第一章-自動控制的一般概念-第一講

1、1,自動控制原理 —經(jīng)典部分,張 婧 E-mail：zjing133@163.com TEL: 187-532-63968,1,2,所需課程基礎,高等數(shù)學 大學物理 線性代數(shù) 復變函數(shù)與積分變換 信號與系統(tǒng) 電路 數(shù)字/模擬電子技術基礎 Matlab教程(計算機仿真技術),2,3,后續(xù)課程,微機原理/單片機 電機與拖動 過程控制 運動控制 計算機控制,3,4,參考

2、書目,教材：胡壽松主編. 自動控制原理(第五版). 高等教育出版社.主要參考書：1.吳麒主編. 自動控制原理(第二版). 清華大學出版社.2.黃家英主編. 自動控制原理. 高等教育出版社.3. R.C. Dorf and R.H. Bishop. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)(第十版). 清華大學出版社.4. Morris Driels. 線性控制系統(tǒng)工程. 清華大學出版社.,4,5,學時安排：90學時 -72學時理論課

3、 -18學時實驗課(自動化) 48學時-理論課(建環(huán)必修) 40學時-理論課(電子信息選修)考試：考試成績*70% 實驗成績*10% 平時成績*20%(考勤+作業(yè)),5,6,主要內容,第一章 自動控制的一般概念第二章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型第三章 線性系統(tǒng)的

4、時域分析法第四章 線性系統(tǒng)的根軌跡法第五章 線性系統(tǒng)的頻域分析法第六章 線性系統(tǒng)的校正方法 第七章 線性離散系統(tǒng)的分析與校正第八章 非線性控制系統(tǒng)分析,6,,重點,7,第一章 自動控制的一般概念,1-1 自動控制的基本原理與方式1-2 自動控制系統(tǒng)示例1-3 自動控制系統(tǒng)的分類1-4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求1-5 自動控制系統(tǒng)的分析與設計工具,7,8,1-1 自動控制的基本原理與方式,自動控制科學的發(fā)展(一) 經(jīng)

5、典控制理論(二) 現(xiàn)代控制理論(三) 智能控制理論,8,1. 最早： 中國：產(chǎn)生“控制”的思想，而非理論,9,指南車,候風地動儀,漏水轉渾天儀,(一) 經(jīng)典控制理論,10,10,銅壺滴漏,整件滴漏由四個銅壺組成，分別是日壺、月壺、星壺、受水壺。保持星壺的水位恒定是滴漏計時準確的關鍵。星壺上部有一個小洞，如果月壺滴下的水多了，便從這里流出，使星壺的水量保持恒定，以便均勻地滴水給受水壺。受水壺中水逐漸增加，浮舟托起木箭上升

6、。將木箭的頂端與銅表尺刻度對照，得到時間。,11,國外：出現(xiàn)反饋控制裝置 希臘人凱特斯比斯(Kitesibbios)在公元前300年在油燈中使用浮子調節(jié)器以保持油面高度穩(wěn)定。 現(xiàn)代歐洲最先發(fā)明反饋控制的是荷蘭的德勒貝爾，使用了溫度反饋控制。 鄧尼斯·帕平最先發(fā)明了蒸汽閥的壓力控制器。 1765年，普爾佐諾夫發(fā)明了浮子閥門式水位調節(jié)器，用于蒸汽鍋爐水位的自動控制。,11,12,2. 閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的出現(xiàn)與應用

7、歐洲工業(yè)革命的標志：James Watt于1765年在薩維利發(fā)明的蒸汽機的基礎上改進的現(xiàn)代意義上的蒸汽機。 1770年，他利用離心式飛錘調速器構建了蒸汽機的轉速自動控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)在鍋爐壓力和負荷變化的條件下，通過離心式調速器自動調節(jié)進氣閥門的開度，使蒸汽機轉速維持在一定的范圍內。,12,詹姆斯·瓦特,13,13,缺點：調速系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩問題，當振蕩過大時會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。(穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)性能差，存在穩(wěn)態(tài)誤差——第三章)

8、 如何解決？,轉速自動控制原理,14,3. 經(jīng)典控制理論的發(fā)展階段 3.1 穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)—第三章 1868年，英國J.C. Maxwell以離心式調速器為背景，在論文《論調節(jié)器》中指出速度反饋控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題，可通過線性常微分方程從理論上給出四階以下的穩(wěn)定條件-取決于特征方程的根是否具有負實部,14,麥克斯韋,穩(wěn)定性,15,1872年，俄國維什聶格拉斯基對蒸汽機的穩(wěn)定性問題進行研究，在論文《論調整器

