工程控制原理（现代部分）导论

《工程控制原理》（现代部分）

导论

《现代控制理论》

从蒸汽机离心调速器出现，初尝了反馈控制的力量，萌发了自动控制技术，直到二十世纪中叶，形成经典控制理论，标志着一个新的学科——控制科学与工程的诞生。随后，控制理论进入快速发展阶段，延续到二十世纪末，相继出现状态空间与状态反馈、最优控制、多变量频域控制、自适应控制、鲁棒控制等一系列现代控制理论，呈现一派繁荣景象。进入二十一世纪，回归并深化人工智能技术，推动控制理论进入智能化时代。

随着控制理论的发展步伐，控制技术的应用当惊世界殊，卫星上天、探测器外星球行走、水下机器人深海作业、超精微半导体装备制造、车间无人化运行、大型冶炼与石化生产、超临界发电、特高压输电等等，越来越多宏观、介观、微观世界在人类掌控之中。（a）2017年

（b）2020年国际自动控制联合会（IFAC）的工业委员会在2017年、2020年分别发布了一项对控制技术应用现状的调查报告，其中一个令人惊异的结果是，PID控制与其他十几种控制方法相比获得了最高的评价理科教育（自然科学）文科教育（人文科学）工科教育专业基础专业方向电路与电子自控原理微机原理现控理论工程意识经典控制系统为何常采用简单控制器（PID）经典控制理论分析框架多变量控制的困境与可解途径本章重点1.1反馈调节原理与分析框架反馈调节的优势经典控制理论的分析框架反馈控制原理具有普遍性！反向设计、精确配准逐步调节、收敛达标反馈控制原理具有普遍性！反向设计、精确配准逐步调节、收敛达标可用简单的控制器，实现复杂的控制任务数学模型传感技术反馈控制原理的优势逐步调节、收敛达标可用简单的控制器，实现复杂的控制任务优势之二：优势之一：传感器之前（前馈通道）的变化都可抑制分析框架——数学模型为什么可以用数学方法建立系统模型？为什么微分方程是最一般的数学模型？为什么传递函数是最常用的数学模型？各种变量被控量控制量控制器给定输入各种物理、化学、数学定理定律等微分方程传递函数拉氏变换：问题？数学模型不求解系统响应，分析系统性能一般方法？求解系统响应一般方法？基本性能（稳定性、稳态性）为核心要求扩展性能（快速性、平稳性）是锦上添花基于根轨迹的分析框架分析框架——时域分析各种变量被控量控制量控制器给定输入问题？y*yt稳定性稳态性快速性平稳性微分方程：直接求解轨迹传递函数：不求轨迹分析？根据参数进行分析为什么能用开环稳态信息分析闭环瞬态性能？分析框架——频域分析各种变量被控量控制量控制器给定输入问题？y*yt稳定性稳态性快速性平稳性瞬态响应，稍纵即逝，难以实验观测各种变量被控量控制量控制器给定输入问题？控制系统=放大器（放大倍数为1）可以引入模拟电子学的方法来进行分析各种变量被控量控制量控制器给定输入问题？问题是，能从稳态响应信息中分析出瞬态的性能否？比例控制器的设计比例控制器的校正PID控制器的原理分析框架——控制器设计各种变量被控量控制量控制器给定输入问题？比例控制器的设计比例控制器的校正PID控制器的设计可用简单的控制器，实现复杂的控制任务基于反馈调节的技术实现：实时检测形成偏差偏差调节？“因”“果”“因”“果”“因”前馈方式：反馈方式：否定之否定、螺旋式发展（调节）可用简单的控制器，实现复杂的控制任务要逆向设计控制器复杂带来了一种新颖的思维方式传统思维方式（只要保证系统稳定）考虑工程限制因素的理论分析：数学模型：如何描述系统、线性化模型理论分析：数学工具、被控对象领域的知识模型残差：各种非线性因素、回头验证变量值域：取值范围，超限无工程意义方案多样性：“唯一解”不可工程应用非技术因素：经济性、工程伦理提升解决复杂工程问题的能力！自动控制原理高等数学大学物理计算机数字电子模拟电子电路原理……1.2多变量耦合的困扰与可解途径多变量系统实例分析分层控制框架主令式同步主从式同步轧制均匀度、印刷清晰度等单变量控制设计耦合式同步？X若要高的变频调速交流电动机的控制交流异步电动机的工作原理是，在定子侧由三相交流电压产生三相交流电流，三相交流电流形成一个旋转磁场，从而带动转子运动。转差：复杂的耦合关系单变量控制设计X关节轴（含有电动机）的空间姿态在作业空间大范围变化，使得折算到本关节轴上的转动惯量、负载转矩会有几倍到上百倍的变化，若不在底层对这种耦合影响进行处理，势必极大地降低系统动态性能。这样，需要发展多变量的机器人控制方法。单变量控制设计X分层控制锅炉燃烧子系统控制锅炉蒸汽发生子系统控制双回路+比值控制单回路+扰动补偿双回路单回路+扰动补偿单变量控制设计X降低能耗提馏段控制精馏段控制精馏塔分层控制质量、产量和能耗→

温度、流量、压力单变量控制设计X不同厂家或不同批次的原料组分经常变化基于数据库的监控系统基于PLC控制的分层系统PLC各轴电机基于多变量控制的分层系统（1）如何描述？简明清晰地呈现耦合关系，大量简便成熟的数学工具（2）如何分析？经典控制关注外部特性、不追问