网络第1讲 引论——反馈控制

1、控制系统导论 反馈概念控制Control、控制科学与工程控制理论与控制工程检测技术与自动化装置系统工程模式识别与智能系统导航、制导与控制应用内容系统模型、稳定性与动态性能、根轨迹、频域分析、串联校正非线性分析、状态空间、解耦与延迟补偿、串级控制、离散系统实例定速巡航控制 如何控制汽车保持匀速运动？实例定速巡航控制 控制系统模型实例定速巡航控制 控制系统模型发动机转矩正比与燃料注入速度。转矩与转速的关系：0100200300400500600700110120130140150160170180190 (rad/s)T (Nm)转矩与转速的关系曲线车速与发动机转速的关系：驱动力：实例定速巡航控制

2、 控制系统模型重力引起的干扰力：滚动摩擦阻力：气动阻力：实例定速巡航控制 控制系统分析一、控制系统定义 自动控制没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量（被控量）自动地按照预定的规律运行。o 控制系统为了达到预期的目标（响应）而设计出来的系统，它由相互关联的部件组合而成，主要由控制装置和被控对象组成。一、控制系统定义磁悬浮控制系统弹炮随动控制系统倒摆控制系统工业机器人控制系统二、开环控制与闭环控制 开环控制利用控制装置获得预期的响应，系统输入不受输出的影响。控制装置被控对象预期输出实际输出电机（执行机构）风扇叶片（控制对象）开关或控制器控制电压二、开环控制与闭环控制 闭环控制

3、系统对输出量进行测量，将此信号反馈，与预期的输入进行比较，利用偏差信号产生控制作用。计算比较执行被控对象测量预期输出响应r(t)+ +- -误差e(t)控制量u(t)实际输出y(t)测量值二、开环控制与闭环控制 闭环控制离心调速器 1788 年前后，瓦特发明了蒸汽机的离心调速器。 早期的载波电话失真严重。1927年，贝尔实验室的布莱克设计了最实用的负反馈控制装置。 负反馈信号发大器获得了极好的线性度，自激振荡问题的解决，极大地促进了电话的广泛应用。二、开环控制与闭环控制 闭环控制驾车人汽车预期行驶路线实际行驶路线比较器视觉测量+-偏差方向盘汽车方向闭环控制系统二、开环控制与闭环控制 开环控制系

4、统结构简单，稳定性好，容易设计和调整以及成本较低的优点，对那些负载恒定，扰动小，控制精度要求不高的实际系统，是有效的控制方式。 闭环控制系统由于增加了检测装置和反馈环节，结构较复杂，成本有所增加。但它提高了系统的控制精度和抗干扰能力，同时，负反馈会对系统稳定性产生不利影响。 开环和闭环控制系统的特点二、开环控制与闭环控制 闭环控制系统的组成反馈控制比较放大被控对象测量装置给定装置被控量执行机构控制量串联控制三、线性控制系统与非线性系统 线性系统构成系统的所有元件都是线性元件的系统。其动态性能可用线性微分方程描述，系统满足齐次性和叠加原理。o 非线性系统构成系统的元件中含有非线性元件的系统, 只

5、能用非线性微分方程描述，不满足叠加原理。 可以进行线性化处理的系统或元件特性又称为非本质非线性特性。反之，称之为本质非线性，它只能用非线性理论分析研究。三、线性控制系统与非线性系统 线性系统线性微分方程传递函数状态方程模型J.C Maxwell 1868年微分方程模型 Laplace（ 1749-1827年） Laplace变换线性微分方程的解 三、线性控制系统与非线性系统 线性系统线性微分方程传递函数状态方程时域响应稳定性 根轨迹法频率分析频域稳定性 状态空间分析 模型分析Routh（ 1892）、 Hurwitz（1895）稳定性判据Nyquist（ 1932） 频率法稳定性判据Evans

6、（ 1948）根轨迹设计法Bode（ 1945） Bode图20世纪60-70年代现代控制理论三、线性控制系统与非线性系统 线性系统线性微分方程传递函数状态方程时域响应稳定性 根轨迹法频率分析频域稳定性 SISO控制系统设计状态反馈、最优控制状态空间分析 模型分析设计三、线性控制系统与非线性系统 非线性系统非线性环节线性化描述函数法相平面法李亚普诺夫第2法线性系统分析方法四、连续控制与离散控制 连续系统系统内各处的信号都是以连续的模拟量传递的系统。o 离散系统系统内某处或数处信号是以脉冲序列或数码形式传递的系统。这类控制系统又称为采样控制系统或脉冲控制系统。而用数字计算机或数字控制器控制的系统

7、又称为数字控制系统或计算机控制系统。四、连续控制与离散控制o 离散系统四、连续控制与离散控制o 离散系统差分方程、Z变换、脉冲传递函数稳定性分析、动态特性、稳态误差、根轨迹、频率特性数字控制器设计方法信号采集与重构五、经典控制与智能控制 智能控制 针对不确定性模型、高度非线性、复杂任务要求 专家控制系统 模糊控制系统 神经网络控制系统 滑模控制系统 自学习控制系统 六、控制系统性能指标 控制系统的基本要求稳定性系统在受到扰动作用后,自动返回原来的平衡状态的能力。快速性 要求自动控制系统的过渡过程尽量短暂，输出尽快平稳地跟踪上输入的变化。准确性 当过渡过程结束后，要求输出量最终应准确地达到希望值，否则将产生稳态误差。六、控制系统性能指标 时域瞬态性能指标时间时间tr上上 升升峰值时间峰值时间tpAB超调量超调量% =AB100%调节时间调节时间ts六、控制系统性能指标 时域瞬态性能指标上升时间上升时间tr调节时间调节时间 ts六、控制系统性能指标 综合性能指标 控