9、的一般原理》中將線性微分方程簡化成由調整對象和調整器組成的系統(tǒng)，同時結合直接作用于蒸汽機的調速器的特性，指出如何選擇參數(shù)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 1878年，他還對非線性繼電器型調整器進行了研究。維什聶格拉斯基在蘇聯(lián)被視為自動調整理論的奠基人。,15,16,1807年，美國機械師R. Fulton設計出世界上第一艘蒸汽機帶動車輪撥水的“克萊蒙特”號蒸汽輪船，故其被稱為“輪船之父”。,羅伯特·富爾頓,克萊蒙特號下水,17,1865

10、年，在安慶內軍械所由徐壽、華蘅芳設計建造了我國第一艘明輪推進的蒸汽機輪船“黃鵠”號。,徐壽,華蘅芳,黃鵠號復原圖,18,1866年，英國J.M. Gray設計出第一艘明輪驅動的全自動蒸汽輪船“東方”號,19,3.2 勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)—第三章 1877年，英國E.J. Routh提出根據(jù)多項式的系數(shù)決定多項式在右半平面的根的數(shù)目，從而將當時各種有關穩(wěn)定性的孤立的結論和非系統(tǒng)的結果統(tǒng)一起來，開始建立有關動態(tài)穩(wěn)定性的系統(tǒng)理論。,19

11、,勞斯,20,1895年，瑞士A. Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨立給出了根據(jù)多項式的系數(shù)決定多項式的根是否都具有負實部的另一種方法。這兩種判據(jù)實質是一樣的，都是根據(jù)特征方程的系數(shù)來判斷高階系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,20,赫爾維茨,21,3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定判據(jù)—第九章 1892年，俄國A.M.Lyapunov在其天才般的博士論文《運動穩(wěn)定性的一般問題》中提出了李亞普諾夫方法，即李亞普諾夫第一法(間接法)和李亞普諾夫第二

12、法(直接法)。其中李雅普諾夫第二法不僅可用于線性系統(tǒng)而且可用于非線性時變系統(tǒng)的分析與設計。,21,李雅普諾夫,22,3.4 PID控制理論—第六章 1922年，美國N. Minorsky基于船舶駕駛的伺服結構提出位置控制系統(tǒng)的分析，并對PID三作用控制給出控制規(guī)律的公式。 1942年，美國Tatlor儀器公司的J.G. Ziegler和N.B. Nichols給出PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。,尼柯爾斯,23,這一時期討論的問題主

13、要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)偏差，所用的數(shù)學工具是微分方程解析法。這些是在時間域上進行討論的，通常稱這些方法為控制理論的時域分析法。,23,由于電子元器件的非線性特性不便用代數(shù)判據(jù)來分析其穩(wěn)定性；而有些系統(tǒng)不僅對穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度有要求，且對過渡過程的快速性和平穩(wěn)性亦做出一定的要求，特別是第二次世界大戰(zhàn)期間，需要控制系統(tǒng)具有準確的跟蹤與補償能力，促使反饋控制系統(tǒng)的研制與理論研究有了很大的發(fā)展。,24,3.5 負反饋理論的發(fā)展與應用 1927年

14、，貝爾實驗室的美國電氣工程師H.S. Black首先提出基于誤差補償?shù)那梆伔糯笃?，在此基礎上最終提出負反饋放大器并對其進行數(shù)學分析。 負反饋可以通過降低增益來改善器件的線性性能。但如果放大器沒有正確地設計為負反饋，那么放大器會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，從而使工作變得不穩(wěn)定。 —如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？,24,布萊克,25,3.6 奈氏判據(jù)——第五章 1932年，貝爾實驗室的美國物理學家H. Nyquist在傅氏變換的基

15、礎上提出以頻率特性為基礎的穩(wěn)定性判據(jù)。此判據(jù)不僅可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以用來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。 奈氏判據(jù)是頻率響應法的基礎，為具有高質量的動態(tài)品質和靜態(tài)準確度的軍用控制系統(tǒng)提供了所需的分析工具。,25,,,乃奎斯特,26,1938年，貝爾實驗室的美國應用數(shù)學家H.W. Bode進一步研究通信系統(tǒng)頻域的方法，提出頻域響應的半對數(shù)坐標圖描述法(Bode圖)，使頻率特性的繪制更適于工程設計。 1940年，N.

