控制理论第一章绪论

第一章绪论本章目录1.1控制理论发展概括1.2控制系统的构成1.3控制系统的分类1.4自动控制系统分类1.5对控制系统的基天性能要乞降本课程的任务自动控制，是指在无人直接参加的状况下，利用控制装置（控制器）使被控对象(如生产过程中的位移、速度、温度，电力系统中电压、电流、功率等物理量或某些化合物的成分等)，依据预约的规律进行运动或变化。这种能对被控制对象的工作状态进行控制的系统称为自动控制系统。它一般由控制装置和被控对象构成。控制理论分为经典和现代两部分，本课程主要讲解经典的控制原理。学习在已知控制系统结构和参数的基础上，求取系统的各项性能指标，并找出这些性能指标与系统参数间的关系，这就是自动控制系统的剖析。而在给定对象特征的基础上，依据控制系统的应具备的性能指标要求，追求能够全面知足这些性能指标要求的控制方案并合理确立控制器的参数，则是控制系统的设计。自动控制理论则是对自动控制系统进行剖析和设计的一般性理论。1.1控制理论发展综述自动控制系统的初期应用可追忆到两千年前的古埃及的水钟控制和中国汉代的指南车控制。指南车是三国曹魏有名机械制造家马钧于公元233～237年创制的，图1.1是还原图，它的机械原理是利用齿轮的传动作用，在车子改变方向时，前辕随之转动，后辕绳子提落，变换齿轮系的组合，使车上木人保持既定方向。1图1.1指南车1788年英国科学家JamesWatt为设计内燃机设计的飞锤调速器能够以为是最早的反应控制系统的工程应用。因为当时应用的调整器出现振荡现象，因此产生了Maxwell对微分方程系统的稳固性的理论研究，此后又出现了Routh和Hurwitz等人的稳固性研究成就，控制器的设计问题是由Minorsky等人在1922年开始研究的，其研究成就能够当作是此刻宽泛应用的PID控制器的前身，而在1942年，Ziegler和Nichols提出了调理PID控制器参数的方法，其方法对此刻的PID整定仍有影响。系统的频域剖析技术是在Nyquist、Bode等初期的对于通讯学科的频域研究工作的基础上成立起来的，Harris于1942年提出了传达函数的看法第一将通讯学科的频域技术移植到了控制领域，构成了控制系统频域剖析技术的理论基础。Evens等在1946年提出的线性反应系统的根轨迹剖析技术是那个时代的另一个里程碑。原苏联学者Pontryagin于1956年提出的极大值原理、Bellman的动向规划和Kalman的状态空间剖析技术创始了控制理论研究的新时代，他们的理论当时统称为"现代控制理论"。在那个时期此后，控制理论研究中出现了线性二次型最优调理器、最优状态观察器及线性二次型（简称LQG）问题的研究，并在此后出现了引入回路传输恢复技术的LQG控制器。鲁棒控制是控制系统设计中的另一个令人瞩目的领域，早在1981年，美国学者Zames提出了基于Hardy空间范数最小化方法的鲁棒最优控制理论，而1992年Doyle等人提出的最优控制的状态空间数值解法在这个领域有侧重要的贡献。1.2控制系统的构成有两大构成部分，即被控对象和自动控制装置自动控制装置又可分为以下几个部分：丈量元件（或丈量装置）：用于丈量被控量的实质值或对被控量进行物理量变换的装置比较元件（或比较器）：它将被控量的实质值（常取负号）与被控量的要求值（常取正号）对比较，获得偏差的大小调理元件：往常包含放大器和校订装置，它能将偏差信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间拥有必定的数值运算关系（也称为调理规律或控制算法）履行元件：接受调理元件的输出控制信号，产生详细的控制成效，使被控制量产生预期的改变几个常用的术语：被控对象：被控制的设施或过程；被控量：反应系统被控制的物理量；给定值：希望的目标值；系统偏差：给定值与被控量之差；扰乱：造成被控量颠簸的主要原由我们以图1.2所示的液位控制系统说明以上术语和看法。