些拟人息传递过程的规律，研制具有某些拟人 智能智能 的工程控制与信息处理系统的理论的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制复杂系统理论：复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范 筹，以解决复杂系统的控制为目标。 回顾控制理

17、论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制第三节 控制系统的分类与控制方法 一、控制系统的基本类型 控制系统的种类很多， 按照有无反馈可主要分： 开环控制系统 闭环控制系统 复合控制系统 按照按输入量的特征分1恒值控制系统2程序控制系统3. 随动系统1恒值控制系统特点：设定值是固定不变的闭环控制系统称为定值控制系统。 作用：克服扰动的影响，使被控变量保持在要求的数值上工业生产中的温度、压力、流量、液面等参数的控制，有些原动机的速度控制，机床的位置控制，电力系统的电网电压、频率控制等，均属此类。2程序控制系统特点：输入

18、量不为常值，但其变化规律是预先知道和确定的。作用:以一定的精度跟随设定值的变化而变化计算机绘图仪就是典型的程序控制系统3. 随动系统特点：设定值是一个未知的变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。作用：以一定的精度跟随设定值的变化而变化机械加工中的仿形机床和武器装备中的火炮自动瞄准系统以及导弹目标自动跟踪系统等均属随动系统。按系统中传递信号的性质分按系统中传递信号的性质分1连续控制系统 系统中各部分传递的信号都是连续时间变量的系统称为连续技制系统线性系统和非线性系统之分。用线性微分方程描述的系统称为线件系统；不能用线性微分方程描述、存在着非线性部件的系统称为非线性系统。2离散控制系统 系统中某处

19、或数处的信号是脉冲序列或数字量传递的系统 其他分类按系统部件的物理性质分为机械、电气、机电、液压、气动、热力等控制系统。二、控制系统的控制方法1 比例积分微分比例积分微分(PID)控制控制二、控制系统的控制方法2 自适应控制自适应控制(Adaptive Control)v辨识对象的结构和参数，以便精确地建立被控对象的数学模型v给出一种控制策略以使被控系统达到期望的性能指标。v自动修正控制器的结构参数。二、控制系统的控制方法3模糊控制模糊控制(fuzzy control）v以模糊集合理论为这础的控制技术。模糊集合理论为控制技术摆脱建立精确数学模型提供了工具，使控制系统保人详基于定性的模糊的知识进

20、行控制决策成为可能。在模糊控制系统中能够将人的控制经验和知识包含进来从这个意义说，模糊控制是一种智能控制。v模糊控制既可以面向简单的被控对象，也可以用于复杂的控制过程。二、控制系统的控制方法4 神经网络控制神经网络控制(Neural Network Control)主要特点是：主要特点是：v可以描述任意非线性系统；v用于非线性系统的辨识和估计；v对于复杂不确定性问题具有自适应能力；v快速优化计算能力；v具有分布式储存能力、可实现在线、离线学习。二、控制系统的控制方法5 智能控制智能控制(Intelligent control) 无明确定义, 可定义为无人或者代替人二、控制系统的控制方法6 计算

21、机控制计算机控制(Computer Control) (1)实时数据采集实时数据采集 (2)实时控制决策实时控制决策 (3)实时控制输出实时控制输出 第四节 控制系统的性能指标本节主要内容：本节主要内容：一、对控制系统的要求一、对控制系统的要求二、控制系统的性能指标二、控制系统的性能指标 1. 系统分析系统分析 2. 常用测试信号常用测试信号 3. 过渡过程和动态性能过渡过程和动态性能 4. 稳态过程和稳态性能稳态过程和稳态性能 一、对控制系统的要求一、对控制系统的要求稳定性稳定性 系统动态过程的振荡倾向及其恢复平衡状态的能力准确性准确性 控制系统的精确性即控制精度，一般以稳态误差来衡量。快速

22、性快速性 当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，消除这种偏差的快慢程度。安全性安全性 思考题: 什么是优秀的控制工程师?性能价格比性能价格比!性价比性价比!第四节 控制系统的性能指标本节主要内容：本节主要内容：一、对控制系统的要求一、对控制系统的要求二、控制系统的性能指标二、控制系统的性能指标 1. 系统分析系统分析 2. 常用测试信号常用测试信号 3. 过渡过程和动态性能过渡过程和动态性能 4. 稳态过程和稳态性能稳态过程和稳态性能 二、控制系统的性能指标二、控制系统的性能指标1. 系统分析系统分析如何体现或者评价其性能如何体现或者评价其性能: 已知控制系统的结构和参数时，研究它在已知控制系

23、统的结构和参数时，研究它在某种典型输入信号作用下的被控量变化的某种典型输入信号作用下的被控量变化的全过程，从这个变化过程得出其中的性能全过程，从这个变化过程得出其中的性能指标，并讨论性能指标和系统的结构、参指标，并讨论性能指标和系统的结构、参数之间的关系。研究的这类问题通常叫做数之间的关系。研究的这类问题通常叫做系统分析系统分析。方法方法: 时域法时域法 、频域法、频域法2. 常用测试信号常用测试信号常见典型信号常见典型信号 阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信阶跃信号、斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号号和正弦信号, ,扫频信号等扫频信号等。 常选用最不利的信号作为系统的典型输入信常选用最不利的信号作为系统的典型输入信号号。阶跃信号阶跃信号A 0 t0 t0 )(tr数学数学表达式表达式为为：当当A=1A=1时称为时称为单位阶跃信号单位阶跃信号。特特 点点易产生易产生对系统输出影响大对系统输出影响大便于分析和计算便于分析和计算 3. 过渡过程和动态性1)延迟时间延迟时间td 响应到达稳态值50所需的时间。2)上升时间上升