16、B. Nichols進一步將頻率響應法加以發(fā)展，提出對數(shù)幅相曲線(尼柯爾斯圖)。,26,伯德,至此經(jīng)典控制理論的頻域分析法建立，其主要用于描述反饋放大器的帶寬和其它頻域指標。,27,3.7 傳遞函數(shù)——第二章 1942年，美國H. Harris在拉普拉斯變換的基礎上引入傳遞函數(shù)的概念，用方框圖、環(huán)節(jié)、輸入和輸出等信息的概念描述系統(tǒng)的性能和關系，使頻域法更具普遍意義。 1943年，A.C. Hall利用傳遞函數(shù)和方框圖，將通信工程

17、的頻率響應法與機械工程的時域分析法相統(tǒng)一，被稱為復域法。,27,28,3.8 根軌跡的建立——第四章 1948年，美國的W.R. Evans利用閉環(huán)特征方程的根在開環(huán)參數(shù)變化時的軌跡來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)參數(shù)與時域性能指標變化間的關系，提出完整的根軌跡法。,28,伊萬斯,至此，以時域法、根軌跡法、頻率特性法為核心的經(jīng)典控制理論的框架已構建完畢。,29,3.9 控制論的建立 1932~1934年， 美籍奧地利理論生物學家和哲學家L

18、.V. Bertalanffy提出用數(shù)學模型來研究生物學的方法和機體系統(tǒng)論的概念； 1945年，發(fā)表《關于一般系統(tǒng)論》，并指出不論系統(tǒng)的具體種類、組成部分的性質和它們之間的關系如何，存在著適用于綜合系統(tǒng)或子系統(tǒng)的一般模式、原則和規(guī)律；,29,貝塔朗斐,1942年，美國數(shù)學家N. Wiener提出著名的維納濾波理論。 1943年，在《行為、目的和目的論》中首先提出“控制論”這一概念，第一次把只屬于生物的有目的的行為賦予機

19、器，闡明了控制論的基本思想。 1948年，發(fā)表《控制論：或關于在動物和機器中控制和通訊的科學》，為控制論奠定了理論基礎，標志著控制論的誕生。,30,30,維納,31,1954年，錢學森在《工程控制論》中把設計穩(wěn)定與制導系統(tǒng)這類工程技術實踐作為主要研究對象，系統(tǒng)地闡述了控制論與工程結合的理論和應用，標志著控制論的第一個分支學科“工程控制論”誕生。,31,錢學森,32,總結:經(jīng)典控制理論的分析方法為復數(shù)域方法,以傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)數(shù)學

20、模型，常利用圖表進行分析設計，比求解微分方程簡便。優(yōu)點:可通過實驗法建立數(shù)學模型，物理概念清晰，得到廣泛的工程應用。缺點:只適應單變量線性定常系統(tǒng)，對系統(tǒng)內部狀態(tài)缺少了解，且復數(shù)域方法研究時域特性，得不到精確的結果。,32,至此，形成了以傳遞函數(shù)為基礎的完整的經(jīng)典控制理論體系。主要研究單輸入單輸出、線性定常系統(tǒng)的分析和設計問題。,33,4. 脈沖控制理論的建立與發(fā)展—第七章,4.1 脈沖理論的建立與發(fā)展 1928年， H. Nyq

21、uist首先證明把正弦信號從它的采樣值復現(xiàn)出來，每周期至少必須進行兩次采樣。 1933年，蘇聯(lián)工程師科捷利尼科夫首次用公式嚴格地表述這一定理，故在蘇聯(lián)文獻中稱為科捷利尼科夫采樣定理。,33,34,1938年，美國數(shù)學家C. E. Shannon在碩士論文《繼電器與開關電路的符號分析》中將布爾代數(shù)的“真”與“假”和電路的“開”與“關”對應起來，用布爾代數(shù)分析并優(yōu)化開關電路，奠定了數(shù)字電路的基礎。 1948年，在發(fā)表的《通信的數(shù)

22、學原理》中提出“信息熵”的概念，解決了對信息量化的度量問題，為信息論和數(shù)學通信奠定了基礎。,34,香農,1949年，在發(fā)表的《噪聲下的通信》中將乃奎斯特的采樣定理加以明確說明并作為定理引用。 二戰(zhàn)期間為軍事領域的密碼分析做出貢獻，1949年，發(fā)表《保密系統(tǒng)的通信原理》使保密通信由藝術變?yōu)榭茖W；并于同年證明一次性密鑰是無法被破譯的。 除此之外，對將連續(xù)的模擬信號抽樣成離散的數(shù)字信號的抽樣分析理論也有貢獻，奠定了數(shù)字通信的基礎理