给定值是希望水位的设定值，被控制量是实质水位，扰动量是出水量Q2，被控对象是水槽，丈量变送元件是浮子，比较元件是电位器，放大元件是放大器，履行元件包含电动机、减速器和阀门。2图1.2液位控制系统1.3控制系统的分类对各种各种控制系统进行分类，从不一样的看法出发能够有不一样的分类方法：往常按以下方法进行区分。I．按给定值分类·恒值自动调理系统·随动控制系统·程序控制系统恒值控制系统的参照输入为常量，要求它的被控制量在任何扰动的作用下能赶快地恢复(或靠近)到原有的稳态值，典型的例子为化工过程的压力、液位、流量的控制。随动系统的参照输入是一个变化的量，一般是随机的，要求系统的被控制量能迅速、正确地跟踪参照输入信号的变化而变化，典型的例子为雷达追踪系统。程序控制系统是系统依据设计好的程序达成任务，典型的例子为数控系统。II．按系统信号的形式分类·连续控制系统·失散控制系统连续控制系统中各部分的信号若都是时间t的连续函数，液面控制系统和随动系统都属于这种控制系统。控制系统各部分的信号中只需有一个是时间t的失散信号，则称这种系统为失散控制系统。；时变系统和非时变系统；有静差系统和无静差系统；最优控制和次最优控制系统；自适应系统和自镇定控制系统，等等。．按系统的特征分类·线性控制系统·非线性控制系统线性系统的主要特色是拥有齐次性和合用叠加原理，构成控制系统的元件都拥有线性特征，则这种系统为线性控制系统。若线性系统中的参数不随时间而变化，则称为线性定常系统；反之，则称为线性时变系统。在控制系统中，只需一个元件拥有非线性特征，则称该系统为非线性控制系统。非线性系一致般不拥有齐次性，也不合用叠加原理，并且它的输出响应和稳固性与其初始态有很大关系。严格地3说，绝对的线性控制系统(或元件)是不存在的，因为所用的物理系统和元件在不一样的程度上都拥有非线性特征。为了简化对系统的剖析和设计，在必定的条件下，能够用剖析线性系统的理论和方法对它进行研究。IV．按系统构造分类·开环控制系统·闭环控制系统开环控制系统是一种最简单的控制方式，在控制器和控制对象间只有正向控制作用，系统的输出量不会对控制器产生任何影响。假如在控制器和被控对象之间，不单存在正向作用，并且存在着反向的作用，即系统的输出量对控制量拥有直接的影响，那么这种控制称为闭环控制,将检测出来的输出量送回到系统的输入端，并与输入信号比较，称为反应。V．按输入输出量的个数·单输入、单输出系统·多输入、多输出系统我们在这门课中研究线性、连续、单输入单输出的闭环控制系统。1.4对控制系统性能的要求任何控制系统都要知足必定的性能指标要求，主要包含以下三个方面：Ｉ．稳固性所谓系统稳固，一般指当系统遇到扰动作用后，系统的被控制量偏离了本来的均衡状态，但当扰动撤退后，经过一准时间，系统还能返回到本来的均衡状态，则称系统是稳固的。考虑到系统在工作过程中的环境和参数可能产生的变化，因此要求系统不单能稳固，并且在设计时还要留有必定的裕量。．迅速性控制系统不单要稳固和较高的精度，还要求系统的响应拥有必定的迅速性，对于某些系统来说，这是一个十分重要的性能指标。相关系统响应速度定量的性能指标，一般能够用上涨时间﹑调整时间和峰值时间来表示。．正确性系统稳态精度往常用它的稳态偏差来表示。假如在参照输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态输出与参照输入所要求的希望输出之差叫做给定稳态偏差。明显，这种偏差越小，表示系统输出追踪输入的精度越高。系统在扰动信号作用下，其输出必定偏离原均衡状态，但因为系统自动调理的作用，其输出量会渐渐向原均衡状态方向恢复。在同一个系统中，以上三个性能要求是存在矛盾的，如为了提升系统的迅速性和正确性，就需要增大系统的放大能力，而放大能力的加强，必定促进系统动向性能的变差，甚至会使系统变成不稳固。反之，若重申系统动向过程安稳性的要求，系统的放大倍数就应较小，进