23、論。,35,4.2 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù) 1944年，R.C. Oldenbourg與H.Sartorious以及1948年Tsypkin年分別提出脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)，即線性差分方程的所有特征根應位于單位圓內；并提出一種變換將Z平面的單位圓內部轉換到新平面的左半面的方法，即可使用Routh-Hurwitz判據(jù)；將連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析方法引入離散系統(tǒng)分析，則求得離散型頻率特性后，奈氏穩(wěn)定判據(jù)和其他一切研究線性系統(tǒng)的頻率法都可應用。,36,

24、4.3 Z變換理論 1947年，波蘭數(shù)學家W. Hurewicz引進一個變換來處理離散序列。 在此基礎上，Tsypkin于1949年及J.R. Ragazzini 和L.A. Zadeh于1952年分別定義和提出了Z變換的方法，大大簡化了運算步驟并在此基礎上發(fā)展起脈沖控制系統(tǒng)理論。,37,胡雷維奇,38,由于Z變換只能反應脈沖系統(tǒng)在采樣點的運動規(guī)律，故Tsypkin 、R.H. Barker和E.I. Jury又分別于1950年、

25、1951年和1956年提出了廣義Z變換或修正Z變的方法。 脈沖理論的許多工作是由哥倫比亞大學的 Ragazzini及其博士生Jury(離散系統(tǒng)的朱利穩(wěn)定判據(jù)，離散系統(tǒng)的能觀性與能達性分析)、R. E. Kalman (卡爾曼濾波、離散狀態(tài)方法、離散系統(tǒng)的能控與能觀性分析)等完成的。,38,卡爾曼,39,當把這種理論推廣到更為復雜的系統(tǒng)時，經(jīng)典控制理論就顯得無能為力了，這是由它的以下幾個特點所決定。1．只限于研究線性定常系統(tǒng)，即使

26、對最簡單的非線性系統(tǒng)也是無法處理的； 2．只限于分析和設計SISO系統(tǒng)，采用系統(tǒng)的輸入－輸出描述方式，從本質上忽略了系統(tǒng)結構的內在特性； 3．采用試探法設計系統(tǒng)。即根據(jù)經(jīng)驗選用合適的、簡單的、工程上易于實現(xiàn)的控制器，然后對系統(tǒng)進行分析，直至找到滿意的結果為止。,39,40,綜上所述，經(jīng)典控制理論的最主要的特點是：線性定常對象，單輸入單輸出，完成特定任務。即便對這些極簡單的對象、對象描述及控制任務，理論上也尚不完整，從而促使現(xiàn)

27、代控制理論的發(fā)展：對經(jīng)典控制的精確化、數(shù)學化及理論化。,40,41,(二) 現(xiàn)代控制理論—第九章、第十章 20世紀50年代中期，在蓬勃興起的航空航天技術的推動和計算機技術飛速發(fā)展的支持下，迫切地需要解決多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)及時變系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，如：火箭和宇航器的導航、跟蹤和著陸過程中的高精度、快速響應、最少燃料和最短路徑等。這些問題難以用經(jīng)典控制理論解決。,41,42,1892年，Lyapuno

28、v提出的穩(wěn)定性理論被應用到現(xiàn)代控制理論中。 1954年，美國數(shù)學家R. Bellman提出了狀態(tài)分析法，并于1957年提出動態(tài)規(guī)劃理論。 1956年，俄羅斯數(shù)學家Pontryagin提出極小值原理。 這為最優(yōu)控制提供了理論基礎。,42,貝爾曼,龐特里亞金,43,1959年，匈牙利裔美國數(shù)學家Kalman提出了卡爾曼濾波理論，于1960年在控制系統(tǒng)的研究中成功應用狀態(tài)空間法，并提出了能控性和能觀性的概念，實現(xiàn)了多變量最優(yōu)控制

29、和最優(yōu)濾波理論。,43,至此，以狀態(tài)方程為描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，以最優(yōu)控制和卡爾曼濾波為核心的控制系統(tǒng)分析、設計的新原理和方法基本確定，現(xiàn)代控制理論建立形成。,卡爾曼,44,現(xiàn)代控制理論以線性代數(shù)和微分方程為主要數(shù)學工具，以狀態(tài)空間法為基礎，分析與設計控制系統(tǒng)。狀態(tài)空間法本質上是一種時域的方法，它不僅描述系統(tǒng)的外部特性，而且可以揭示系統(tǒng)內部狀態(tài)和性能。它分析和綜合的目標是在揭示系統(tǒng)內在規(guī)律的基礎上，實現(xiàn)系統(tǒng)在一定意義下的最優(yōu)化。它的構成帶

30、有更高的仿生特點，即不限于單純的閉環(huán)，而擴展為適應環(huán)、學習環(huán)等。較之經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論的研究對象要廣泛得多，它既可以是單變量的、線性的、定常的、連續(xù)的，也可以是多變量的、非線性的、時變的、離散的。,44,45,現(xiàn)代控制理論具有以下特點： 1. 控制對象結構的轉變?？刂茖ο蠼Y構由簡單的單回路模式向多回路模式轉變，即從單輸入單輸出向多輸入多輸出。它能夠處理極為復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制問題。 2. 研究工具的

31、轉變。(1) 積分變換法向矩陣理論、幾何方法轉變，由頻率法轉向狀態(tài)空間的研究；(2) 計算機技術發(fā)展，由手工計算轉向計算機計算。 3. 建模手段的轉變。由機理建模向統(tǒng)計建模轉變，開始采用參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識的統(tǒng)計建模方法。,45,46,(三) 智能控制理論 隨著科學技術的發(fā)展和研究對象的復雜性，控制器及控制任務和目的的復雜性，并且被控對象具有不確定性、變結構、模糊性、強耦合性、時變性和非線性等，很難精確地建立數(shù)學模型，因此

32、，借助于數(shù)學模型描述和分析的傳統(tǒng)控制理論已難以解決復雜系統(tǒng)的問題。這就促使了智能控制理論的產(chǎn)生。,46,1965年，美籍華裔科學家傅京孫教授首先把人工智能的直覺推理方法應用于學習控制系統(tǒng)，將智能控制概括為自動控制和人工智能的結合。 1966年，美國J.M. Mendel進一步在空間飛行器的學習控制系統(tǒng)中應用了人工智能技術，并首先提出了“人工智能控制”的概念。 1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。,4

33、7,傅京孫,48,1971年，傅京孫提出智能控制就是人工智能與自動控制的交叉的“二元論”思想，列舉三種智能控制系統(tǒng)：人作為控制器、人機結合作為控制器、自主機器人。 1977年，Saridis提出了智能控制是人工智能、運籌學、自動控制相交叉的“三元論”思想及分級遞階的智能控制系統(tǒng)框架。 1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一界智能控制學術討論會。,48,49,1987年1月，在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了

34、第一界智能控制國際會議，這標志著智能控制作為一門新學科正式建立起來。,49,智能控制的主要形式,50,智能控制的主要技術方法,智能控制是以控制理論、計算機科學、人工智能、運籌學等學科為基礎,擴展了相關的理論和技術,其中應用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應控制、自組織控制、自學習控制等技術。 自適應控制理論與方法：以系統(tǒng)辨識和參數(shù)估計為基礎，處理被控對象不定和緩時變，在實時辨識基礎上在線確定最優(yōu)控制規(guī)律。

35、魯棒控制方法：由于控制系統(tǒng)實際運行時存在,50,51,擾動和不確定性因素，當所設計的控制系統(tǒng)的數(shù)學模型和系統(tǒng)參數(shù)不精確并可能在一定范圍內變化時，魯棒控制仍能使系統(tǒng)穩(wěn)定的工作并具有較好的性能。 非線性控制系統(tǒng)方法：相平面法、描述函數(shù)法、李雅普諾夫第二法、變結構控制方法等。 模糊控制：借助于模糊數(shù)學模擬人的思維方法，將工藝操作人員的經(jīng)驗總結，運用語言變量和模糊邏輯理論進行推理和決策，控制復雜對象。主要處理大時滯非線性系統(tǒng)。 神經(jīng)網(wǎng)絡控

36、制：具有學習能力，主要解決復雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問題。,51,52,專家控制方法：應用人工智能技術，根據(jù)某個領域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬專家的決策過程以解決復雜問題。 預測控制方法：一種計算機控制算法，在預測模型的基礎上采用多步測試、滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，可適用于控制不易建立數(shù)學模型且比較復雜的工作生產(chǎn)過程。 分布式控制：多臺計算機分別控制不同的對象或設備，各自構成子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間